Cu-Zn-In-S纳米晶的合成与性质研究

论文摘要

荧光半导体纳米晶由于其良好的光电性质,在生物荧光标记、LEDs、太阳能电池等领域都有重要的应用,相对于传统的含有剧毒重金属二元荧光半导体纳米晶,四元CuZnInS3纳米晶是一种“绿色”环保的半导体材料,因此更具实际应用价值。在本文中,我们发展了一种合成高质量的四元CuZnInS3纳米晶的方法,这种方法简单,制备的纳米晶尺寸、组成可控,光学性能在可见和近红区可调。获得的纳米晶具有良好的化学和热稳定性,在LEDs等领域有着广泛的应用前景。在不同实验条件下研究了Cu,Zn,In三种金属前体的成核温度,对三种前体的反应活性进行系统研究,为多元纳米晶合成提供了一种普适的方法。基于反应单体活性实验的结果,我们以四元CuZnInS3纳米晶为模型体系,通过反应温度的调控和配体的复合作用,制备了尺寸可调、组成一致的四元CuZnInS3纳米晶,它的荧光光谱发光范围可从620nm调节到780nm,发光效率可达65%左右。通过调节Zn/Cu反应单体的比率,在相同的反应温度下合成了尺寸相同,带隙高度可调的四元纳米晶,粒子的发光范围可从可见区覆盖到近红外区（500nm到900nm）,纳米晶的发光效率随着组分的改变最高可达70%。瞬态荧光光谱表征证明四元纳米晶分别来自本征态激子发光和缺陷发光,晶体中锌的含量增加可有效的减少多元纳米晶中的缺陷,提高了纳米晶的发光效率。CuZnInS3纳米晶的化学稳定性、光化学稳定性和热稳定性的研究结果表明:粒子的稳定性随着样品中各元素组分的变化而改变,当锌含量较多时,粒子具有良好的稳定性,而当粒子中铜的含量较多时,粒子的稳定性则较差。采用热循环表面离子层吸附反应法,在铜含量较多的样品外面包覆了宽带隙的ZnS壳层,进一步改善了其稳定性和荧光效率。在应用方面,将所得的黄光CuZnInS3纳米晶制备成膜,铺展到蓝光LEDs上,得到了发暖白光的LEDs发射器,显示了该材料在照明领域应用的可行性。

论文目录

• 提要
• 第一章 前言
• 1.1 半导体纳米晶
• 1.1.1 量子尺寸效应
• 1.1.2 表面效应
• 1.1.3 二元半导体纳米晶的合成现状
• 1.1.4 二元半导体纳米晶在实际应用中的问题
• 1.2 新型绿色Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ多元半导体纳米晶简介
• 1.3 新型绿色Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ多元半导体纳米晶研究进展
• 1.3.1 固相合成法
• 1.3.2 溶剂热合成法
• 1.3.3 单分子前体热分解法
• 1.3.4 有机相共前体热分解法
• 1.3.5 有机相热注入法
• 1.4 多元半导体纳米晶材料的应用
• 1.4.1 在太阳能电池中的应用
• 1.4.2 在生物荧光标记及活体成像中的应用
• 1.4.3 在光发射二极管（LED）中的应用
• 1.5 本文立题思想与主要内容
• 参考文献
• 第二章 Cu（Ⅰ）, Zn（Ⅱ）, In（Ⅲ）三种金属前体反应活性的比较
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂与药品
• 2.1.2 仪器与测试
• 2.1.3 反应前体的制备
• xS, ZnS, In₂S₃ 的合成与纯化'>2.1.4 二元Cu_xS, ZnS, In₂S₃的合成与纯化
• 2.2 结果与讨论
• xS，ZnS, In₂S₃ 的反应活性比较'>2.2.1 无巯醇条件下Cu_xS，ZnS, In₂S₃的反应活性比较
• 2S₃ 的反应活性比较'>2.2.2 在有巯醇条件下Cu25, ZnS, In₂S₃的反应活性比较
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 3纳米晶的制备'>第三章 化学计量比的CuZnInS₃纳米晶的制备
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂与药品
• 3.1.2 仪器与测试
• 3.1.3 反应前体的制备
• 3纳米晶的合成与纯化'>3.1.4 CuZnInS₃纳米晶的合成与纯化
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 配体用量对粒子尺寸的影响
• 3.2.2 不同添加物对粒子尺寸的影响
• 3.2.3 反应温度对粒子尺寸的影响
• 3 纳米晶生长机制研究'>3.2.4 四元CuZnInS₃纳米晶生长机制研究
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 不同组分的Cu-Zn-In-S 纳米晶的合成
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂与药品
• 4.1.2 仪器与测试
• 4.1.3 反应前体的制备
• 4.1.4 不同组分的四元 Cu-Zn-In-S 纳米晶的合成与纯化
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 不同组分的四元Cu-Zn-In-S 纳米晶的光谱表征
• 4.2.2 不同组分的四元Cu-Zn-In-S 纳米晶的TEM 与XRD 表征
• 4.2.3 不同组分的四元Cu-Zn-In-S 纳米晶的EDS 表征
• 4.2.4 不同组分的四元Cu-Zn-In-S 纳米晶的光学性质研究
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 3纳米晶的稳定性及其在LEDs 中的应用研究'>第五章 CuZnInS₃纳米晶的稳定性及其在LEDs 中的应用研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂与药品
• 5.1.2 仪器与测试
• 5.1.3 反应前体的制备
• 3 纳米晶核的合成与纯化'>5.1.4 四元CuZnInS₃纳米晶核的合成与纯化
• 3/ZnS 核壳纳米晶'>5.1.5 合成四元 CuZnInS₃/ZnS 核壳纳米晶
• 3 纳米晶稳定性实验'>5.1.6 四元CuZnInS₃纳米晶稳定性实验
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 化学稳定性研究
• 5.2.2 光化学稳定性研究
• 5.2.3 热稳定性研究
• 3 纳米晶在LEDs 中的应用'>5.3 四元CuZnInS₃ 纳米晶在LEDs 中的应用
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 中文摘要
• Abstract