CdSe量子点及Fe3O4/CdSe复相量子点的制备与性能表征

论文摘要

半导体量子点独特的光学性能使其在光电器件、生物成像、荧光标记等领域具有广阔的应用前景,而磁性纳米微粒在核磁共振成像、药物载体等方面也具有重要的应用价值。量子点和磁性微粒单独使用时只能提供给人们一种功能,如果能制备兼具量子点发光性能和纳米磁性微粒磁性能的量子点/磁性微粒复合物,则可以大大拓展量子点和磁性纳米微粒的应用范围,相关研究具有重要的科学研究价值和广泛的生物医学应用前景。本文采用金属有机化合物高温热分解方法合成CdSe量子点、Fe3O4磁性纳米微粒及Fe3O4/CdSe复相量子点,采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、荧光光谱（PL）、透射电子显微镜（TEM,HRTEM）、X-射线衍射分析（XRD）、多功能材料物理特性测量系统（PPMS）等测试手段,表征合成产物的物相、光学、磁学性能。重点研究了反应时间、Cd:Se比、配体对CdSe半导体量子点及复合物发光性能、颗粒形貌等的影响,并对长时间反应条件下CdSe量子点发光性能变化起因进行了较为详细的研究和分析。对影响尺寸的反应参数研究结果表明,反应时间和Cd:Se比等参数可以作为CdSe量子点尺寸的重要调控手段。随着反应时间的增加,CdSe量子点的吸收和发射峰位均往长波方向移动,量子点尺寸不断增大;在相同反应时间条件下,Cd:Se比越小,则量子点尺寸越大。随反应时间的延长,不同Cd:Se比合成量子点的量子产率都呈现先增大后减小的趋势;且Cd:Se比越小,发生量子产率下降的反应时间越短。研究发现,在较长时间制备的CdSe量子点样品（Cd:Se=1:2）的发射图谱中出现双峰现象,结合TEM结果分析判定此现象发生的主要原因如下:当延长反应时间,进入到颗粒生长的熟化区后,部分晶粒发生异常长大,导致反应体系中存在不同尺寸分布的量子点。晶粒异常长大的过程可能为:①随反应时间的增加,体系单体浓度降低,晶粒发生Ostwald熟化,小颗粒消失变成大颗粒。②部分大颗粒间发生粘连和团聚,尺寸快速长大。对CdSe量子点的形貌调控及其与发光性能关联规律的研究表明,采用TDPA作为配体,对Cd前驱液进行保温处理有利于获得柱状量子点;在一定的长径比范围内,柱状量子点的发光性能优于球状量子点。Fe3O4磁性颗粒合成的实验结果表明,将金属有机化合物Fe（acac）3,在1,2十二烷二醇、油酸、苄基醚、ODA有机配体和溶剂存在条件下,通过高温热分解反应可以获得单分散性好、结晶度高的Fe3O4磁性颗粒,颗粒平均尺寸约为6-8nm;在室温下显示超顺磁性,饱和磁化强度约为51.4emu/g。采用两步法合成Fe3O4/CdSe复相量子点的研究表明,通过Fe3O4纳米磁性微粒作为异相成核界面生长CdSe量子点的途径,可以获得同时具备发光和磁性能的量子点/磁性微粒复合物。复相量子点具有优异的发光性能:如发射峰窄（最窄半高宽约28nm）,荧光量子产率高（未经特殊钝化处理,最高达27.8%）,室温下显示超顺磁性,饱和磁化强度约为0.92emu/g。在目前的合成反应条件下,结合HRTEM等测试结果分析认为,Fe3O4/CdSe复相量子点可能存在两种形成机制:一种是以磁性微粒作为异相成核界面,通过共格面形成异质结构体;另一种是通过Fe3O4与CdSe表面有机配体的相互作用,形成中心为Fe3O4颗粒、外层为CdSe量子点的“类双分子层结构”。通过改变反应时间和Cd:Se比对Fe3O4/CdSe复相量子点发光性能的研究表明:随着反应时间的增加,样品吸收、发射峰位均向长波方向移动,表明随反应生长时间增加,CdSe量子点不断长大;不过当其尺寸长大到一定程度时,受晶格应变等条件限制将停止长大。在相同的反应时间条件下,改变Cd:Se比虽然对复相量子点荧光发射峰位影响不大,但对产物的量子产率影响很大。在本实验设计Cd:Se比范围内,随着Cd:Se比的减小,样品量子产率不断提高,最高量子产率约为27.8%。通过不同配体对Fe3O4/CdSe复相量子点产物的合成和性能研究表明:采用ODA作为表面配体时,可以获得具有优良发光性能的复相量子点;而采用TDPA作为配体时,样品发光性能不佳,这种发光性能的显著差异可能与配体配位作用机制有关。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 量子点的性质、发展与应用
• 1.2.1 量子点的定义
• 1.2.2 量子点的研究历程
• 1.2.3 量子点的生物应用
• 1.3 磁性纳米微粒的性质、发展与应用
• 1.3.1 磁性纳米微粒的性质
• 1.3.2 磁性纳米微粒的研究历程
• 1.3.3 磁性纳米微粒的生物应用
• 1.4 荧光磁性复相量子点的定义、制备与应用
• 1.4.1 荧光磁性复相量子点的定义
• 1.4.2 荧光磁性复相量子点的制备
• 1.4.3 荧光磁性复相量子点的生物应用
• 1.5 本文研究目的及主要内容
• 第二章 实验方法及过程
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料和装置
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验装置
• 2.3 样品制备
• 2.3.1 CdSe量子点的制备
• 3O₄磁性纳米颗粒的制备'>2.3.2 Fe₃O₄磁性纳米颗粒的制备
• 3O₄/CdSe复相量子点的制备'>2.3.3 Fe₃O₄/CdSe复相量子点的制备
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 紫外-可见光谱（UV-Vis）
• 2.4.2 荧光光谱（PL）
• 2.4.3 荧光量子产率（PL QY）
• 2.4.4 X射线衍射（XRD）
• 2.4.5 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.6 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.4.7 多功能材料物理性能测试系统（PPMS）
• 第三章 CdSe量子点制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 CdSe量子点的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 反应时间对量子点发光性能的影响
• 3.3.2 Cd:Se比对量子点发光性能的影响
• 3.3.3 配体对量子点发光性能及形貌的影响
• 3.4 本章小结
• 3O₄磁性纳米微粒制备及性能研究'>第四章 Fe₃O₄磁性纳米微粒制备及性能研究
• 4.1 引言
• 3O₄磁性纳米微粒的制备'>4.2 Fe₃O₄磁性纳米微粒的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 3O₄/CdSe复相量子点制备与性能表征'>第五章 Fe₃O₄/CdSe复相量子点制备与性能表征
• 5.1 引言
• 3O₄/CdSe复相量子点的制备'>5.2 Fe₃O₄/CdSe复相量子点的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 反应时间对复相量子点发光性能的影响
• 5.3.2 Cd:Se比对复相量子点发光性能的影响
• 3O₄/CdSe复相量子点的磁性'>5.3.3 Fe₃O₄/CdSe复相量子点的磁性
• 5.3.4 配体对复相量子点合成影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表论文