三元金属硫化物半导体纳米材料的可控合成及表征

摘要

纳米功能材料以其独特的物理化学性质而广泛应用于光电磁及其他多个领域,长期以来受到广大科研工作者的密切关注,而半导体材料更是当今电子世界的主体,因此纳米功能半导体材料的研究及进一步应用具有重要意义。而I-III(V, IV)-VI类三元半导体硫化物因其合适的禁带宽度、高的吸收系数、很好的辐射稳定性和非线性光学性能而在光电应用方面受到广泛关注。本文通过前驱体共热分解法来合成了具有多种形貌及尺寸可控的 AgInS2、Cu-Bi-S及其他三元硫化物。并以 AgInS2纳米晶为例,研究了该类半导体材料的光电性能。具体如下:
　　首先,高质量的单颗粒种子状的(single)和成对种子状(dimer)的AgInS2纳米晶可以通过以下方法得到:以二乙基二硫代氨基甲酸银(Ag(DDTC))和二乙基二硫代氨基甲酸铟(In(DDTC)3)为前驱体,以十二硫醇及油酸为表面活性剂(两种形貌合成时表面活性剂的摩尔比分别为1:3和3:1),加热至200℃分解。两种形貌的纳米晶的平均尺寸分别为6×12 nm和8×16 nm。另外,通过一种简易的P3HT-AgInS2混杂微纳器件,我们检测了AgInS2纳米器件的光电特性。结果表明AgInS2纳米器件对外部光源辐射显示出很高的光灵敏性和光学稳定性,这一结果预示了 AgInS2纳米材料在光电器件方面的应用潜力。
　　其次,通过前驱体分解首次合成了片状的单晶 Cu3BiS3纳米材料,即将金属 Cu和Bi的二乙基二硫代氨基甲酸盐(DDTC)前驱体按摩尔比为3:1的比例在十二硫醇与油胺中加热至220℃下分解。将两种前驱体的摩尔比例降为1:1时,我们发现随着前驱体比例的变化,Cu3BiS3纳米片会转变成Cu4Bi4S9纳米线。而改变表面活性剂为以油胺为包覆剂,十八烯为溶剂,其他条件保持不变,就可得到直径为20 nm的Cu3BiS3纳米颗粒。文中讨论了相关合成及形貌调控机理。
　　最后,我们进一步拓展前驱体热分解法,用金属Ag、Cu和Bi等的二乙基二硫代氨基甲酸盐(DDTC)中的两种作为前驱体,以油胺、十二硫醇、或十八胺等为表面包覆剂,在惰性气体保护下加热分解得到了多种高质量的均相三元硫化物。其中包括:首次合成的7 nm的AgBiS2纳米立方颗粒和10 nm的Ag8SnS6纳米颗粒,以及极大地简化了CuInS2铅笔状纳米晶(直径为10 nm,长度为55 nm)和Cu3SnS4纳米晶(长为20 nm)的合成。我们预计该方法可以广泛用于其他具有特殊形貌的新颖纳米晶的合成,并可以探索出一些新性能从而将其应用在多个领域。

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第一章 绪论

§1.1纳米材料概论

§1.2 胶质纳米晶体的形貌尺寸可控性理论

§1.3 三元金属硫化物半导体纳米材料概述

§1.4 本课题的创新性及研究内容

第二章 AgInS2纳米晶的可控合成及其光电导性能研究

§2.1 引言

§2.2 实验部分

§2.3 结果与讨论

§2.4 本章小结

第三章 Cu-Bi-S系三元金属硫化物纳米材料的可控合成研究

§3.1 引言

§3.2 实验部分

§3.3 结果与表征

§3.4合成因素讨论

§3.5 本章小结

第四章 三元金属硫化物纳米材料的合成方法扩展研究

§4.1 引言

§4.2 实验部分

§4.3 结果与讨论

§4.4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果