SPS制備SnO2和ZnS-Mn量子點玻璃及其光學(xué)性能的研究.pdf

1、由于具有其他材料所沒有的光電性能，半導(dǎo)體量子點吸引了很多研究人員的目光。但是，就目前來講，Cd系及 Pb系量子點是研究相對完善的兩類量子點，但是其中皆含有對環(huán)境污染較為嚴重的重金屬，更重要的是，重金屬對人體產(chǎn)生的影響也不容忽視，因此無法應(yīng)用于生物等領(lǐng)域，所以無毒無害的量子點的制備則更加值得關(guān)注和研究。此外，量子點的有效封存和應(yīng)用一直是研究的重點，因此尋找一種更有效的量子點封存方法能夠保留量子點的優(yōu)良性能也是近年來研究的熱點。由于量子尺寸

2、效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等影響，量子點顯示出獨特的物理和化學(xué)特性，特別是其依賴粒徑的光學(xué)性質(zhì)，近年來成為光學(xué)器件的研究熱點。而當前的研究中，量子點難以直接被利用于工業(yè)生產(chǎn)，主要是由于納米顆粒具有較大的比表面積、高度的活性、較差的穩(wěn)定性。研究人員發(fā)現(xiàn)，量子點玻璃的研究價值更高，主要還是因為以玻璃為基質(zhì)，就會有很多跟其他固體材質(zhì)不盡相同的特點。
　　在最近的幾年，人們主要將目光轉(zhuǎn)向了納米晶半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)的研究上。當半導(dǎo)體粒子的尺寸

3、逐漸接近激子玻爾半徑時，其表面原子與內(nèi)部原子的比例顯著增加，使得表面性能對材料的性能起著重要的作用。納米SnO2由于其巨大的比表面積和與尺寸相關(guān)的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)在材料應(yīng)用中有出色的表現(xiàn)。氧化錫因為其獨有的大的N型帶隙（Eg=3.6ev300K），低的電子親和能和大的激子束縛能（130 meV）而相較其他半導(dǎo)體材料來將會穩(wěn)定一些，因此就被廣泛用作氣體傳感器材料、研究并使用在透明的加熱元件的電極材料、太陽能電池、電阻器、抗靜電涂料和用節(jié)能的

4、“低輻射”窗玻璃的特種涂料上。
　　另外，在所有的無機半導(dǎo)體納米晶中，鋅硫基量子點因其較為獨特的發(fā)光性能就被廣泛的用于發(fā)光材料中。鋅硫族化合物的主要優(yōu)點是其具有寬帶隙、毒性低（無鎘和無鉛），合成簡單，易量化和操作，并能有效地摻雜金屬離子?，F(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于可調(diào)光和白光照明設(shè)備上，此外具有核殼結(jié)構(gòu)的鋅硫族化合物也被合成和研究。但由于 ZnS量子點其發(fā)光不穩(wěn)定，故具有穩(wěn)定的摻雜特征峰發(fā)光的ZnS:Mn量子點則更具有研究意義。
　　

5、在本文中，我們主要對量子點的發(fā)光特性還有其他主要的制備工藝及優(yōu)缺點來做一個簡單的闡述，同時要和放電等離子體燒結(jié)技術(shù)進行綜合，將量子點-介孔硅基粉體在較低的溫度下不經(jīng)熔融狀態(tài)直接固化成玻璃且無需退火，有望制備出可以控制濃度、具有穩(wěn)定發(fā)光性能的量子點玻璃。首先，本課題分別采用了水熱法和熱注入法制備SnO2和ZnS:Mn量子點，然后將合成的SnO2和ZnS:Mn量子點與介孔二氧化硅粉體（SBA-15）混合得到SnO2/SBA-15和ZnS:M

6、n/SBA-15復(fù)合粉體。最后，采用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)將混合后的粉體經(jīng)燒結(jié)固化成SnO2和 ZnS:Mn量子點玻璃。此外，本文還將簡要介紹量子點的發(fā)光特性及主要的制備工藝和其優(yōu)缺點，從量子點摻雜的玻璃系統(tǒng)、發(fā)光機理以及光譜特性等方面介紹幾種常見的量子點玻璃。此外，將主要介紹量子點玻璃的制備工藝以及應(yīng)用前景，并重點闡述放電等離子燒結(jié)的原理、優(yōu)勢及近幾年來的研究現(xiàn)狀。
　　第一步，我們需要合成出一個擁有二維六方孔道結(jié)構(gòu)的 SBA-1

7、5粉體，制作該粉體主要通過軟模板劑法的方式來進行。所得到的石英玻璃維氏硬度為6.72GPa。
　　隨后，采用水熱法獲得了結(jié)晶度良好的四方相閃鋅礦結(jié)構(gòu)的SnO2量子點。隨著合成pH值得逐漸增加，顆粒從球狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻?，其結(jié)晶性也越來越好，顆粒的粒徑尺寸在60 nm以下。研究人員對該粒子進行試驗，發(fā)現(xiàn)該粒子的發(fā)光峰值分別在400nm、469nm及536nm處。之后，通過熱注入法合成出結(jié)晶度良好的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS:Mn量子點，發(fā)

8、現(xiàn)該量子點存在本征發(fā)光峰的位置為470nm，存在缺陷發(fā)光峰的位置是540nm處，量子點顆粒的平均尺寸為4.3nm。
　　最后一步，研究人員通過結(jié)合介孔硅基粉體及ZnS: Mn量子點，在經(jīng)過SPS燒結(jié)后獲得我們需要的量子點玻璃，也就是SnO2量子點玻璃，它的發(fā)光峰在397nm處，但要使得發(fā)光強度達到最大的話可以把復(fù)合濃度調(diào)整為1wt％，但是濃度的增大會使 SnO2量子點玻璃的維氏硬度減小。此外，ZnS:Mn量子點玻璃在470nm和5

9、40nm左右的本征發(fā)光峰消失，但位于580nm處的Mn2+摻雜峰出現(xiàn)，并得到了很大程度的增強，但是量子點復(fù)合濃度的增大也會使ZnS:Mn量子點玻璃的維氏硬度減小。
　　本文主要將SnO2及ZnS:Mn量子點和SPS燒結(jié)技術(shù)相融合，成功地制備出了SnO2和ZnS:Mn量子點玻璃。經(jīng)過SPS燒結(jié)后，量子點的發(fā)光性能都得到了一定程度上的增強，發(fā)光峰的位置也得到了統(tǒng)一。由此我們可以看出，本課題可以對量子點濃度控制困難的問題、顆粒尺寸分布寬