高效发光CuInS2和CuInS2/ZnS量子点的绿色合成及工艺连续化研究

发布时间：2022-10-08 19:39

　　CuInS₂（CIS）量子点由于其低毒、太阳光吸收系数高、光化学性能稳定在生物、光电领域有很大的应用潜力,然而目前量子产率较低、质量不可控和批量制备工艺的缺乏限制了它的广泛应用。本文基于CIS量子点的发光机理和生长动力学开发了提高CIS和核壳CIS/ZnS量子点荧光效率的合成工艺,并通过调节工艺参数实现了对荧光量子产率的大幅提高和CIS量子点荧光光谱的调控。在此基础上将烧瓶合成工艺转移到微反应器系统中实现了CIS和CIS/ZnS量子点的连续合成。最后,以CIS量子点规模化生产为例,基于微反应器设备的连续化生产工艺进行工程概念设计、投资成本估算和经济效益分析。总体实现了从实验室研发到生产的全生命周期的研究。本文主要获得以下结果：（1）提高CIS量子点荧光效率的高温液相热处理过程开发了基于高温液相热处理的方法以提高CIS量子点的荧光量子产率。分析了CIS的发光机理、液相热处理过程对晶体结晶度和荧光量子产率的影响。结果表明：CIS量子点发光为多能级发光,给体-受体缺陷发光为主要发光方式。CIS颗粒内部和表面的多种缺陷引起的非辐射弛豫是导致颗粒量子产率较低的主要原因。在高... 

【文章页数】：118 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 量子点的基本概念及应用
        1.2.1 在太阳能电池的应用
        1.2.2 在发光二极管的应用
        1.2.3 在生物医学领域的应用
        1.2.4 在防伪油墨中的应用
    1.3 量子点的合成技术
        1.3.1 量子点的合成
        1.3.2 核壳结构量子点的合成
    1.4 微反应技术及其在量子点合成中的应用
        1.4.1 微反应技术的特点
        1.4.2 微反应技术在量子点合成中的应用进展
    1.5 CIS量子点的研究现状
        1.5.1 CIS量子点的基本性质
        1.5.2 CIS及其复合结构量子点的油相合成
    1.6 量子点市场及投资分析
        1.6.1 量子点市场分析
        1.6.2 总资产投资分析
        1.6.3 总生产成本分析
    1.7 课题的研究意义、目标和内容
        1.7.1 研究意义
        1.7.2 研究目标和内容
第2章 实验装置及量子点表征
    2.1 化学药品、实验设备与分析仪器
    2.2 实验装置
        2.2.1 用于批次实验的合成装置
        2.2.2 用于连续合成的微反应单元
    2.3 量子点的表征
第3章 高温液相热处理提高CIS荧光量子产率的研究
    3.1 前言
    3.2 实验方法
        3.2.1 CIS量子点的合成
        3.2.2 CIS量子点的液相热处理过程
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 CIS量子点的发光性质
        3.3.2 CIS量子点的高温液相热处理
    3.4 本章小结
第4章 低温合成广谱发光核壳CIS/ZnS量子点的研究
    4.1 前言
    4.2 实验方法
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 ZnS的包裹对CIS吸收特性的影响和CIS/ZnS的晶体结构分析
        4.3.2 CIS核反应时间对光学特性的影响
        4.3.3 ZnS包裹温度对CIS荧光量子产率的影响
        4.3.4 配体修饰对量子点光学特性和晶体生长的影响
    4.4 本章小结
第5章 高效发光梯度核壳CIS/ZnS量子点的合成工艺研究
    5.1 前言
    5.2 实验方法
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 CIS/ZnS材料组成与结构分析
        5.3.2 CIS/ZnS发光动力学研究
        5.3.3 ZnS壳层包裹时间和核反应时间对CIS/ZnS荧光特性的影响
        5.3.4 Zn/Cu原料摩尔比对CIS/ZnS发光特性的影响
        5.3.5 壳层包裹温度对CIS/ZnS发光特性的影响
        5.3.6 CIS/ZnS的化学稳定性
        5.3.7 优化结果
    5.4 本章小结
第6章 CIS和CIS/ZnS量子点的微反应连续合成及其放大工艺研究
    6.1 前言
    6.2 实验方法
        6.2.1 CIS前驱体液体的制备
        6.2.2 Zn前驱体溶液的制备
        6.2.3 CIS和CIS/ZnS纳米晶的微反应连续合成
        6.2.4 主要微反应设备的基本原理及特征
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 配体对前驱体制备和CIS量子点的影响
        6.3.2 CIS量子点的微反应器连续合成
        6.3.3 系统的稳定性和重复性考察
        6.3.4 全连续合成核壳结构CIS/ZnS量子点
        6.3.5 基于微反应器的放大分析
    6.4 本章小结
第7章 CIS规模化生产工艺设计与投资估算
    7.1 前言
    7.2 工业化微反应器大小初步试算
        7.2.1 工艺说明
        7.2.2 设计依据
        7.2.3 工艺部分
        7.2.4 循环冷却水水质
        7.2.5 主要设备
        7.2.6 微反应设备
    7.3 项目投资与经济性分析
        7.3.1 资本投资估算
        7.3.2 总生产成本估算
    7.4 本章小结
第8章 总结与展望
    8.1 全文总结
        8.1.1 论文完成的工作
        8.1.2 本文的特色及主要创新
    8.2 下一步建议与展望
参考文献
致谢
博士学位期间获得的成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]配体对量子点合成影响的发展现状[J]. 文丹,喻艳华,付成,张玮莹,张正涛.  江汉大学学报(自然科学版). 2015(01)
[2]量子点生物传感器中的表面修饰技术及其医学应用[J]. 刘星,罗阳.  分析化学. 2014(07)
[3]水相合成近红外CdTe量子点用于体液中硫醇的检测[J]. 崔晓腾,吕玉洋,刘颖,吴伯岳.  化学学报. 2014(01)
[4]配体链长对PbS量子点薄膜/Al肖特基结整流特性的影响[J]. 任志瑞,徐建萍,石少波,张晓松,袁虎臣,姜立芳,朱明雪,王丽师,李岚.  光电子.激光. 2013(11)
[5]CdTe/CdS半导体量子点作为农药百草枯的高灵敏传感器[J]. 卞倩茜,刘应凡,于俊生.  高等学校化学学报. 2010(06)
[6]CuInS2半导体纳米材料的合成研究[J]. 付红红,栾伟玲.  纳米科技. 2010 (01)



本文编号：3688308