MInS2半导体纳米晶及其复合结构的合成与光谱性能研究

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半导体纳米晶由于量子尺寸效应和介电限域效应使它们具有独特的光致发光性能。与传统的有机荧光染料相比,半导体纳米晶具有光化学稳定性高,不易光解等优良的光学特性。其中Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族半导体纳米晶的合成和应用最近成为研究的热点。CuInS2、AgInS2等材料具有潜在可应用的性能,最近研究的比较多,可以统称为MInS2半导体。本论文主要致力于选择合适的液相合成条件,以及研究不同半导体纳米晶结构与功能特性来实现对半导体纳米晶的功能调节,获得了一系列高质量的多功能化纳米结构单元,系统研究了阳离子无序结构以及四面体配位Ⅱ-Ⅵ/Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族半导体复合结构纳米单元的光学性质,结果表明结构控制可以有效改善或改变纳米结构的发光性能或产生新的功能。具体归纳如下:1、运用液相合成方法来制备不同物相结构的MInS2半导体纳米晶。通过溶液相反应制备了单分散亚稳立方相AgInS2纳米晶,平均尺寸约2.5nm。相比通常的四方、正交相结构,亚稳立方相中Ag+、In3+无序的占据着S2-的四面体配位空间。随着反应温度和时间的增加,阳离子无序立方相结构向正交相结构转变。由于阳离子无序立方相AgInS2结构的出现,获得了10%左右的荧光量子产率,远远高于用类似方法制备的正交相AgInS2纳米晶。用类似的方法合成了立方相和六方相的CuInS2纳米晶,运用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线粉末衍射(XRD)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)以及荧光光谱(PL)对其进行了表征,为下步的四面体配位Ⅱ-Ⅵ/Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族半导体复合结构的研究提供了结构基础。2、四面体配位Ⅱ-Ⅵ/Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族复合结构纳米晶的制备与性能调节。Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族半导体,例如AgInS2、CuInS2等材料属于窄带系半导体,其半导体能态结构也比较复杂。依据CuInS2、AgInS2、ZnS半导体的结晶学密切相关性与能态结构的差异性,设计合成了能态结构可调、尺寸可控的ZnS/AgInS2、ZnS/CuInS2固溶体以及异质复合纳米材料,通过光谱等测试分析手段了解这类复合晶体结构的宏观光学性能。这两类半导体主要是以四面体配位的结构形式存在,晶格结构相关度很高,而能态结构差异较大,为能态结构的调节提供了很大的空间,从而在可见光区产生较宽波长范围的吸收与发光峰分布。本论文工作借助化学液相合成方法,将纳米材料结构的控制与性能的提高紧密联系在一起,有望为荧光标记、生物检测、纳米薄膜太阳能电池的探索研究提供新材料。
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