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半导体纳米晶体材料(半导体纳晶),因其特殊的尺寸调制的光、电性能以及诱人的应用前景,得到了广泛的关注和研究。本论文工作涉及Ⅱ-Ⅵ族半导体纳晶的可控合成、功能化裁剪以及器件化应用,主要研究内容和结果如下:
1.发展了一种简便的、温和条件下合成金属硫化物半导体纳晶的通用方法,即单源前驱体(金属黄原酸盐)热解路线。通过配体选择和改变反应条件,实现了对ZnS和CdS纳晶形状的精细调控与相控制合成。在实验的基础上,解释了配体诱导的ZnS纳晶形状和相控制机理,并讨论了溶液相基于配体包裹的纳晶形状演变机理。
2.利用热解混合单原前驱体(黄原酸锌+黄原酸镉)的方法,合成了组成可控、发射波长可调制的ZnxCd1-xS合金化纳晶;这种合金化纳晶在蓝光区显示了较高的发光纯度和量子产率。在这个合金体系里观察到了组成依赖的形状渐变,并实现了合金化纳晶形貌的选择性调控。采用热解混合金属有机前驱体(烷基羧酸锌+烷基羧酸镉/TOPSe)路线制备了具有高荧光发射的ZnxCd1-xSe合金化纳晶。
3.系统地研究了CdSe、CdTe纳晶的合成条件,发展了一种低成本(不含烷基膦酸配体)、高产率的合成方法。对CdSe纳晶实现了形状和相控制合成,并在相控制的基础上,采用纳米粒子裁剪路线构造了高产率的CdSe四臂棒。在不含烷基膦酸的配体溶剂中,以Te纳米线为Te源,合成了CdTe四臂棒;这种新的合成方法,克服了常规Te源的难溶问题,并明显地提高了一次反应的纳晶产量。首次构筑了具有分叉形貌的CdSexTe1-x合金化四臂棒,这种材料具有能隙与组成的非线性关系,显示了宽的吸收(从紫外到红外波段)和红外发射性能,是一种潜在的光伏纳晶材料。
4.利用电化学循环伏安法,系统地测定了CdSe、CdTe、CdSexTe1-x纳晶的氧化还原行为,确定了不同组成纳晶的HOMO与LUMO位置;合金化纳晶的HOMO-LUMO在两种本体材料的HOMO-LUMO之间随组成有规律的移动;由电化学CV方法得到的Egap与由光学吸收边所确定的值接近。
5.系统地研究了CdSe、CdTe、CdSexTe1-x纳晶与聚合物(MEH-PPV和P3HT)之间的相互作用和共混膜内纳晶与聚合物的相分离问题;在此基础上构造了CdSe、CdTe、CdSexTe1-x纳晶(四臂棒)-聚合物共混薄膜太阳能电池。含CdSe纳晶的光伏器件,最好能量转化效率达到0.8%(模拟太阳光AM1.5,85mW/cm2),能量转换效率随光活性层内CdSexTe1-x纳晶Te含量增加而下降。