水溶性均匀粒径和核-壳-壳结构量子点的合成表征及与石墨烯杂化薄膜的沉积

摘要

量子点在太阳能转换、发光二极管、生物探针等领域有非常广泛的应用。量子点的荧光效率、光谱响应范围以及在水中的溶解性等因素严重制约着下游的应用研究，因此合成高质量的量子点一直是研究的热点。本文的研究目的是合成具有粒径分布均匀、光谱响应范围宽的水溶性量子点，并且和石墨烯沉积出杂化薄膜以提高对太阳能的利用率。水相合成量子点的方法具有很多优势，但是产物的粒径分布较宽，从而导致荧光效率较低。
　　 本文对水相合成量子点的方法进行了改进和优化，以合成粒径均匀分布的量子点。利用溶致液晶原理，以三嵌段高分子化合物P123作为模板，通过使模板剂在水相中的浓度超越临界值(CMC)，使其形成具有规则孔道的胶束，然后把Cd源前驱体加入到模板剂溶液当中，再注入由Se(Te)与NaBH4反应得到NaHSe(NaHTe)前驱体或者S源前驱体。由此量子点成核与生长的过程都被限制在胶束构成的孔道当中，得到粒径均匀分布的CdSe、CdTe、CdS量子点。通过紫外可见吸收和荧光发射光谱，优化使用模板剂在水相中合成量子点的反应物配比，初始pH值以及模板剂种类等因素。使用P123作为模板剂，Cd2+：巯基乙酸TGA：NaHTe=1:2.4:0.25，初始pH=9条件下合成出的CdTe量子点的粒径在2.5至3 nm，这些结果表明使用模板剂能够在水相中合成粒径均匀的量子点。前的问题之一是量子点对光谱的响应范围不够宽，尤其是对长波和红外区的能量利用率较低。虽然量子点粒径的增大能够使吸收和荧光发射峰红移，但是粒径过大易导致团聚。通过形成核-壳-壳结构，利用内层核-壳结构禁带宽度的差异和最外层壳材料晶格对内部施加影响，导致中间层的能带发生浮动，可达到大幅度调节量子点吸收和荧光发射位置的目的。本研究采用Successive Ionic LayerAdsorption and Reaction coupling Thermal Cycling(SILAR-TC)方法合成CdSe-CdTe-ZnSe和CdTe-CdSe-ZnSe两种类型的核-壳-壳结构量子点。前者随着最外层ZnSe厚度的增加，吸收和荧光发射峰都会发生红移；而后者随着最外层ZnSe的增加，吸收和荧光发射峰最终发生蓝移。CdSe-CdTe-ZnSe核-壳-壳结构量子点具有5层ZnSe包覆时，其最大荧光发射峰红移近100 nm。最外层材料厚度不超过10层的量子点在水相中比较稳定，在日光条件下能够稳定储存一年以上。石墨烯具有高速传输电子的功能，且石墨烯单片层结构的双面都带有活性基团，这非常便于和量子点进行组装复合。
　　 本研究采用电泳沉积和Layer by Layer(LBL)方法在ITO导电玻璃上沉积出均匀的石墨烯薄膜，再通过LBL方法把单一或者多种不同荧光性能的量子点与石墨烯交替逐层沉积在基底上。利用石墨烯传输电子的能力，使受激发后的量子点更加有效地实现电子-空穴对的分离，从而达到更好的光电转化效率。紫外-吸收光谱和扫描电镜SEM照片表明使用一水合肼和Vc都能够在水溶液中还原出石墨烯溶胶。扫描电镜照片表明石墨烯薄膜的均匀度很好，并且应用LBL方法可将石墨烯与量子点沉积出杂化薄膜。本研究使用P123作为模板剂，优化了反应物配比，初始pH值等因素，得到粒径均匀分布的CdTe、CdSe和CdS量子点。设计并合成了CdSe-CdTe-ZnSe和CdTe-CdSe-ZnSe两种类型的核-壳-壳结构量子点，通过改变最外层厚度调节最大荧光发射波长的位置。把合成出的量子点与石墨烯通过LBL方法交替沉积在ITO导电玻璃上得到杂化薄膜，为制备高质量的量子点掺杂太阳能电池提供了实验依据。