环境友好型三元合金量子点的制备与掺杂及其光电性能研究

发布时间：2018-01-04 04:14

本文关键词：环境友好型三元合金量子点的制备与掺杂及其光电性能研究　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：量子点(Quantum Dots:QDs)作为一种新型荧光纳米材料,具有可溶液化学法制备、易分散加工、吸收截面大、发光效率高等优异特性,在太阳能光伏电池、发光和显示器件、生物成像医疗等领域,具有诱人的广泛应用前景。已有研究表明,将传统二元体系量子点拓展为多元组分合金量子点,可实现其带隙在更大范围的有效调控。此外,在本征半导体晶格中引入具有光学活性的掺杂剂(如过渡金属Mn、Cu离子),除可获得一系列从红外到可见光的具有更长激发态寿命的光致发光外,还可大大增加其光谱的斯托克斯位移量,从而抑制发光材料自吸收问题并提高光化学稳定性,推动其在高密度、大功率发光器件的应用。因此,过渡金属掺杂多元组分合金量子点的相关研究,成为当前活跃的研究热点之一。当前已有的三元合金量子点的研究,一般含有重金属元素(如Cd和Pb等),其无法避免的环境污染等问题,是限制其将来广泛应用的主要问题之一。本论文围绕环境友好型高质量三元合金量子点的研发,采用过渡金属离子(Mn、Cu)对其掺杂修饰,系统研究了量子点的光学性能与基体材料组分和掺杂离子种类、浓度等之间的内在关系,深入探讨了掺杂离子的发光机理,并基于其优异的发光性能和独特的发光机理,探索了其在光电及传感器等领域的器件应用。论文工作首先实现了具有长荧光寿命、特征Mn离子发射和大斯托克斯位移的高质量Mn掺杂Zn-In-S量子点的制备；在此基础上,为拓宽上述基体材料的禁带调控范围,利于光电器件中量子点被有效激发,将基体材料由Zn-In-S拓展为Cu-In-S/ZnS,制备了Mn掺杂Cu-In-S/ZnS量子点,并探索了其在白光照明器件方面的应用；其次,为拓宽量子点发光峰位的可调控范围,实现由相对单一的特征Mn离子橙红色发射到更宽波段的可见光发射,将具有独立发光中心特征的Mn离子替换成具有复合发光中心特征的Cu离子,制备了Cu掺杂Zn-In-Se量子点,并将其应用于发光二极管；最后,基于上述对Mn、Cu掺杂离子的发光机理的深入研究,实现了Mn、Cu两种不同发光属性的掺杂离子共掺,实现了Zn-In-S量子点稳定的双掺杂离子本征发射,探索了其在比率温度传感器中的应用。综合本论文工作,所取得的主要研究成果如下：采用热注入法制备了Mn掺杂Zn-In-S量子点。研究发现成核反应的温度、十八烯-硫(OED-S)的用量、Zn/In组分的比例以及Mn离子掺杂浓度等是合成高光学质量量子点的关键因素。通过系统优化各项参数,获得了荧光峰位在600nm、大斯托克斯位移(0.9-1.7 eV)、带隙在2.9到3.7 eV范围内可调谐、发光量子产量(PLQY)可达56%、具有优异热稳定性的Mn掺杂Zn-In-S量子点。其荧光寿命为迄今报道最长,达4.2 ms,并可通过配体交换实现其在水溶性介质中的分散,表明其在生物荧光成像等领域潜在应用前景。采用热注入法制备了Mn掺杂Cu-In-S/ZnS量子点。研究发现Cu/In比例是实现Mn离子发射的关键,降低Cu／In比例有利于获得Mn离子特性荧光的发射。另外,研究表明,Mn离子掺杂浓度对Mn离子发射的光谱纯度起决定性作用。通过组分和结构的精细调控,所制备的Mn掺杂Cu-In-S/ZnS量子点可获得纯Mn离子发射,其峰位在610nm,PLQY可达66%,荧光寿命为3.78 ms。基于Mn掺杂Cu-In-S/ZnS量子点构筑白光二极管(QD-LED)器件,显色指数CRI达78、发光效率为48 lm／W,色坐标为(0.404,0.306),具有优异的综合性能。采用硒粉(Se)直接分散在ODE中作为Se源,以取代传统有机膦-Se,制备了Cu掺杂Zn-In-Se量子点。通过调控Zn/In组分,实现了在可见光谱范围内荧光峰位可调谐的Cu离子发射。研究表明,其发射峰位在565-710 nm内可调,PL QY可达38%,表明ODE-Se是一种可靠的Se源,可替代传统有毒有机膦-Se。基于Cu掺杂Zn-In-Se量子点构建的QD-LED,其最大光亮度可达320 cd/m2 (15 V),最大电流效率为0.98 cd／A,展现了其良好的潜在应用前景。采用共掺杂技术,制备了环境友好型Mn和Cu双掺杂离子本征发射的Zn-In-S量子点。研究表明,量子点基体材料的导带到Cu离子的掺杂能级的能量差,是决定量子点中是否出现Mn离子发光的关键所在,澄清了一直困扰Mn、Cu双掺杂量子点发光机理的问题。基于Mn和Cu离子双本征发射的Zn-In-S量子点构建的比率温度传感器,在100-320K范围内的比率灵敏度为0.132%k-1,无滞后,具有优异的稳定性。
[Abstract]:Quantum Dots ( QDs ) are used as a new type of fluorescent nanometer material , which has excellent properties such as solution chemistry method , easy dispersion processing , large absorption cross section and high luminous efficiency . Mn - doped Zn - In - S quantum dots were prepared by thermal injection . The results showed that Mn - doped Zn - In - S / ZnS quantum dots were doped with Mn - doped Zn - In - S quantum dots . The Zn - In - S quantum dots were prepared by using co - doping technology . The results show that the energy difference of the doping level of Mn and Cu doped with Cu ions is the key to determine whether the Mn ion luminescence occurs in the quantum dots . The ratio sensitivity of Mn and Cu double - doped quantum dots is determined to be 0.132 % k - 1 , which is not hysteresis , and has excellent stability .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1

【参考文献】