CdS:Mn半导体纳米晶的合成、壳层修饰及其光学性质研究
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4TI-6AI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。
硫化镉;半导体纳米晶;过渡族金属掺杂;发光性能;核壳结构
中国海洋大学
硕士
材料物理与化学
曹立新
2011
中文
TN304.25;O472.3
70
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）