多晶相半导体纳米晶的控制合成及关键因素研究

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半导体纳米晶由于其独特的物理、化学性质,在光电器件、光催化和生物医药等领域具有潜在的应用前景,成为纳米领域的前沿热点课题。半导体纳米晶的物理性质强烈依赖于材料的尺寸、形貌、晶相结构、组分和表面结构等参数。因此,设计和发展简单、绿色且普适的合成体系,理解合成反应控制的关键影响因素,实现半导体纳米晶的精确调控,对于开展相关应用具有非常重要的意义。本论文针对多晶相半导体纳米晶化学合成中的晶相控制开展探究,以现阶段研究热点中的Cu2-xS和CsPbBr3纳米晶为研究对象,通过化学反应条件的设计,实现了晶相的精细调控,并探索了晶相依赖的光电性质。具体结果如下:(1)采用热注入法,通过改变反应温度、反应前驱体中油胺/十八烯反应体积比和Cu/S反应摩尔比等反应参数选择性合成了六方晶相CuS、单斜晶相Cu1.75S和斜方晶相Cu1.8S三种具有均一的尺寸和形貌结构的半导体纳米晶;通过化学反应过程的热力学和动力学,结合实验结果,揭示了油胺控制的Cu2+-->Cu+转化、S8-->S2-转化以及Cu2-xS聚集体与Cu+的交换是Cu2-xS纳米晶晶相控制中的决定性因素;探索了Cu2-xS纳米晶晶相结构依赖的局域表面等离子体共振吸收特性和其作为低成本量子点敏化太阳能电池对电极材料的光电转化特性。其中斜方晶相Cu1.8S纳米晶热处理后的电极材料,在标准光谱AM 1.5G(100 mW/cm2)下最高光电转换效率可达5.81%,接近Cu箔材料的6.15%转换效率,表明其具有优异的光电催化活性。(2)发展了简单、方便的室温微乳液合成技术,制备出蓝、绿发光的立方晶相CsPbBr3纳米晶(波长为512 nm和460 nm)。其中绿光纳米晶量子产率超过70%的量子产率,为开发CsPbBr3半导体纳米晶在照明和显示领域内的应用提供了高质量材料。上述研究结果,为Cu2-xS和CsPbBr3纳米晶的晶相精细控制合成提供了新的反应路线和指导理论;同时对于其他类的半导体纳米晶,在胶体化学中利用配体控制化学反应来设计和优化半导体纳米晶具有指导和借鉴意义。
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