荧光增强型MoS2量子点的光学性质研究

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二硫化钼(MoS2)是一种典型的层状过渡金属硫族化合物,由于其重要的电子学和光子学特性,引起了人们极大的兴趣。它的结构类似于石墨烯,层内部由共价键连接,层之间由范德华力连接。与MoS2纳米片相比,MoS2量子点具有更强的量子边界和边缘效应,具有独特的光学特性、较大的比表面积和优异的生物相溶性。基于此,MoS2量子点在荧光传感器、析氢催化、光学成像和照明等方面具有广阔的应用前景。这十几年来,人们对二硫化钼量子点已经有了大量的研究,也取得了不错的成果。然而在量子点的制备上仍存在一定的问题,比如制备的MoS2量子点形貌不够均一,光致发光效率比较低等,影响了其在光电器件,生物成像等方面的应用。因此制备出高质量、发光强的MoS2量子点仍然是需要我们不断探索的工作。本文即基于这样的研究现状,通过自上而下的物理剥离以及自下而上的化学合成两种途径制备MoS2量子点,并通过优化实验条件提高量子点的发光效率。在自上而下的制备方式下,我们通过超声辅助溶剂热的方法制备出尺寸均一的单层MoS2量子点,并通过离子插层增强了量子点的发光。在自下而上的方式下,我们以四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)提供Mo源和S源,以还原性谷胱甘肽(GSH)为还原剂,通过水热法制备出少层的高量子效率MoS2量子点,其量子效率达到20.4%,并发现在铝离子影响下,量子点发光效率可以增加到24%。以下是本文所做的具体工作。(1)通过超声辅助溶剂热法制备出MoS2量子点,并用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM),原子力显微镜(AFM)对量子点进行了形貌的表征,让我们对所制备的量子点有了更直观的认识,所制备MoS2量子点尺寸~2.6 nm左右,呈六边形蜂窝状结构,厚度在~0.7 nm,为单层MoS2量子点。此外,通过紫外可见吸收和稳态荧光光谱表征,我们发现量子点带边在400 nm处,呈明显半导体结构吸收光谱,用310 nm至370 nm激发光激发,峰位在430 nm处,通过相对法测得其量子效率仅为2.8%。(2)在制备量子点过程中,通过Al3+插层,增强了量子点的发光,使量子点量子效率从2.8%增至7.4%,增强了2.5倍。我们对量子点Al-MoS2的尺寸和高度进行了表征,与原始MoS2量子点相似,尺寸分布在2~3.5 nm之间,高度~0.7 nm,为单层结构。为了研究Al3+插层后,量子点发光增强的机制,我们通过荧光寿命衰减和瞬态吸收技术对量子点的发光进行了激子动力学分析,发现Al3+插层后,量子点荧光增强与缺陷态辅助发光增多有关,浅层缺陷态辅助电子空穴复合代替了量子点的激子-激子湮灭从而使MoS2量子点发光增强。(3)我们以(NH4)2MoS4提供Mo源和S源,以GSH为还原剂,通过水热法制备出少层的发光效率为20.4%的高量子效率MoS2量子点,并发现Al3+对其发光有一定的影响,加入微量Al3+后,量子点发光效率可达24%。为了能直观地看到量子点的形貌和分散性,我们对量子点进行了AFM表征,原始的MoS2量子点高度在1~2 nm之间,加入Al3+后量子点高度没有变化,也为1~2 nm。通过对样品进行红外透射(FTIR)光谱表征,我们发现所制备的MoS2量子点表面连有-NH2,-COOH和-SH基团。此外,我们对量子点进行了荧光寿命衰减分析,这两种量子点均有两个荧光衰减通道,带边发射通道和表面态发射通道。与MoS2量子点相比,MoS2/Al3+量子点表面态发射所占比例比较大。我们认为Al3+使量子点荧光增强归因于Al3+可以与量子点表面配体中的N,O原子发生螯合作用,从而产生了有效的螯合增强荧光效应。我们通过自上而下和自下而上的方法制备出高量子效率的MoS2量子点,并研究了量子点发光的激子动力学特征,为MoS2量子点的制备、动力学研究提供了新的方法和思路,希望该工作可以为MoS2量子点在发光器件、生物成像、太阳能电池等领域的应用发挥重要的作用。
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