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CdS纳米晶的分子簇直接热解法制备及其结构与性能

李志国  
【摘要】:本文以(Me4N)4[S4Cd10(SPh)16]分子簇为单源前驱体,采用直接热解法,在十六胺(HDA)中合成了尺寸可控的CdS量子点,研究了反应条件对CdS量子点生长过程的影响规律,阐明了其反应机制;采用上述分子簇为前驱体,在单一表面活性剂体系中成功制备了具有量子限域效应的CdS纳米棒,系统研究了反应条件对CdS纳米晶形貌的影响规律,揭示了CdS纳米棒的形成机制;在此基础上,利用无机分子簇的离子交换作用,以分子簇(Me4N)2[Co4(SC6H5)10]和(Me4N)4[S4Cd10(SPh)16]为前驱体,合成了Co掺杂的CdS量子点和纳米棒,研究了Co掺杂对CdS纳米晶结构和性能及生长过程的影响规律。 研究发现,采用分子簇直接热解法制备的CdS量子点为纤锌矿结构,形貌规则,结晶度高,呈现明显的量子尺寸效应,并具有强的荧光发射。在CdS量子点的生长过程中,随着反应温度的升高,量子点粒径逐渐增大,其变化可分为两个阶段:较低温度下,CdS粒径增长缓慢,量子点形核过程占主导地位;反应温度升高到190℃以上,CdS粒径随温度升高迅速增大,量子点进入快速生长阶段。随着反应时间的延长,CdS量子点的粒径逐渐增大,其尺寸分布随反应进行而窄化。在CdS量子点的生长过程中出现了形核和长大两个独立的阶段,这两个阶段在单一溶剂体系中实现了自动分离。该方法简单可控,反应条件温和,可高产率制备CdS量子点(10g/L)。 试验结果表明,所制备的CdS纳米棒形貌均一,尺寸分布窄,长径比约为9:1左右;纳米棒沿c轴生长,为纤锌矿结构。CdS纳米棒呈现出明显的量子限域效应,并具有较大的斯托克位移现象。CdS纳米晶的形貌随反应条件改变而变化,其中单源前驱体浓度对CdS纳米晶的形貌起决定性的作用,低浓度下产物为量子点,较高浓度下为直链纳米棒,高浓度下为分枝状纳米棒。若制备均一的纳米棒,反应前驱体浓度应在合成量子点浓度的二倍以上。提高反应温度和延长反应时间均有利于CdS纳米棒的形成。若制备均匀的、具有较大长径比的CdS纳米棒,反应温度应在190℃以上,反应时间应在5h以上。CdS纳米棒的形成遵循定向吸附机制,反应驱动力为偶极吸引力,CdS纳米晶的形貌取决于偶极吸引和位阻作用之间的相互关系。 Co掺杂的CdS量子点(CdS:Co)为近球形的颗粒,形貌均匀,尺寸分布窄,结晶度高,其结构为纤锌矿结构。Co离子掺杂在CdS晶格内部,使得CdS:Co量子点具有室温铁磁性。CdS:Co量子点呈现量子限域效应,荧光峰相对于CdS量子点略有红移。利用前驱体热解法,通过增大分子簇前驱体浓度成功制备了Co掺杂的CdS纳米棒,Co在CdS中的掺杂促进了一维纳米棒的形成,并缩短了反应时间。


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