【摘 要】
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硫化锌(ZnS)量子点作为一种新型半导体发光材料,有着独特的光学性质,电学性质等,在多个领域有着重要的应用价值。在光电领域中,提高ZnS量子点的发光性能是研究的首要工作。在近些年对发光性能的研究中,掺杂是最简单,且最有效提高发光强度的途径之一。本论文采用低温固相法合成了ZnS:Cl,X(X=F,Br,I)以及ZnS:Br,Y(Y=F,I)量子点,并利用X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM
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硫化锌(ZnS)量子点作为一种新型半导体发光材料,有着独特的光学性质,电学性质等,在多个领域有着重要的应用价值。在光电领域中,提高ZnS量子点的发光性能是研究的首要工作。在近些年对发光性能的研究中,掺杂是最简单,且最有效提高发光强度的途径之一。本论文采用低温固相法合成了ZnS:Cl,X(X=F,Br,I)以及ZnS:Br,Y(Y=F,I)量子点,并利用X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM),紫外可见漫反射光谱(UV-vis),光致发光光谱(PL),氮气吸附仪(BET)和红外光谱(FTIR)对量子点材料的形貌,结构,成分及性能等进行表征。分析掺杂离子对量子点的结构和缺陷、吸收光谱、反射光谱、发射光谱、电介质函数和折射指数等光学性质的影响,计算能带结构和电子态密度,比较其变化,探讨基质晶格、缺陷及掺杂离子间能量吸收及传递的规律特征。主要的研究结果有:1.ZnS:Cl,X(X=F,Br,I)量子点的制备及发光性能研究采用低温固相法制备了ZnS:Cl,X(X=F,Br,I)量子点,XRD分析出的平均晶粒尺寸分布在5.3 nm,4.5 nm,3.6-4.3 nm,2.2-3.0 nm,3.2-3.3 nm分别对应ZnS,ZnS:Cl,ZnS:Cl,X(X=F,Br,I)量子点。高分辨透射电镜观察到材料呈球状,晶粒大小约为5 nm,与XRD分析的数值相对应。在共掺样品中,当Cl-浓度为7%时,随着F-、Br-、I-浓度的增高发光强度先增高后降低,最佳掺杂浓度分别在5%,3%和5%处,发光强度比未掺杂的ZnS分别提高4.7,4.9,7.2倍。吸收光谱显示,禁带宽度随着F-、Br-、I-浓度的增加而增大,这意味着掺杂可以对ZnS量子点的禁带宽度进行调控。第一性原理计算结果表明ZnS:Cl,X(X=F,Br,I)共掺模型的禁带宽度分别为2.364 eV,2.197 eV,2.305 eV均大于纯ZnS禁带宽度的计算值1.956 eV,与实验结果有相同的趋势,并且发现共掺后ZnS的能带发生移动,向N型半导体转变。2.ZnS:Br,Y(Y=F,I)量子点的制备及发光性能研究采用同样的低温固相法合成了基于Br共掺的ZnS:Br,Y(Y=F,I)量子点。通过XRD分析得出的平均晶粒尺寸分别在3.3-3.7 nm和3.6-4.1 nm之间,高分辨透射电镜图与XRD分析结果保持一致。发光强度由于Br-和F-,Br-和I-的引入,载流子浓度增加,使得发光强度分别提高10.6和6.6倍。吸收光谱显示最佳发光强度的能带结构分别为3.78 eV和3.80 eV,与未掺杂ZnS相比有增大趋势,并且第一性原理计算结果得到的理论值为2.377 eV和1.985 eV,与实验趋势相同。3.L-cys/ZnS量子点的发光性能的研究通过两步法制备了平均粒径为3.7-5.7 nm的L-cys修饰的ZnS量子点。结果表明,通过L-cys修饰可进一步提高ZnS量子点的分散性和发光强度。当L-cys与ZnS量子点的质量比等于0.7:0.5时,其发光强度是ZnS样品的4.5倍。第一性原理计算结果表明,L-cys修饰后可以形成I型和II型异质结,这将减少表面非辐射复合的机会,进而增强发光强度。
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