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《中国科学技术大学》 2012年
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掺杂硫化铟量子点的合成及其荧光性质研究

冯建  
【摘要】:掺杂能对半导体的光、电及磁性质产生极大的影响,在半导体晶格中掺入杂质或缺陷是现代半导体技术中控制半导体材料性质的主要手段。因此,控制合成掺杂纳米半导体并理解其掺杂行为,对于将这类材料应用于电子学和光子学技术领域具有十分重要的意义。对掺杂纳米晶体的研究必将深化半导体材料在波长可调激光器、生物成像以及太阳能电池等诸多领域的应用。在已有的半导体材料中,对Ⅱ-Ⅵ族半导体的掺杂已经被广泛研究,由于掺杂反应Gibbs自由能、掺杂离子扩散及其固溶度极限的限制,通过胶体湿化学方法合成得到的掺杂半导体晶体中掺杂剂离子浓度远低于期望值,对于有些材料其掺杂浓度几乎为0。In2S3的直接带隙能Eg约为2.0eV,其晶体中含有大量的阳离子空位及缺陷结构;且In2S3可以与多种金属形成硫代铟酸盐的三元硫化物半导体材料,从而有利于对其进行离子掺杂。因此In2S3有望成为一类性能良好的基质材料。本论文以In2S3为基质半导体,采用热注射法合成得到不同离子掺杂的系列纳米晶体。其主要内容如下: 1.采用热注射法合成Cu:In2S3和Ag:In2S3掺杂纳米晶体。通过XRD、 HRTEM以及荧光光谱证明掺杂剂Cu和Ag能很好与In2S3形成掺杂,Cu:In2S3和Ag:In2S3具有较好的结晶性,宏观上掺杂剂在晶体中的分布具有均一性。考察不同反应条件对晶体组成、结构及其荧光性质的影响。Cu:In2S3和Ag:In2S3量子产率分别为12%和16%,高于未包覆的CuInS2和AgInS2量子点。 2.用热注射法合成(ZnCu):In2S3和(ZnAg):In2S3掺杂纳米晶体。通过XRD、HRTEM以及荧光光谱证明(ZnCu):In2S3和(ZnAg):In2S3具有较好的结晶性和组成上均一性。考察不同反应条件对掺杂晶体组成及发光性质的影响,发现适当比例的OA+DDT可以防止产生沉淀,有效抑制晶体中基质In2S3的生成,消除荧光光谱中的基质发射峰,提高(ZnCu):In2S3和(?)(ZnAg):In2S3(?)内米晶体的荧光量子产率,降低其半高峰宽,从而改善其发光性质。通过改变晶体中Zn、Cu及Ag的浓度,(ZnCu):In2S3和(?)(ZnAg):In2S3纳米晶体的发光颜色在可见光范围内可调。(ZnCu):In2S3晶体的荧光发射峰处于450-640nm之间,量子产率为40%;而(ZnAg):In2S3晶体的荧光发射峰处于450-700nm之间,量子产率为30%。 3.用热注射法合成Cd:In2S3掺杂纳米晶体。通过XRD、HRTEM以及荧光光谱证明掺杂剂离子Cd能很好与In2S3形成掺杂晶体,Cd:In2S3具有较好的结晶性,宏观上掺杂剂在晶体中的分布具有均一性。通过改变晶体中Cd浓度,Cd:In2S3晶体的荧光发射峰在450~700nm范围内可调,量子产率约为20%左右。当用ZnS对Cd:In2S3进行表面钝化,可以极大提高Cd:In2S3的量子产率,增强Cd:In2S3的化学稳定性。Cd:In2S3纳米晶体吸收和发射峰之间存在很大的Stokes位移,可以有效避免Cd:In2S3量子点之间的再吸收和Forster能量转移,从而使Cd:In2S3适合应用于需要高浓度半导体纳米晶体的领域。 4.以OA为配体,用热注射法合成具有白色发光的Cd:In2S3掺杂纳米晶体。改变体系反应温度、Cd和OA用量,发现在反应开始的成核阶段并没有Cd:In2S3掺杂晶体出现,表明在仅有OA存在的条件下,掺杂Cd:In2S3晶体生长在In2S3晶核上,发生的是“生长-掺杂”。XRD显示其具有与In2S3相同的晶体结构,这主要是由于“生长-掺杂”导致掺杂剂离子处于晶体表面,且掺杂Cd:In2S3层中掺杂剂离子含量很少导致的。调节反应条件,可以改变掺杂晶体出现的时间,表明基质晶体的成核过程和掺杂晶体生长过程可以被有效控制,这对于研究掺杂过程动力学是有意义的。同时,通过控制反应条件,可以调节掺杂体系的发光颜色,最终得到白色发光的样品;由于体系中Cd:In2S3掺杂晶体的发射峰强度可调,即荧光光谱中红色光部分是任意可调的,所以通过控制反应条件很容易得到暖色和冷色的白光。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB383.1;O614.372

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