SPS制备SnO2和ZnS:Mn量子点玻璃及其光学性能的研究

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由于具有其他材料所没有的光电性能,半导体量子点吸引了很多研究人员的目光。但是,就目前来讲,Cd系及Pb系量子点是研究相对完善的两类量子点,但是其中皆含有对环境污染较为严重的重金属,更重要的是,重金属对人体产生的影响也不容忽视,因此无法应用于生物等领域,所以无毒无害的量子点的制备则更加值得关注和研究。此外,量子点的有效封存和应用一直是研究的重点,因此寻找一种更有效的量子点封存方法能够保留量子点的优良性能也是近年来研究的热点。由于量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应等影响,量子点显示出独特的物理和化学特性,特别是其依赖粒径的光学性质,近年来成为光学器件的研究热点。而当前的研究中,量子点难以直接被利用于工业生产,主要是由于纳米颗粒具有较大的比表面积、高度的活性、较差的稳定性。研究人员发现,量子点玻璃的研究价值更高,主要还是因为以玻璃为基质,就会有很多跟其他固体材质不尽相同的特点。在最近的几年,人们主要将目光转向了纳米晶半导体光学性质的研究上。当半导体粒子的尺寸逐渐接近激子玻尔半径时,其表面原子与内部原子的比例显著增加,使得表面性能对材料的性能起着重要的作用。纳米SnO2由于其巨大的比表面积和与尺寸相关的电学和光学性质在材料应用中有出色的表现。氧化锡因为其独有的大的N型带隙(Eg=3.6ev 300K),低的电子亲和能和大的激子束缚能(130 meV)而相较其他半导体材料来将会稳定一些,因此就被广泛用作气体传感器材料、研究并使用在透明的加热元件的电极材料、太阳能电池、电阻器、抗静电涂料和用节能的“低辐射”窗玻璃的特种涂料上。另外,在所有的无机半导体纳米晶中,锌硫基量子点因其较为独特的发光性能就被广泛的用于发光材料中。锌硫族化合物的主要优点是其具有宽带隙、毒性低(无镉和无铅),合成简单,易量化和操作,并能有效地掺杂金属离子。现已被广泛应用于可调光和白光照明设备上,此外具有核壳结构的锌硫族化合物也被合成和研究。但由于ZnS量子点其发光不稳定,故具有稳定的掺杂特征峰发光的ZnS:Mn量子点则更具有研究意义。在本文中,我们主要对量子点的发光特性还有其他主要的制备工艺及优缺点来做一个简单的阐述,同时要和放电等离子体烧结技术进行综合,将量子点-介孔硅基粉体在较低的温度下不经熔融状态直接固化成玻璃且无需退火,有望制备出可以控制浓度、具有稳定发光性能的量子点玻璃。首先,本课题分别采用了水热法和热注入法制备SnO2和ZnS:Mn量子点,然后将合成的SnO2和ZnS:Mn量子点与介孔二氧化硅粉体(SBA-15)混合得到SnO2/SBA-15和ZnS:Mn/SBA-15复合粉体。最后,采用放电等离子体烧结技术将混合后的粉体经烧结固化成SnO2和ZnS:Mn量子点玻璃。此外,本文还将简要介绍量子点的发光特性及主要的制备工艺和其优缺点,从量子点掺杂的玻璃系统、发光机理以及光谱特性等方面介绍几种常见的量子点玻璃。此外,将主要介绍量子点玻璃的制备工艺以及应用前景,并重点阐述放电等离子烧结的原理、优势及近几年来的研究现状。第一步,我们需要合成出一个拥有二维六方孔道结构的SBA-15粉体,制作该粉体主要通过软模板剂法的方式来进行。所得到的石英玻璃维氏硬度为6.72GPa。随后,采用水热法获得了结晶度良好的四方相闪锌矿结构的SnO2量子点。随着合成p H值得逐渐增加,颗粒从球状逐渐转变为棒状,其结晶性也越来越好,颗粒的粒径尺寸在60 nm以下。研究人员对该粒子进行试验,发现该粒子的发光峰值分别在400nm、469nm及536nm处。之后,通过热注入法合成出结晶度良好的六方纤锌矿结构的ZnS:Mn量子点,发现该量子点存在本征发光峰的位置为470nm,存在缺陷发光峰的位置是540nm处,量子点颗粒的平均尺寸为4.3nm。最后一步,研究人员通过结合介孔硅基粉体及ZnS:Mn量子点,在经过SPS烧结后获得我们需要的量子点玻璃,也就是SnO2量子点玻璃,它的发光峰在397nm处,但要使得发光强度达到最大的话可以把复合浓度调整为1wt%,但是浓度的增大会使SnO2量子点玻璃的维氏硬度减小。此外,ZnS:Mn量子点玻璃在470nm和540nm左右的本征发光峰消失,但位于580nm处的Mn2+掺杂峰出现,并得到了很大程度的增强,但是量子点复合浓度的增大也会使ZnS:Mn量子点玻璃的维氏硬度减小。本文主要将SnO2及ZnS:Mn量子点和SPS烧结技术相融合,成功地制备出了SnO2和ZnS:Mn量子点玻璃。经过SPS烧结后,量子点的发光性能都得到了一定程度上的增强,发光峰的位置也得到了统一。由此我们可以看出,本课题可以对量子点浓度控制困难的问题、颗粒尺寸分布宽、发光强度低的问题进行一定的改善,最关键的是,对于量子点的稳定保存和应用开拓了一个新的想法。
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