硫化锌包覆改进多元硫化物量子点性能的研究

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量子点是一种尺寸在纳米量级的半导体纳米材料。受量子尺寸效应影响,其带隙与粒径大小相关。量子点在受到光或电激发后,会发出不同颜色的荧光,这使得量子点在光电材料等多领域得到了广泛关注。然而,常规方法制备的量子点在空气中仍不够稳定,这是由于量子点本身具有较大的表面积,暴露在空气中容易与空气中的水氧反应。在表面生成多种缺陷,而缺陷的存在会导致量子点荧光发生淬灭。为此,通常需要在量子点外层包裹一层宽带隙的无机化合物形成核壳结构。宽带隙材料一方面将量子点与外界环境隔离,另一方面也能对量子点表面缺陷起到修复作用。本文使用连续注射法,分别使用10倍、30倍和50倍的硫化锌对铜铟硫量子点进行外层包覆,合成得到了一批高质量,单分散,粒径分布均一的CuInS2/ZnS核壳结构量子点。量子点晶体结构随着ZnS包覆量的增加逐渐由黄铜矿晶型向立方硫化锌晶型转变。透射电镜测试发现,合成的量子点具有较好的单分散性,量子点的粒径随着ZnS含量的增长而逐渐增大。结合透射电镜结果,计算得出不同ZnS包覆量得到的CuInS2/ZnS量子点分别包裹了1、3、7层ZnS壳层。ZnS包覆有效提高了量子点的光学性能和光学稳定性。随着ZnS壳层厚度的增加,量子点的量子产率逐渐提高到49%。在光稳定性测试中,包覆了7层ZnS的样品连续辐照7小时后仍能保持20%的相对荧光强度。ZnS包覆还增强了量子点的化学稳定性,且随着ZnS壳层厚度的增加,量子点的化学稳定性逐步增强。化学稳定性实验表明,包裹了1层ZnS的CuInS2量子点在外界化学环境改变后量子产率从67%下降到42%,而包裹了7层ZnS的CuInS2量子点的量子产率几乎不受外界化学环境变化影响。通过将分别包裹了1层ZnS和包裹了7层ZnS转移到透明光学胶中并应用到LED发光芯片中,经过相同的辐照时间后,包裹了1层ZnS的量子点的芯片相对荧光强度降低至初始状态的16.2%,而包裹了7层ZnS的量子点LED芯片的相对荧光强度维持在初始状态的33.9%。这表明多层ZnS包覆的CuInS2/ZnS量子点在固相中也具有较好的稳定性。本文还合成了不同掺杂浓度的铜锡共掺杂硫化镉量子点,并分别考察了反应温度和掺杂浓度对于产物性能的影响。实验表明,随着反应温度的提高,产物的吸收峰位置逐渐红移。随着掺杂浓度的提高,铜锡共掺杂量子点的荧光发射峰明显收窄,量子点紫外吸收峰位置逐渐红移,斯托克斯位移缩小。XRD测试表明,Cu、Sn与CdS晶体具有较好的晶格适配度,能够形成固溶体结构。最后,本实验通过在铜锡共掺杂量子点外层包覆硫化锌,提高了量子点的荧光强度。在硫化锌包覆掺杂量子点过程中,量子点的紫外吸收峰位置出现先蓝移后红移的现象,这可能是由于包覆反应后期Zn取代了量子点中的Cd,生成了合金结构的窄带隙化合物,使得吸收峰红移。随着反应时间的延长,包覆体系的荧光强度逐渐下降。
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