二硫化钨/二硫化钼半导体量子点的制备及光电器件研究

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过渡金属二硫化物因其独特的物理化学性质,在传感器、光电器件、储能等诸多领域具有良好的应用前景。在本研究工作开展初期(2016年),合成WS2和MoS2量子点主要采用自上而下的物理剥离法,所得到量子点的粒径不均,形貌控制难,提纯难度大,荧光量子效率低,致其在发光二极管等领域的应用受到限制。针对上述问题,我们首先从材料制备的角度出发,设计了一种简单,省时,自下而上的胶体合成法,并可控的合成一系列不同粒径的WS2和MoS2量子点。其次,鉴于其荧光量子效率低,荧光机制不明,我们从光学性质的角度出发,在合成的本源上,对WS2量子点的表面进行钝化,减少非辐射复合中心数量,将荧光量子效率从已报的最高6%提升至32%;并结合变温荧光光谱、吸收和荧光特性,研究WS2和MoS2量子点的激子复合过程,提出合理的辐射模型。最后,较传统CdS、CdSe、PbS量子点而言,WS2和MoS2量子点的优势是良好的生物相容性和荧光稳定性,且其宽谱发射的荧光特性,适用于白光器件。另一方面,WS2和MoS2是良好的储能材料,纳米尺寸的WS2和MoS2量子点具有大量作为活性位点的边缘原子和表面缺陷,在电存储设备上有良好的应用前景。所以,我们从光电器件应用的角度出发,将WS2和MoS2量子点作为发光层,应用于电致发光二极管和光致发光器件。并利用WS2量子点的表面效应,将其作为电活性材料,制得稳定的超级电容器,可完成8000次充放电循环。(1)为解决物理合成过程繁琐、量子点质量低的问题,我们采用胶体法合成WS2量子点,并结合材料表征和理论计算,对其结构,量子限域效应和光学性质进行研究。(2)量子点的荧光量子效率与表面组分密切相关;随量子点粒径的减小,造成非辐射复合的表面缺陷增多,从而猝灭荧光。基于此,为解决荧光量子效率低的问题,我们识别并钝化了WS2量子点表面的缺陷,减少了非辐射复合中心的数量,将荧光量子效率提高到32%。并克服了难以单独成膜的问题,采用全溶液法,将其应用到电致白光二极管器件,且器件色温可调,显色指数达到91。(3)为避免合成中有机物排放有毒气体,我们选用高活性的无机硫源,一步合成稳定、明亮的WS2量子点;并用无毒、宽谱发射的银铟硫(AgIn5S8)量子点弥补WS2量子点在红光区域的缺失,制得了发光稳定、显色指数达到93的光致白光器件。(4)为解决MoS2量子点荧光机制不明的问题,我们根据荧光动力学和荧光衰变光谱,对其激发波长依赖的光学特性提出了合理的激子辐射模型;并利用MoS2量子点自吸收特性,采用单一MoS2量子点作为发光材料,制备了覆盖全部可见光区的多色光致发光器件。(5)WS2量子点作为超级电容器的电活性材料,其导电性以及电解质与活性位点的接触均受到表面长链配体的抑制。基于此,我们采用配体交换法,用短链、高活性的乙二硫醇替代原配体,增强了导电性,优化了接触,提高了比电容。综上所述,我们优化了WS2/MoS2量子点的合成路径,降低了时间成本、提高了荧光量子效率,改善了导电性,并将其应用到白光器件和超级电容器上。本论文为进一步研究WS2和MoS2量子点光电器件的工作提供了参考。
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