SPS制备PbS量子点玻璃及其发光性能的研究

论文摘要

PbS量子点（PbS-QDs）相对于体相材料（Eg=0.41ev）其发光波长位于红外波段,且具有大的激子玻尔半径（18nm）,这对于利用量子尺寸效应来调节近红外宽带发光的波长非常有利。因此,PbS量子点玻璃在光学器件如激光器、红外探测器和光学开关等方面有着重要应用。量子点玻璃的制备方法中以共熔法和溶胶-凝胶法最为常见,但制备的玻璃中存在PbS-QDs粒径分布较宽、S2-和O2-置换引起缺陷、浓度比较低等缺点。化学合成法可制备出微观可控的量子点；放电等离子烧结（SPS）技术可在低温条件下快速的将粉体不经熔融直接烧结成玻璃块材,期望综合二者优点制备出量子点尺寸可控、分布均匀和浓度稳定的发光玻璃。本文分别通过软模板法、利用两相法和水相法制备出高度有序无定形介孔二氧化硅（SBA-15）粉体和发光性能良好的PbS-QDs,然后将合成的PbS量子点复合到SBA-15粉中得到PbS-QDs/SBA-15复合粉体；再经SPS技术将复合粉体烧结成PbS量子点玻璃。具体研究内容如下：首先,软模板法合成SBA-15。确定水热温度为130℃、时间为72h所制备的粉体具有良好的烧结性能,比表面积为790m2/g、孔径为30nm、六方孔道结构。SPS最佳烧结工艺为：升温速率100℃/min、烧结温度1080℃、保温时间3min；所制备的玻璃相对密度约为100%、维氏硬度7.8GPa、MSP强度60MPa、紫外-可见光区透过率>82%。其次,两相法制备油溶性PbS-QDs:发光峰中心在760nm,量子点分散性良好,具有球形结构,尺寸在3～10nm；水相法制备水溶性PbS-QDs:量子点尺寸在4nm左右,近球形,分散性良好,光致发光峰位于970nm。然后,利用间歇超声和机械搅拌将量子点分散到SBA-15中,通过Ar/H2气氛热处理得到复合粉体：量子点在复合粉体中基本保持了原有的尺寸、结构和形貌,也存在个别颗粒长大现象。最后,复合粉体的最佳烧结制度：升温速率100℃/min、烧成温度为980℃,保温3min。所制备PbS量子点玻璃的相关性能如下：两相法合成PbS-QDs/SBA-15复合粉体烧结成的玻璃,光致发光峰在915nm,掺杂量为0.3wt%时发光最强,紫外-可见光透过率<45%,维氏硬度为7.4GPa和MSP强度为35MPa；而水相法合成PbS-QDs/SBA-15复合粉体烧结成的玻璃的相关性能如下：发光较弱、光致发光峰在990nm,MSP强度都较低。总之,本文通过结合量子点化学合成法和SPS烧结技术,成功制备出了PbS量子点发光玻璃,并对其发光性能进行了探究。初步解决了半导体量子点玻璃中量子点尺寸分布不均匀、S2-和02-置换引起缺陷以及量子点浓度不高的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 激光玻璃的研究现状与发展趋势
• 1.1.1 稀土掺杂激光玻璃
• 1.1.2 过渡金属掺杂激光玻璃
• 1.1.3 主族元素掺杂激光玻璃
• 1.1.4 量子点复合激光玻璃
• 1.2 激光玻璃的制备方法
• 1.2.1 熔融热处理法
• 1.2.2 溶胶凝胶法
• 1.2.3 离子注入法
• 1.2.4 射频磁控溅射法
• 1.2.5 放电等离子体烧结（Spark Plasma Sintering,SPS）方法
• 1.3 本课题的研究目的及主要研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 第二章 实验方法和测试技术
• 2.1 原料
• 2.2 样品制备
• 2.2.1 粉体制备
• 2.2.2 块体制备
• 2.3 表征测试
• 2.3.1 显微结构与相组成分析
• 2.3.2 光学性能测试
• 2.3.3 力学性能测试
• 2.3.4 比表面积和孔径分布测试
• 2.3.5 密度测试
• 第三章 SBA-15的制备和烧结性能评价
• 引言
• 3.1 SBA-15的合成
• 3.2 SBA-15的表征
• 3.2.1 SBA-15的XRD图谱
• 3.2.2 SBA-15的氮气吸附-脱附曲线
• 3.2.3 SBA-15的TEM图像
• 3.2.4 SBA-15的SEM图像
• 3.3 SBA-15粉体烧结制度的确定
• 3.4 SBA-15玻璃的性能评价
• 3.4.1 结构分析
• 3.4.2 显微形貌
• 3.4.3 维氏硬度和MSP强度
• 3.4.4 透过率
• 3.5 本章小结
• 第四章 油溶性PbS量子点合成及其复合玻璃的制备
• 引言
• 4.1 油溶性量子点及复合粉体的合成
• 4.2 PbS量子点的表征
• 4.2.1 PbS量子点的XRD图谱
• 4.2.2 PbS量子点的的吸收和发射谱
• 4.2.3 PbS量子点的显微形貌
• 4.3 PbS量子点复合SBA-15粉体的表征
• 4.3.1 PbS-QDs/SBA-15复合粉体的XRD图谱
• 4.3.2 PbS-QDs/SBA-15复合粉体的显微形貌
• 4.3.3 PbS-QDs/SBA-15复合粉体的FT-IR
• 4.4 油溶性量子点复合SBA-15玻璃的制备
• 4.4.1. PbS-QDs/SBA-15粉体烧结制度的确定
• 4.4.2. 块体材料的性能评价
• 4.5 本章小结
• 第五章 水溶性PbS量子点合成及其复合玻璃的制备
• 引言
• 5.1 水溶性量子点及复合粉体的合成
• 5.2 PbS量子点的表征
• 5.2.1 PbS量子点的XRD图谱
• 5.2.2 PbS量子点的吸收和发射谱
• 5.2.3 PbS量子点的显微形貌
• 5.3 PbS量子点复合SBA-15粉体的表征
• 5.3.1 PbS-QDs/SBA-15复合粉体的XRD图谱
• 5.3.2 PbS-QDs/SBA-15粉体的显微形貌
• 5.3.3 PbS-QDs/SBA-15粉体的FT-IR
• 5.4 水溶性量子点复合SBA-15玻璃的制备
• 5.4.1 PbS-QDs/SBA-15粉体烧结制度的确定
• 5.4.2 块体材料的性能评价
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录：攻读硕士期间发表的论文
• 致谢