钴镍掺杂的硫化铟铜稀磁量子点制备与表征

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稀磁量子点是指在零维非磁性半导体量子点中掺杂少量磁性离子制备而成的新型光-磁双功能材料。磁性离子的掺杂使量子点具有电子自旋和电子电荷特性从而有望用于信息存储和信息处理器件,而以量子点为基体的材料则有望借助于其独特的量子尺寸效应对材料的磁性进行调控。更重要的是量子点的荧光性能也使制备光-磁双功能材料成为可能。具有室温铁磁性的稀磁量子点是其应用的关键。目前只有少量稀磁量子点可以实现室温铁磁性,且大多是以含毒性Cd元素的量子点为基体进行制备。  针对当前研究现状,本文以无毒新型稀磁量子点材料制备为研究目标,合成了Co∶CuInS2/ZnS和CuNiInS两种兼具荧光性能和室温铁磁性的量子点体系。这种双功能量子点体系为利用荧光性能研究磁性杂质能级位置、磁性产生根源等问题提供了便利。具体内容如下:  以核掺杂方式合成了无毒的Co∶CuInS2/ZnS量子点。根据Co掺杂量与量子点荧光强度拟合结果建立光物理过程模型,证实了Co会在量子点导带附近引入无辐射复合能级从而造成量子点荧光的猝灭。由于荧光猝灭程度与Co掺杂量成反比例函数关系,因此适当的Co掺杂量是影响Co∶CuInS2/ZnS稀磁量子点磁性和荧光的关键。过多的Co杂质会使Co∶CuInS2/ZnS稀磁量子点的荧光完全猝灭,而过少的Co杂质又不足以抑制CuInS2/ZnS量子点自身的反铁磁性。只有适当的Co掺杂量所才能获得兼具室温铁磁性和荧光性能的Co∶CuInS2/ZnS稀磁量子点。  以改变磁性杂质离子种类的方式解决了Co杂质造成的荧光猝灭问题,制备了兼具强荧光和室温铁磁性的CuNiInS稀磁量子点。荧光测试结果表明Ni离子不会在CuInS2禁带中引入杂质能级从而保持了量子点自身的强荧光性能。CuNiInS稀磁量子点的强荧光特性可以用来监测量子点内部空位缺陷的浓度变化并研究缺陷与量子点室温铁磁性起源。研究结果表明部分Cu空位缺陷(VCu-)位置会被Ni离子填补(NiCu+)并形成由VCu-和NiCu+组成的束缚极化子。这是导致量子点由反铁磁性转变为室温铁磁性的关键。由于VCu-和NiCu+相对浓度的改变直接影响束缚极化子浓度,因此制备量子点过程中可通过控制Ni或Cu的组成可以对量子点的室温铁磁性进行调控。
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