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含镉量子点体系的制备与荧光性质研究

安利民  
【摘要】: 荧光纳米材料具有量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等多种新奇效应,在光、电、磁、热等方面呈现出优异的性能,近年来成为科技领域研究的热点。量子点(QDs、或称为半导体纳米晶体)的发射谱线窄、激发谱线宽、荧光波长随粒径变化连续可调、性能稳定,诸多理化性质方面的优点使其有望取代目前使用的有机荧光材料,在细胞成像、DNA测序、免疫检测、温度传感、白光LED等领域有广阔的应用前景。目前,量子点材料已经有较成熟的合成技术路线,但是仍需改进,例如油相合成应降低成本,水相合成需提高晶体质量。量子点受表面界面效应影响较大,很多光学特性产生的物理机制复杂,目前尚未完全研究清楚,如金属表面增强荧光、上转换荧光、量子点与有机分子间的相互作用等。 与传统的油相合成方法不同,我们使用十八烯(ODE)作为反应溶剂,替代昂贵、有毒的三辛基氧化膦(TOPO),合成得到发光性能同样优异的不同颜色的CdSe量子点,降低了合成成本。在氯仿溶液中,获得了CdSe量子点与聚苯胺的复合体,实验发现量子点尺寸减小和聚苯胺浓度增加时复合体荧光强度会降低。研究表明,一方面是由于CdSe量子点向聚苯胺的共振能量传递,另一方面是由于聚苯胺可以有效截获CdSe量子点中的电荷传递,两者共同导致复合体的荧光淬灭现象。 在水相以巯基羧酸为表面配体,合成得到不同尺寸的CdSe和CdTe量子点。CdSe量子点在金岛薄膜表面,与在玻璃表面相比较,荧光积分强度增加四倍,而荧光寿命减小接近一半。CdSe量子点和金之间的能带结构相匹配,所以金岛薄膜中激发态的电子隧穿注入CdSe核区,增加了量子点激发态的电子密度,从而导致荧光增强。荧光寿命减小则是由于金岛薄膜的存在,导致量子点中自由激子数目和辐射跃迁效率增加的结果。利用银纳米粒子表面配体(聚乙烯吡咯烷酮)与CdTe量子点之间的Cd—O键相互作用,将CdTe量子点自组装到银纳米粒子表面,观察到CdTe量子点的荧光增强、峰位红移和寿命缩短等现象,研究表明上述现象的出现与金属表面强局域电磁场和表面配体等有关。这种自组装方法简单、方便,对量子点在生命科学、化学、医学等领域应用中提高检测灵敏度具有重要的意义。 制备出壳层厚度可以精确控制的水溶性CdTe/CdS核壳量子点,在该体系中存在不同于CdSe/CdS、CdTe/ZnS等核壳量子点的荧光峰展宽、大幅度红移以及荧光寿命增加现象。我们认为,随着CdS厚度的增加,量子点会从I型逐渐过渡到II型。对于II型CdTe/CdS核壳量子点,不仅有CdTe核区导带电子与价带空穴间的直接复合,还有CdS壳层导带电子与CdTe核价带空穴界面处的间接复合,这种发光机制的改变导致荧光光谱的上述变化。 利用400nm和800nm不同波长的低强度飞秒激光,对CdTe和CdTe/CdS核壳量子点溶胶进行激发,获得其稳态和时间分辨荧光性质。800nm飞秒激光激发下,CdTe和CdTe/CdS量子点产生上转换发光现象,上转换荧光峰与400nm激发下的荧光峰相比发生蓝移,而且蓝移值与荧光量子产率有关,激发光功率与上转换荧光强度间满足平方关系。研究表明,CdTe和CdTe/CdS量子点荧光由带边激子态和诱捕态两种成分组成,两种成分峰位不同,带边激子态波长较短,诱捕态波长较长。800nm激发与400nm激发时相比,激子态相对比重增加,这导致荧光峰的蓝移。所以,表面态辅助的双光子吸收是低激发强度下量子点上转换发光的主要机制。


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