文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
基于CdSe的核壳半导体纳米晶的结构及荧光性质研究
姓名:夏星
申请学位级别:博士
专业:材料物理与化学
指导教师:刘祖黎
2010-11-07
华中科技大学博士学位论文
摘要
半导体纳米晶又常被称为量子点,这类材料通过随粒径变化的荧光颜色直观地
展示了纳米材料的量子尺寸效应,并作为一种全新的无机发光材料,在生物、医学、
光电器件、太阳能等领域的应用都被寄予极高的期望。
本文首先对核壳结构半导体纳米晶进行了基于晶体结构差异的研究。以纤锌矿
结构(WZ)的 CdSe 为核的核壳纳米晶在近十多年一直是材料研究领域的主要研究对
象,并且在应用中也受到广泛的青睐;而近几年出现的闪锌矿结构(ZB)的 CdSe 却极
少被用在核壳纳米晶的研究中。本文从核壳纳米晶的晶体结构、形貌、荧光性质等
几个方面研究发现,基于 ZB-CdSe 的核壳纳米晶的发光性质要好于以传统的
WZ-CdSe 为核的样品,更加适合于在医学标记和检测上的应用,并且实验步骤相对
简单,也更适合于规模化的量产。
在核壳纳米晶上本文还进行了 CdSe/ZnS 的结构演化研究。由于优异的发光性能
和稳定性,CdSe/ZnS 长期以来一直是最受关注并且在应用研究中使用最广泛的核壳
纳米晶,但对其结构变化的研究一直鲜有报道;另一方面,近年来许多异质结构纳
米晶的形貌从最初量子点的“点”状逐渐演化出了多种形状,它们在多个领域的研
究中被寄予厚望。本文以 ZB-CdSe 为核,在其表面包裹 ZnS,通过对 ZnS 生长温度
的实验发现 CdSe/ZnS 纳米晶具有随温度演化的形貌,其中在 240 °C 时具有类似甲
烷分子的四足体结构;但温度更高时 CdSe 和 ZnS 界面间的熔合会破坏四足体结构,
并且伴随着明显的荧光蓝移现象。同时,本部分研究还发现 CdSe/ZnS 四足体中 ZnS
的生长具有不稳定性,当其生长至一定程度时便会由于晶体缺陷而产生明显分叉结
构,使整体的发光效率降低。
本文最后研究了 CdZnSeS 合金纳米晶,它克服了 CdSe 纳米晶的发光难以达到
蓝色至绿色波长区域,并且合成步骤简单。本部分实验使用了十二硫醇参与纳米晶
合成的反应,一方面它能在高温下分解,作为硫元素的前驱物在纳米晶表面形成一
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层薄薄的 ZnS 包覆层,另一方面它能很好的限制纳米晶成型时颗粒的长大,再结合
实验中对 Cd 和 Zn 两种元素比例的控制,使材料的荧光能够轻易达到蓝色至绿色波
长区域,并且可以由实验参数进行调控。该部分研究获得的短波长荧光纳米晶在光
电器件和 LED 等方面具有应用的潜力。
关键词:半导体纳米晶, 核壳结构, 闪锌矿结构, 四足体(tetrapod), 蓝光
II
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Abstract
Semiconductor nanocrystals (NCs) are usually referred as quantum dots because of
their distinct exhibition of the famous small scale effect in nanomaterials, that the color of
their luminescence changes with the particles size. As a whole new type of anic
emitter, semiconductor nanocrystals have been considered highly potential in applications
of biology, photovoltaic device, and displays, etc.
In this thesis, core/shell NCs were studied from the perspective of crystal structure.
For more than a decade, core/shell NCs based on wurtzite CdSe have been the focus of
quantum dots research and are widely used in biomedical applications; while studies on
core/shell NCs based on the newly developed zinc-blende CdSe NCs are relatively ra