SPS制备Pb(Cd)S量子点玻璃及其性能研究

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半导体量子点由于依赖颗粒尺寸的独特光电特性而备受关注。PbS量子点(QDs)材料具有直接带隙窄(Eg=0.41eV)、激子波尔半径大(20nm)的特点,使其具备了即使在较大的颗粒半径下也能获得较强的量子尺寸效应能力。并且可通过控制颗粒尺寸的大小实现从可见光到红外波段的发光位置调节,因此PbS量子点广泛应用于生物(生物荧光标记、靶向药物等)、能源(太阳能电池)、光学(激光器、红外探测器、非线性光学、发光二极管以及光学开关等)等各领域。CdS量子点材料是II-VI族化合物,是一种典型的宽禁带直接半导体材料。在太阳能转换、非线性光学、光电化学、光催化、生物荧光标记以及发光二极管等领域具有广泛的应用。因此,对PbS、CdS量子点材料的研究具有重大意义。本文主要采用化学法制备出高质量的PbS、CdS量子点与放电等离子体烧结(SPS)技术(在低温下能将粉体不经熔融直接固化成玻璃的特性)相结合的工艺,期望制备出尺寸可控、分布均匀和浓度稳定的量子点玻璃。分别采用了两相法、水热法、水相法制备出高质量的PbS和CdS量子点,然后将合成的PbS、CdS量子点复合到介孔二氧化硅粉体中(SBA-15)得到PbS/SBA-15和CdS/SBA-15复合粉体。最后,采用SPS烧结技术将复合粉体固化成PbS、CdS量子点玻璃。首先,采用软模板法制备出具有良好固化性能的SBA-15粉体。合成制度:油浴时间为24h、温度为40℃,鼓风烘箱保温温度为130℃、保温时间72h。确定的烧结工艺:升温速率为100℃/min、最高温度1080℃、保温时间3min;所得到的石英玻璃维氏硬度为6.72GPa。其次,化学方法制备PbS、CdS量子点。第一,采用两相法制备油溶性的PbS量子点,得到了具有很好结晶度的立方相PbS量子点。球形的量子点颗粒具有很好的单分散性、颗粒平均尺寸约为4nm。光谱测试结果表明,在570nm和736nm处分别有一个吸收峰和光致发光峰。第二,采用水热法制备PbS量子点,获得了结晶度良好的立方相结构的PbS量子点。近球形的量子点具有非常好的单分散性、颗粒平均尺寸约为3nm。经过光谱分析测试表明,在290nm和430nm处分别有一个吸收峰和光致发光峰。第三,采用原位聚合法制备的PbS量子点,在970nm处有一个光致发光峰,经谢乐公式计算颗粒平均尺寸约为10nm。第四,采用水相法合成了水溶性PbS量子点。光谱分析表明,在800nm和960nm处分别存在一个吸收肩峰和光致发光峰。第五,采用单一的有机盐为前驱体合成水溶性CdS量子点。得到结晶度很好的立方相CdS量子点且颗粒平均尺寸约为3.5nm。光谱测试表明,在445nm和470nm处分别有一个吸收峰和光致发光峰。然后,将制备好的量子点复合到SBA-15中制备成复合粉体。两相法制备的油性PbS与SBA-15粉体经高速磁力搅拌、旋蒸、热处理后得到PbS-QDs/SBA-15复合粉体;原位聚合制备的PbS/SBA-15粉体,采用Ar/H2混合气氛保护于管式炉中煅烧去除(3-疏基丙基)三甲氧基硅烷获得PbS/SBA-15复合粉体;CdS量子点不经过提纯直接与SBA-15粉体调成糊状搅拌5h,经旋转蒸发仪去除乙醇和硫脲得到单一的CdS/SBA-15复合粉体。最后,将获得的复合粉体经SPS烧结技术烧结成玻璃。得到了良好分散性的、保持很好结晶度的、颗粒尺寸为8nm的PbS量子点玻璃。量子点玻璃在789nm处有一个光致发光峰,当复合浓度为0.3wt%时光致发光强度达到最大。量子点玻璃的维氏硬度随着量子点复合浓度的增大而逐渐的降低。同时也得到了结晶度良好的、单以分散性的、颗粒尺寸约为5nm的量子点玻璃。量子点玻璃在510nm左右有一个很窄的光致发光峰,谱峰的半高宽小于25nm,这是一个以往任何的量子点玻璃都不可及的重大突破。量子点玻璃的维氏硬度也随着复合浓度的增大逐渐降低。本文通过将化学法合成高质量的量子点与SPS烧结技术相结合,成功的制备出了PbS和CdS量子点玻璃。解决了以往量子点玻璃中浓度控制困难、颗粒尺寸分布宽、发光强度低的难题。同时在CdS量子点玻璃组装成LED器件上也进行了相应的探索,为耐高温、高功率量子点LED的开发与应用开辟了新的思路。
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