CdS：Mn半导体纳米晶的合成、壳层修饰及其光学性质研究

论文摘要

半导体纳米晶具有独特的物理和化学性质,在生物标记、波长可调激光器、离子检测和太阳能电池等领域显示出了巨大的应用潜力,因而引起了学者们的广泛关注。其中,过渡族金属掺杂的Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶是近年来研究的热点之一。Mn是一种重要的过渡族金属元素,由于具有适于生物标记的长波发射、高量子产率、低自吸收和高光稳定性等优点而被广泛应用于掺杂Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶的研究。例如,CdS纳米晶可以通过掺杂Mn2+离子改变其性质,改善发光性能。然而,由于半导体纳米晶的粒径小,比表面积较大,表面缺陷较多,易于猝灭纳米晶发光,降低了纳米晶的应用价值,因此需要进一步的表面壳层修饰、构筑核壳结构以提高纳米晶的光学性能。本论文采用改进的均匀沉淀法合成了Mn2+离子掺杂的CdS:Mn半导体纳米晶,然后以其为核心,进一步合成了CdS:Mn/ZnS核壳纳米晶和CdS:Mn/SiO2核壳纳米复合颗粒。主要研究内容与结果如下:1、以3-巯基丙酸为稳定剂,在水溶液中利用均匀沉淀法合成了一系列的水溶性CdS:Mn半导体纳米晶,并采用XRD、TEM、UV-Vis和PL等分析方法对其结构、形貌以及光学性质进行了表征。分析结果显示实验合成了闪锌矿结构的CdS:Mn纳米晶,粒径分布均匀,分散性良好。CdS:Mn纳米晶在580nm处具有强度较高的Mn2+离子4T1–6A1跃迁发光,且易与缺陷态发光区分。通过改变MPA/Cd比、反应温度和Mn2+离子掺杂浓度研究了各实验参数对CdS:Mn纳米晶粒径及光学性质的影响。结果显示这些实验参数均可以强烈影响CdS:Mn纳米晶的光学性质,而且我们得到了本体系中各实验参数的最佳值,并探讨了相关作用机理。研究了不同pH环境和放置时间对合成的CdS:Mn纳米晶水溶胶发光性质的影响,探讨了纳米晶的光稳定性。2、以水溶性CdS:Mn纳米晶为核心,在其表面包覆了ZnS壳层,合成了CdS:Mn/ZnS核壳结构纳米晶。利用XRD、TEM、UV-Vis和PL等分析方法对纳米晶的结构、形貌和光学性质进行了表征,发现制备的核壳纳米晶具备优秀的单分散性,而且证实了ZnS壳层包覆生长于CdS:Mn纳米晶表面。通过荧光光谱（PL）研究了纳米晶的发光性质和光稳定性,结果表明包覆ZnS壳层后纳米晶的发光强度显著提高,最高可达8倍。由于ZnS壳层对纳米晶核内晶体场的影响,Mn2+离子的发光峰峰位置随着ZnS壳层数的增加而红移。此外,CdS:Mn/ZnS核壳纳米晶在不同pH下的光稳定性大大提高,而且放置3个月后其发光强度不见没有降低反而有所提高。3、采用反相微乳液法合成了SiO2包覆的CdS:Mn/SiO2核壳纳米复合颗粒,并对其性质进行了表征。TEM结果显示出合成的SiO2纳米颗粒尺寸约为100 nm,粒径分布均一,分散性好,而且CdS:Mn纳米晶均匀分散于SiO2纳米颗粒内。PL图谱显示合成的CdS:Mn/SiO2纳米复合颗粒由于SiO2的光散射作用其发光强度较CdS:Mn纳米晶有所下降,但是对其光稳定性的研究表明,包覆后纳米晶的光稳定性得到显著提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 纳米材料
• 1.2 半导体纳米晶简介
• 1.2.1 半导体纳米晶的光学性质
• 1.2.2 半导体纳米晶的结构
• 1.2.3 半导体纳米晶的合成
• 1.2.4 半导体纳米晶的应用
• 1.3 掺杂型半导体纳米晶简介
• 1.4 核壳型半导体纳米晶简介
• 1.5 选题意义与研究内容
• 2 实验
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验与测试仪器
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 CdS:Mn 纳米晶的合成
• 2.2.2 不同壳层厚度的CdS:Mn/ZnS 核壳纳米晶的合成
• 2 核壳纳米复合颗粒的合成'>2.2.3 CdS:Mn/SiO₂核壳纳米复合颗粒的合成
• 2.3 样品的表征
• 3 水溶性CdS:Mn 半导体纳米晶的合成与光学性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 CdS:Mn 纳米晶的结构表征
• 3.2.2 CdS:Mn 纳米晶的形貌表征
• 3.2.3 CdS:Mn 纳米晶的光学性质
• 3.2.4 MPA/Cd 比对CdS:Mn 纳米晶光学性质的影响
• 3.2.5 反应温度对CdS:Mn 纳米晶光学性质的影响
• 2+掺杂浓度对CdS:Mn 纳米晶光学性质的影响'>3.2.6 Mn²⁺掺杂浓度对CdS:Mn 纳米晶光学性质的影响
• 3.2.7 pH 对CdS:Mn 纳米晶的光学性质的影响
• 3.2.8 放置时间对CdS:Mn 纳米晶光学性质的影响
• 3.3 本章小结
• 4 CdS:Mn/ZnS 核壳结构纳米晶的合成与光学性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 CdS:Mn/ZnS 核壳纳米晶的结构表征
• 4.2.2 CdS:Mn/ZnS 核壳纳米晶的形貌表征
• 4.2.3 CdS:Mn/ZnS 核壳纳米晶的光学性质
• 4.2.4 CdS:Mn/ZnS 核壳纳米晶的光学稳定性
• 4.2.5 放置时间对CdS:Mn/ZnS 纳米晶光学性质的影响
• 4.3 结论
• 2 核壳纳米颗粒的合成与光学性质研究'>5 CdS:Mn/SiO₂核壳纳米颗粒的合成与光学性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• O2 核壳纳米复合颗粒的形成'>5.2.1 CdS:Mn/Si_O2 核壳纳米复合颗粒的形成
• 2 核壳纳米复合颗粒的形貌分析'>5.2.2 CdS:Mn/SiO₂核壳纳米复合颗粒的形貌分析
• 2 核壳纳米颗粒的光学性质'>5.2.3 CdS:Mn/SiO₂核壳纳米颗粒的光学性质
• 2 核壳纳米颗粒的光学稳定性'>5.2.4 CdS:Mn/SiO₂核壳纳米颗粒的光学稳定性
• 5.3 本章小结
• 6 论文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在攻读硕士期间发表的学术论文