SPS制備Pb(Cd)S量子點玻璃及其性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體量子點由于依賴顆粒尺寸的獨特光電特性而備受關(guān)注。PbS量子點(QDs)材料具有直接帶隙窄(Eg=0.41eV)、激子波爾半徑大(20nm)的特點，使其具備了即使在較大的顆粒半徑下也能獲得較強的量子尺寸效應(yīng)能力。并且可通過控制顆粒尺寸的大小實現(xiàn)從可見光到紅外波段的發(fā)光位置調(diào)節(jié)，因此PbS量子點廣泛應(yīng)用于生物(生物熒光標(biāo)記、靶向藥物等)、能源(太陽能電池)、光學(xué)(激光器、紅外探測器、非線性光學(xué)、發(fā)光二極管以及光學(xué)開關(guān)等)等各領(lǐng)域。Cd

2、S量子點材料是II-VI族化合物，是一種典型的寬禁帶直接半導(dǎo)體材料。在太陽能轉(zhuǎn)換、非線性光學(xué)、光電化學(xué)、光催化、生物熒光標(biāo)記以及發(fā)光二極管等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。因此，對PbS、CdS量子點材料的研究具有重大意義。
　　本文主要采用化學(xué)法制備出高質(zhì)量的PbS、CdS量子點與放電等離子體燒結(jié)(SPS)技術(shù)(在低溫下能將粉體不經(jīng)熔融直接固化成玻璃的特性)相結(jié)合的工藝，期望制備出尺寸可控、分布均勻和濃度穩(wěn)定的量子點玻璃。分別采用了兩相法、

3、水熱法、水相法制備出高質(zhì)量的 PbS和CdS量子點，然后將合成的PbS、CdS量子點復(fù)合到介孔二氧化硅粉體中（SBA-15）得到PbS/SBA-15和CdS/SBA-15復(fù)合粉體。最后，采用SPS燒結(jié)技術(shù)將復(fù)合粉體固化成PbS、CdS量子點玻璃。
　　首先，采用軟模板法制備出具有良好固化性能的SBA-15粉體。合成制度：油浴時間為24h、溫度為40℃，鼓風(fēng)烘箱保溫溫度為130℃、保溫時間72h。確定的燒結(jié)工藝：升溫速率為100℃/

4、min、最高溫度1080℃、保溫時間3min；所得到的石英玻璃維氏硬度為6.72GPa。
　　其次，化學(xué)方法制備PbS、CdS量子點。第一，采用兩相法制備油溶性的PbS量子點，得到了具有很好結(jié)晶度的立方相PbS量子點。球形的量子點顆粒具有很好的單分散性、顆粒平均尺寸約為4nm。光譜測試結(jié)果表明，在570nm和736nm處分別有一個吸收峰和光致發(fā)光峰。第二，采用水熱法制備 PbS量子點，獲得了結(jié)晶度良好的立方相結(jié)構(gòu)的 PbS量子點。

5、近球形的量子點具有非常好的單分散性、顆粒平均尺寸約為3nm。經(jīng)過光譜分析測試表明，在290nm和430nm處分別有一個吸收峰和光致發(fā)光峰。第三，采用原位聚合法制備的 PbS量子點，在970nm處有一個光致發(fā)光峰，經(jīng)謝樂公式計算顆粒平均尺寸約為10nm。第四，采用水相法合成了水溶性PbS量子點。光譜分析表明，在800nm和960nm處分別存在一個吸收肩峰和光致發(fā)光峰。第五，采用單一的有機鹽為前驅(qū)體合成水溶性CdS量子點。得到結(jié)晶度很好的立

6、方相 CdS量子點且顆粒平均尺寸約為3.5nm。光譜測試表明，在445nm和470nm處分別有一個吸收峰和光致發(fā)光峰。
　　然后，將制備好的量子點復(fù)合到SBA-15中制備成復(fù)合粉體。兩相法制備的油性 PbS與 SBA-15粉體經(jīng)高速磁力攪拌、旋蒸、熱處理后得到PbS-QDs/SBA-15復(fù)合粉體；原位聚合制備的PbS/SBA-15粉體，采用Ar/H2混合氣氛保護(hù)于管式爐中煅燒去除(3-疏基丙基)三甲氧基硅烷獲得PbS/SBA-15

7、復(fù)合粉體；CdS量子點不經(jīng)過提純直接與SBA-15粉體調(diào)成糊狀攪拌5h，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除乙醇和硫脲得到單一的CdS/SBA-15復(fù)合粉體。
　　最后，將獲得的復(fù)合粉體經(jīng) SPS燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)成玻璃。得到了良好分散性的、保持很好結(jié)晶度的、顆粒尺寸為8nm的PbS量子點玻璃。量子點玻璃在789nm處有一個光致發(fā)光峰，當(dāng)復(fù)合濃度為0.3wt％時光致發(fā)光強度達(dá)到最大。量子點玻璃的維氏硬度隨著量子點復(fù)合濃度的增大而逐漸的降低。同時也得到了結(jié)晶

8、度良好的、單以分散性的、顆粒尺寸約為5nm的量子點玻璃。量子點玻璃在510nm左右有一個很窄的光致發(fā)光峰，譜峰的半高寬小于25nm，這是一個以往任何的量子點玻璃都不可及的重大突破。量子點玻璃的維氏硬度也隨著復(fù)合濃度的增大逐漸降低。
　　本文通過將化學(xué)法合成高質(zhì)量的量子點與 SPS燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，成功的制備出了PbS和CdS量子點玻璃。解決了以往量子點玻璃中濃度控制困難、顆粒尺寸分布寬、發(fā)光強度低的難題。同時在CdS量子點玻璃組裝成