Pb1-xSnxSe量子点的制备与性能研究

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铅硫族量子点(PbX QDs,X=S,Se,Te)因为在太阳能电池,光电探测器,生物标记与成像,远程通讯等方面有巨大的应用前景,受到了越来越广泛的关注与研究。由于这类材料拥有相对较大的激子波尔半径,因而其量子限域效应很明显。特别是PbSe,其激子波尔半径为46 nm,几乎是CdSe的8倍大。另外,载流子倍增效应的发现更加激发了越来越多的研究,其在太阳能电池方面有很大的应用前景。在太阳能电池方面的应用上,PbSe量子点的最优尺寸为2.2 nm左右,带隙宽度为1.3 eV左右。目前,很难合成出小尺寸、高稳定性的PbSe量子点。同时,PbSe量子点的合成主要使用三正辛基膦(TOP),三正丁基膦(TBP)和六甲基二硅硒烷(TMS2Se)。这类化合物空气中不稳定,价格昂贵,且有剧毒,使用时需要在手套箱中操作。当前的发展趋势是使用无膦的方法来合成PbSe量子点。  目前,通过单一尺寸调控二元体系量子点的带隙宽度十分成熟。但尺寸的大小在某种程度上又会影响材料的某些性能。例如,极小的纳米晶尺寸会导致材料与器件的不稳定,极大的尺寸又会引起量子限域效应的消失。而通过第三元素的掺杂,可以有效调控量子点的带隙宽度,避免了对尺寸的单一依赖。  本论文采用SnCl2作为成核剂,PbCl2作为表面原位修饰剂,合成出了尺寸小于3 nm,空气中稳定性高的PbSe量子点。将PbCl2溶解在油酸、油胺和十八烯中,Se粉溶解在油胺中,同时在Pb前驱体溶液中加入SnCl2作为成核剂,合成出了小尺寸的PbSe量子点。通过控制PbCl2/SnCl2的比例,可以合成出2 nm到8 nm的PbSe量子点。通过荧光光谱和XPS分析证明了PbSe量子点的表面含有一层原位生成的Cl元素,起到了表面钝化的作用,提高了量子点的光学稳定性。这种合成方法绿色环保、廉价、简单易操作,有利于其在光电方面的应用。  分析了PbS量子点与SnCl2之间阳离子交换的机理:当SnCl2浓度较低时, PbS量子点部分分解,得到的S元素与Sn元素在PbS量子点表面形成一层SnS的壳层,导致其荧光性能淬灭;当 SnCl2浓度较高时,PbS量子点全部分解,得到的S元素与Sn元素重新成核生长得到SnS。这一种阳离子交换机理不同于传统的保留阴离子晶格的阳离子交换机理。  通过采用油酸亚锡作为Sn源,将TOP-Se注入到OA-Pb的溶液中,合成出了随Sn含量变化、带隙可调的Pb1-xSnxSe量子点。改变油酸亚锡的浓度,可以改变Pb1-xSnxSe量子点中Sn元素的含量。Sn的含量越高,Pb1-xSnxSe量子点的带隙宽度越低,吸收谱峰和荧光谱峰发生红移现象。
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