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半导体量子点具有独特的几何结构及物理、化学性质,在光电子学、纳米电子学、生物医学、生命科学和量子计算等领域有着非常广泛的应用或应用前景,一直以来备受关注。硒化镉(CdSe)具有良好的光学特点,是科学家最早研究的半导体量子点之一。本论文采用密度泛函理论,研究了表面配体和溶剂对CdSe量子点的结构、稳定性以及光学性质的影响,为实验研究提供了有价值的理论依据。
在实验研究中,人们能够合成出最小尺寸在1 nm左右的CdSe量子点,由于这些小尺寸量子点的结构稳定并且含有特定数目的原子,所以我们把它们称为幻数团簇。目前,从获得的质谱数据可以确定这些团簇为Cd13Se13和(CdSe)33,34。借助理论计算,Kasuya等人认为这两个团簇的几何结构应该是带有中心原子的核笼结构。在这个计算中,他们给出的结果是在不考虑配体和溶剂的情况下得到的,而其它的理论研究也没有给出相关的计算结果。因此,我们选择小尺寸的CdnSen(n=3,6,13)团簇,利用DFT和TDDFT方法来研究OPH3和NH2CH3配体,以及甲苯和苯胺溶剂对它们结构及物理化学性质的影响。
计算结果表明:配位分子只吸附在Cd原子上,导致团簇的几何结构松弛、Cd-Se键变长、内部的电荷重新分布。由于配体饱和了团簇表面的悬键,使团簇的HOMO-LUMO能隙增加,稳定性增强。因此,在吸附配体后,团簇的吸收峰会发生蓝移。对于不同的配体OPH3和NH2CH3,配位团簇产生的吸收峰的位置和强度略有不同,但是形状类似。在计算中如果考虑到真实体现中存在的配体和溶剂效应,那么得到的Cd6Se6和Cd13Se13的吸收谱与实验吻合的非常好。
与实验获得的紫外光谱图比较,我们发现这些小尺寸的团簇在CdSe量子点的成核以及生长过程中具有重要的作用。在实验合成的开始阶段,有大量的Cd6Se6生成,之后以Cd6Se6为核生长出稳定的Cd13Se13和(CdSe)33,34团簇,随着反应时间的增加,生成的颗粒会逐渐增大,通过控制反应条件可以得到不同尺寸、形状的纳米颗粒。选择伯胺作为配体、甲苯作为溶剂,在25-100℃下生成的将是小尺寸的幻数团簇;若改变反应条件,选择三辛基氧膦作为溶剂,温度升高到250℃以上,得到的产物将是纳米棒等其它大尺寸的纳米材料。