基于ZnSe的核壳结构量子点的光谱和光生载流子动力学性质研究

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半导体量子点由于独特的物理化学特性,具有吸收带宽和发射带窄等特点,在发光材料、光伏器件及催化等领域展现出极大的应用潜力。光生载流子的动力学是决定半导体量子点应用范围和半导体量子器件的关键因素。核壳结构量子点具有荧光量子产率高和光学稳定性好等优点,是半导体量子器件领域的研究热点。但壳层的存在将显著改变半导体量子点的光学性质和光生载流子动力学过程,从而影响其在半导体量子器件中的实际应用。此外,半导体量子点的光学性质和光生载流子动力学过程还与核的尺寸和壳的厚度密切相关。因此,要促进核壳结构量子点在量子器件中的应用,必须掌握核壳结构量子点的光学性质和光生载流子动力学过程、以及核的尺寸和壳的厚度对其光学性质和光生载流子动力学过程的影响。ZnSe是重要的半导体材料,其带隙宽度为2.58 e V,在太阳能电池、光催化等领域具有广阔的应用前景。本论文主要研究了ZnSe基核壳结构量子点的光谱和光生载流子动力学性质,并获得了以下创新性成果:1 ZnSe/CdSe量子点的合成和光生载流子动力学。本论文通过连续离子层吸附反应法(SILAR)制备了高质量ZnSe/CdSe量子点,并研究了其光谱性质和光生载流子动力学过程。研究结果表明,ZnSe/CdSe量子点的光谱性质与CdSe壳厚度密切相关。随着CdSe壳厚度的增加,ZnSe/CdSe量子点光谱性质可由type-I型逐渐转变为type-II型、并进一步转变为反type-I型。利用有效质量近似模型,并考虑核壳材料晶格失配和离子相互扩散等因素的影响,可以准确预测ZnSe/CdSe量子点光谱性质、光生载流子空间分布以及能量最低导带和价带电位。光生载流子动力学包括复合、淬灭和转移动力学等过程与ZnSe/CdSe量子点光谱性质、光生载流子空间分布以及能量最低导带和价带电位等参数密切相关。此外,研究表明,核壳材料在ZnSe/CdSe量子点合成过程中易发生离子相互扩散,在280oC下,阳离子扩散速度约为0.015 nm2min-1。光生载流子动力学分析显示,CdSe壳在ZnSe量子点表面的生长遵循Stranski-Krastanov(S-K)模式,即CdSe壳在ZnSe量子点表面先形成均匀的壳层,但随着壳厚度的增加,CdSe壳层的粗糙度也逐渐增加。这些研究结果对促进ZnSe/CdSe量子点可控合成及其光谱性质和光生载流子的动力学准确调控等具有重要意义。2 ZnSe/Cd S量子点的合成和光生载流子动力学。本论文利用单前体二乙基二硫代氨基甲酸镉(Cd(DDTC)2)制备了不同粒径的ZnSe/Cd S量子点,并研究了其光谱性质和光生载流子动力学过程。研究结果表明,当Cd S壳厚度小于0.54 nm时,ZnSe/Cd S量子点呈现出type-I型光谱特征;当Cd S壳厚度大于0.85 nm时,ZnSe/Cd S量子点具有典型的type-II型光谱特征,辐射寿命最长可达182 ns。利用有效质量近似理论模型可以较为准确地预测ZnSe/Cd S量子点的光谱性质、光生载流子空间分布以及能量最低导带和价带电位。其中,Cd S壳厚度大于0.85nm时,空穴和电子倾向于分别分布在ZnSe核和Cd S壳。荧光淬灭动力学的分析表明,ZnSe/Cd S量子点的荧光淬灭以静态淬灭为主,动态淬灭为辅。离子相互扩散引起核壳界面组成结构变化和晶格应力释放的同时,促进了静态淬灭的发生。因此,离子相互扩散对ZnSe/Cd S量子点的光谱和光生载流子动力学性质产生了显著影响。上述研究表明,ZnSe基核壳结构量子点的光谱和光生载流子动力学性质与壳的组成和厚度等因素密切相关。通过壳材料的选择和厚度的调控,ZnSe纳米颗粒可呈现出type-I型、type-II型或者反type-I型光谱特征;利用有效质量近似模型,并考虑晶格失配和核壳材料相互扩散的影响,可以预测ZnSe基核壳结构量子点的光谱和光生载流子动力学性质。这些结果对促进ZnSe纳米颗粒的可控合成、光谱性质调控及其在半导体量子器件实际应用具有重要的意义。
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