Ⅱ-Ⅵ族量子点的控制合成及其LEDs器件应用

摘要

量子点由于具有带隙随着尺寸和构成可调，发射半峰宽窄，光热稳定性好等优异的光学性能而受到广泛关注，尤其是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体量子点。Ⅱ-Ⅵ量子点合成方法，根据反应体系来划分，可大体分为两类:油相法和水相法。在油相法中，由于具有较高的合成温度，获得的量子点一般具有高的结晶度和高的单分散性，但是由于表面疏水性的长链配体的缘故，限制了这种体系量子点在水系生物体系中的应用，以及难以获得载流子传输性能良好的光电器件。在水相法中，由于具有较低的合成温度(≤100℃)，获得的量子点的结晶度和单分散性一般不如油相方法。油相合成法中，经常会用到含膦的配体或者溶剂，这些试剂较昂贵且对环境有害;而且合成出来的量子点如果不进行包壳的话，量子点产率一般相对较低，且光热稳定性易受外界环境影响。因此，必需发展绿色可控的量子点无膦法合成方法，设计包壳和表面复合来提高其量子产率和光热稳定性，通过进行配体交换来将原始的长链配体交换成短链配体，并改善量子点间的载流子传输性能，以此应用于LED封装。
　　本文以不同先驱体，不同溶剂体系合成CdSe，CdTe，CdSexS1-x，CdZnTe量子点，然后通过后续的包壳过程来提高量子点的量子产率和光热稳定性，并通过配体交换反应用无机盐配体替换掉原始的长链配体。应用这些Ⅱ-Ⅵ族复合量子点封装白光LED。取得的主要研究成果如下:
　　1，利用热注法，采用脂肪胺作为配体来合成CdSe量子点。通过吸收和发射光谱来探索不同的热注射温度，不同生长时间和不同链长的脂肪胺配体对量子点形核生长过程的影响，并结合XRD和TEM测试。研究结果表明采用油胺为配体，注入温度为250℃，反应时间为12min时，可以获得单分散性好的，纯的闪锌矿，大小为3.5nm的CdSe量子点;此外，采用脂肪胺作为配体时，在CdSe量子点合成过程中，晶型会逐渐由闪锌矿向纤锌矿转变。
　　2，设计CdSe/CdS核壳结构量子点作为研究对象，提出了一种双型配体（X型和Z型配体）的配体交换反应。相比于单型配体的交换反应，双型配体可以更有效的将CdSe/CdS量子点从原来的非极性溶剂中转移到极性溶剂中，而且形貌和尺寸不发生变化，更重要的是，双型配体可以维持高的量子产率(≥90％)和稳定性。
　　3，探索了在不同溶剂，不同体系中的多种核量子点(CdSe和CdTe)核壳量子点(CdSe/CdSCdTe/CdS，CdTe/CdSe和CdSexS1-x/CdS)的无膦合成及核壳量子点在WLED上的应用。以SeO2为Se源，通过优化合成工艺，在十八烯中通过热注射方法合成了一系列具有不同尺寸(2.4-5.7 nm)，单分散的立方相CdSe量子点，发射波长可以覆盖550-635nm绿至红光区域，通过单一先驱体包壳，可以获得量子产率高至65％的CdSe/CdS核壳量子点。将其应用到WLED上，可以获得显色指数为92.9，色温为4400 K，色坐标为(0.3583，0.3349)，流明效率为63.54lm·W-1等优异的光学性能。此外，在十八烯和液体石蜡中，采用一锅煮的方法成功的合成了CdTe量子点，并采用原位无膦加热法成功的合成了CdTe/CdS和CdTe/CdSe二型量子点，量子产率高至75％，这种方法可以实现量子点的批量化生产，有利于量子点的实际应用。
　　4，以巯基丙酸作为配体，采用热注射法在水相中合成CdZnTe量子点，通过不同的反应时间，可以获得发射区域为550-610nm，量子产率高至41％，高结晶度的闪锌矿结构的CdZnTe量子点。并在量子点溶液中加入定量的Na2CO3，然后加入过量乙醇，利用共沉淀法获得CdZnTe/Na2CO3包壳复合物，其量子产率高至21％，并且具有良好的荧光稳定性。将这种稳定的复合物应用到WLED上，可获得显色指数高至92.7，色温为4146 K，色坐标为(0.3662，0.3396)等优异的光学性能。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 量子点的制备方法

1．2．1 调整粒度和维持尺寸单分散性

1．2．2 CdSe量子点：体系“模型”

1．2．3 量子点合成参数优化

1．2．4 水相合成路线和反胶束方法

1．3 核-壳量子点

1．3．1 核壳量子点简介

1．3．2 多层包壳纳米量子点

1．3．3 量子点／量子阱结构

1．3．4 Ⅱ型和准Ⅱ型核壳量子点

1．4 量子点在LED中的应用

1．4．1 量子点LED简介

1．4．2 基于InGaN蓝光芯片的光转换型量子点-WLEDs

1．4．3 直接产生白光型量子点WLEDs

1．5 本论文的研究目的和研究内容

第二章 高单分散、闪锌矿CdSe量子点制备表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品及仪器

2．2．2 CdSe量子点的制备和表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 反应温度对CdSe晶体生长的影响

2．3．2 CdSe晶型变化

2．3．3 XRD、TEM表征

2．3 本章小结

第三章 CdSe量子点维稳机制及光学性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品及仪器

3．2．2 亲油CdSe／CdS核壳量子点的制备与提纯

3．2．3 混合配体的合成

3．2．3 混合配体量子点的配体交换与相转变

3．2．4 测试表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 混合配体CdSe／CdS的配体交换

3．3．2 配体交换量子点的光学性质比较

3．4 本章小结

第四章 无膦法合成Ⅱ-Ⅵ族核壳量子点及其在白光LED上的应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品及仪器

4．2．2 CdSe和CdSe／CdS量子点的制备和表征

4．2．3 CdTe、CdTe／CdS、CdTe／CdSe量子点制备与表征

4．2．4 CdSexS1-x／CdS均匀合金化核壳量子点的合成

4．3 结果与讨论

4．3．1 热注射温度对CdSe量子点生长的影响

4．3．2 不同SeO2／十六醇摩尔比对CdSe量子点生长的影响

4．3．3 不同Cd／Se摩尔比对CdSe量子点生长的影响

4．3．4 用棕榈酸镉代替氧化镉合成CdSe量子点

4．3．5 不同尺寸大小的CdSe量子点表征

4．3．6 CdSe／CdS核壳量子点的合成及表征

4．3．7 CdTe／CdS和CdTe／CdSe核壳量子点的合成

4．3．8 CdSexS1-x／CdS均匀合金化核壳量子点的合成

4．3．9 基于CdSe／CdS核壳量子点的白光发光二极管的制备及性能测试

4．4 本章小结

第五章 水相体系合成碲锌镉量子点／碳酸钠复合物荧光粉

5．1 引言

5．2．1 实验试剂

5．2．2 实验仪器

5．2．3 样品合成

5．3 测试结果与讨论

5．3．1 CdZnTe量子点的生长和光学性能

5．3．2 CdZnTe量子点的组分、形貌与结构分析

5．3．3 CdZnTe QDs／Na2CO3的光学性能

5．3．4 CdZnTe QDs／Na2CO3的结构表征

5．3．5 白光LED的性能表征

5．4 本章小结

全文总结

6．1 全文总结

6．2 论文的创新之处

6．3 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况