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铅的硫族化合物(如PbS,PbSe等)量子点具有较小的带隙能和较大的激子玻尔半径,进而展现出一系列优异的光学和电学性能,在光电子学、生命科学以及信息科学等方面有着极其广泛的应用前景。IV-VI族量子点的有效带隙可调范围大,能够实现近、中红外波段的可调吸收和辐射,可作为近、中红外波段的光源及增益介质。玻璃具有良好的热力学稳定性和化学稳定性,是量子点的重要基质材料之一,但PbS,PbSe等量子点掺杂玻璃材料仍然面临较多的问题,主要体现在量子点有效带隙宽度调控波段有限、量子点表面缺陷钝化困难、Stokes位移变化情况复杂等问题。 本文针对量子点掺杂玻璃材料的上述问题,基于玻璃中量子点析晶的热力学、动力学特性,从量子点掺杂玻璃材料中硫族元素化合物过饱和溶解度调控角度出发,研究了硫族元素掺杂浓度、S/Pb比例等因素对PbS量子点掺杂玻璃的析晶性能、PbS量子点禁带宽度以及玻璃中PbS量子点荧光性能Stokes位移等的影响。实验采用传统熔融法制备硅酸盐玻璃,以ZnS和PbO作为PbS的前驱体,制备了不同S/Pb比例的玻璃样品,根据DSC等热力学性能分析结果,采用热处理制备量子点;采用X射线衍射、高分辨透射电镜、吸收与荧光光谱等表征、分析了PbS量子点掺杂玻璃的微观结构与光学性能;阐明了玻璃组成、硫族元素掺杂浓度、S/Pb比例等对量子点禁带宽度、荧光性能等的影响。具体实验结果如下: (1)玻璃中添加了过量的硫元素,提高了硫的过饱和溶解度,进而促进了PbS量子点的析晶。玻璃经热处理后,量子点的吸收峰和发光峰的可调范围覆盖了整个近红外波段,当热处理温度较高时,可调范围达中红外波段。 (2)实验中不同S/Pb比例的硅酸盐玻璃经热处理后均析出了PbS量子点,粒子直径为3.5nm到13.3nm之间,吸收峰和发光峰覆盖波段为900nm~2300nm,为量子点在中红外波段的应用奠定基础。 (3)随热处理温度的升高,PbS量子点的吸收系数先增大后减小,吸收光谱的半高峰宽和发射光谱的半高峰宽先减小后增大。当热处理温度低于530oC时,量子点发光峰符合高斯函数,热处理温度升高到530℃和540℃时,发光峰要进行双峰高斯函数拟合。这些现象主要是由于温度较高时,玻璃中量子点发生Ostwald熟化效应,促使量子点的数量减少,尺寸分布变宽。 (4)对不同S/Pb比例的PbS量子点掺杂玻璃进行吸收光谱和发射光谱分析,发现均产生了Stokes位移,最大为206meV。本实验PbS量子点产生Stokes位移的原因有量子点的表面缺陷,谷间相互作用,交相互作用和能量转移等,其中主要是由表面缺陷相关的表面能级引起的。 (5)实验中还发现随量子点粒径的增大,Stokes位移逐渐减小,甚至接近零。这是由于小粒径量子点比表面积大,表面缺陷较多;交相互作用和谷间相互作用也随粒径的减小而增大;且小粒径量子点的声子震动消耗的能量也多。