量子点荧光闪烁及机理研究

发布时间：2020-10-30 10:21

　　 半导体量子点在太阳能电池,生物细胞追踪,发光材料及显示器等方面具有巨大的学术价值和商业前景。然而随着单分子光谱技术的发展,在单颗粒尺度下量子点呈现出荧光闪烁现象。深入的理解量子点荧光闪烁行为及光动力学特征,有助于提高量子点的光学特性。关于量子点荧光闪烁现象及激子衰变动力学的研究通常集中在type-I型结构上,而对于type-II型量子点研究很少。相对于type-I型量子点,type-II型量子点具有更宽的吸收和发射光谱范围。基于此,type-II型量子点的荧光闪烁现象及激子辐射特征的研究具有深刻的意义。在本论文中,我们采用一系列不同壳层厚度的typeII型ZnSe/CdS核壳结构量子点(1-6单层CdS)借用单分子荧光寿命成像显微系统(FLIM)与时间相关单光子计数(TCSPC)相结合的联用技术,研究type-II型ZnSe/CdS核壳结构量子点荧光闪烁行为及激子衰变动力学随着壳层厚度的变化特征。通过强度分辨的荧光寿命分析,发现type-II型ZnSe/CdS核壳结构量子点三种激子辐射通道,随着壳层厚度的变化,这三种辐射通道所占的比例影响量子点荧光闪烁行为和量子产率及亮态光子数所占比例。最后我们用一个物理模型来解释单颗粒type-II型ZnSe/CdS核壳结构量子点荧光闪烁动力学机制。本论文内容主要分为以下三部分:1.首先制备不同壳层厚度的ZnSe/CdS核壳结构量子点,研究不同壳层厚度量子点溶液集合体的光学性质。通过紫外可见吸收光谱,荧光光谱,量子产率,溶液集合体荧光寿命等方面对量子点进行研究,初步确定量子点溶液状态下的光学特征。2.制备单粒子量子点,利用单分子荧光寿命成像显微系统(FLIM)结合时间相关单光子计数(TCSPC)技术研究不同壳层厚度量子点的荧光闪烁行为。并对大量单粒子量子点荧光闪烁行为进行统计,发现它的荧光闪烁行为与壳层厚度密切相关。并将荧光闪烁行为分为on态,off态,发现on态占的比例随着壳层厚度的变化在变化。并且随着壳层厚度的增加产生了grey态。我们发现当壳层厚度为4层时,光致发光(PL)量子产率(QY)和on态比例(fraction-on)将达到最大值。也就是说,在这种情况下,“闪烁现象”将得到一定程度的抑制。我们进一步推测不同壳层厚度量子点的荧光闪烁行为与激子的不同复合途径密切相关。3.我们通过分析不同壳层厚度量子点的荧光强度分辨的荧光寿命衰减曲线。以及结合统计分析的方法,确定激子的复合途径,包括三种衰变途径:三粒子发射,带边发射和陷阱态发射。正是由于这三种不同的衰变途径随着壳层厚度变化所做的贡献不同,进而影响量子点荧光闪烁行为。我们发现提高量子产率和on态光子比例主要在于增加带边发射的贡献。从论文的工作和布局安排上,我们首先对量子点做了一个简介,介绍了量子点基本特性,量子点发光过程,并介绍了量子点荧光闪烁行为和荧光闪烁机制模型。另外对荧光寿命成像显微系统的原理,测量过程与方法做了简单介绍。最后我们对量子点分别从溶液集合体和单颗粒两个方面的光学性质做了探究。希望该工作能够为之后研究各类type-II量子点的荧光闪烁动力学机制,或是提高性能方面提供方法和思路。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O471.1
【部分图文】：

图 1-1（a）直径为 11 nm 的 PbS 半导体纳米晶体的透射电子显微图。（b）PbS 半导体纳米晶体的三维原子结构，其中金(黑色)球为 Pb(S)原子。量子点的限域效应是由 L.Brus 等科学家发现的，他们提出当量子点的半径与激尔半径相差不大时，电子的能级是分立的。小尺寸量子点的三维限域效应限制了和空穴的自由运动。正是这导致了一个与尺寸相关的，分立的能级。L.Brus 认为点第一激发态能级与其尺寸之间的关系见式（1-1）。Ｗ基态能级为参考零点：2 2 221 1 1.8E=E ( )2ge hh eR m m R （1-1）其中 R 是量子点的半径，ε为材料的介电常数，me和 mh分别为电子和空穴的有量。从公式可以发现，量子点的尺寸越小，能级带隙越大。因此量子点吸收和发荧光随量于点尺寸的增大而减小，吸收光谱和荧光光谱峰位置逐渐红移。使这些半导体纳米晶体材料很有价值的原因是，它可以通过调控尺寸，进而改

（a）测量了直径为 4.3-8.4 nm 的 PbS 纳米晶体在 10 K 的吸收光谱。图 1-2（b）比较了平为 4.7、5.9 和 7.5 nm 的 PbS 量子点的吸收(固体线)和 PL(虚线)谱。图 1-2（c）测量了直径4.3-8.4 nm 的 PbS 量子点的 PL 谱。[57]1.2.2 半导体量子点的应用尺寸和形状可调谐的量子点在电学/光学/传输特性等方面展现了新奇的现象，比发射荧光可调谐等。随着化学物理领域合成及操作这种纳米结构能力的提高，新型功能材料开辟了新机会。我们介绍三个方面的领域，这些是量子点特别有前途的应用。第一个是在室温固体 CdSe 中的可调谐增益和受激发射[58]，这说明有希望实现在可见和近红外波的廉价量子点激光器。第二个是利用量子点标记生物分子[59]，为创造发光的半米技术，对细胞过程、神经元脑网络、药物运输等进行超灵敏成像铺平了道路是，在一个媒体化的方向上，三星电子公司的研究人员，展示了第 4 英寸全彩[60]

我们通常通过修饰量子点表面来减少表面缺陷，比如外面包覆壳层形成核壳异质结构，从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。图１-3 量子点发光过程量子点的荧光闪烁和激子复合动力学研究
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本文编号：2862345