量子点材料ppt课件.pptx

1 2 3 量子点的物理效应 量子尺寸效应通过控制量子点的形状 结构 尺寸 可以很方便的调节其能隙宽度 束缚能大小以及激子的能量蓝移等电子状态表面效应粒径减小 比表面积增大 表面原子数量增多 导致表面原子配位数不足 表面断键增多 使量子点活性增大 同时表面缺陷导致陷阱电子或空穴影响量子点的发光特性 4 介电限域效应由于量子点与电子的DeBroglie波长 相干波长及激子Bohr半径可比拟 电子局限在纳米空间 电子输运受到限制 电子平均自由程很短 电子的局域性和相干性增强 将引起量子限域效应量子隧道效应纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒 当电压很低时 电子被限制在纳米尺度范围运动 升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海 使体系变为导电 电子从一个量子阱穿越量子垫垒进入另一个量子阱就出现了量子隧道效应 5 量子点主要的性质 光学特性 量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制 通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区 以CdTe量子为例 当它的粒径从2 5nm生长到4 0nm时 它们的发射波长可以从510nm红移到660nm 6 7 量子点具有很好的光稳定性 量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料 罗丹明6G 高20倍 它的稳定性更是 罗丹明6G 的100倍以上 因此 量子点可以对标记的物体进行长时间的观察 这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具 8 量子点具有宽的激发光谱和窄的发射光谱 使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测 因而可用于多色标记 极大地促进了荧光标记在中的应用 此外 量子点具有窄而对称的荧光发射峰 且无拖尾 多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠 9 量子点具有较大的斯托克斯位移 量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移 这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠 有利于荧光光谱信号的检测生物相容性好 量子点经过各种化学修饰之后 可以进行特异性连接 其细胞毒性低 对生物体危害小 可进行生物活体标记和检测 10 量子点的荧光寿命长 有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒 这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当 而量子点的荧光寿命可持续数十纳秒 20ns一50ns 这使得当光激发后 大多数的自发荧光已经衰变 而量子点荧光仍然存在 此时即可得到无背景干扰的荧光信号多重激子效应 MultipleExcitonGeneration 简称MEG 可通过一个光子能量产生多个激子或电子空穴对 更加有效的利用太阳能 11 12 13 量子点的种类 量子点 一元量子点 C量子点 Si量子点 二元量子点 不含重金属的量子点 ZnO SiO2 含重金属的量子点 CdS PbS等 三元量子点 CdSexTe1 x CuInS2 14 碳量子点 CQDsorCDs 碳纳米材料家族的新秀 碳量子点是一类由碳 氢 氧 氮等元素组成 以sp2杂化碳为主的表面带有大量含氧基团 且颗粒尺寸小于10nm的准球型碳纳米粒子 具有高的载流子迁移率 良好的热学和化学稳定性以及环境友好性 价格低廉等无可比拟的优势 15 SiC量子点 新型SiC量子点荧光标记与成像材料是一种生物惰性陶瓷材料 具有生物相容性及光学性能优良等特点 采用化学腐蚀法制备碳化硅量子点由于工艺操作简单 可一步法实现量子点的表面修饰而成为目前制备碳化硅量子点的主流方法之一 16 ZnO量子点 氧化锌量子点作为一种半导体材料具备许多优越的特征 价带一导带的间隙较宽 3 37eV 激子结合能相当大 室温下大约60meV 无毒无害 成本低廉等等 这些优点使氧化锌是一种很有实用价值的发光材料 17 量子点的制备方法 量子点的合成方法包括外延技术 如MBE MOVPE LPE等 以及化学方法 如金属有机合成法 水相合成法 连续离子层吸附反应法 微乳液法 溶胶 凝胶法 溶剂热法 共沉淀法等等 其中金属有机合成法 水相合成法 连续离子层吸附反应法量子点晶体生长好 量子产率高 18 量子点的制备 量子点制备通常分为top down和bottom up两类 前者在晶体表面蚀刻而成 有立足于组成器件的优势 后者来自于化学制备 粒径和界面可由反应条件控制 界面还可以连接不同的化学基团 易于自组织 这种特点使它在生物体系标记方面大有所为成为可能 19 1 有机相合成法 主要是将有机金属前驱体溶液注射进高温配体溶液中 前驱体在高温条件下迅速热解并成核 接着晶核缓慢生长为纳米晶 简称TOP TOPO法 20 有机合成量子点示意图 21 这种方法缺点巨大很多原料都需要在标准的无氧无水下进行操作实验操作所需的氩气流动下的手套箱 是一笔不菲的开支高纯度的原料要求也不是一般的厂家所能生产的 22 需要用的金属化合物前驱体 如二甲基镉Cd CH3 2 具有相当大的毒性和自燃性 价格昂贵 在室温下不稳定 需要高压储存 反应时在注入时会爆炸性地释放出大量气体和热 因此 用Cd CH3 2的相关合成方法 并不适合大量的生产 23 2 水相合成法 经过人们十多年的研究 在水溶液中合成纳米颗粒已发展成为一种比较成熟的方法 研究人员采用各种巯基化合物 如巯基酸 巯基醇 巯基胺以及巯基氨基酸等小分子作为稳定剂 在水溶液中 100 的条件下晶化生长CdTe荧光纳米颗粒 24 与有机相合成相比 水相合成具有操作简单 成本低 毒性小等优势 而且无需进一步的表面修饰即可应用在生物医学领域 25 传统水相加热回流法 26 27 但是这种方法 由于水的沸点较低 不利于晶体结晶生长 这样合成的荧光纳米颗粒表面缺陷较多 体现在光学性质上 其荧光光谱的半峰较宽 量子产率不高 因此 需要后处理来提高纳米颗粒的质量 28 3 高温水热法 高温水热制备方法不仅继承了传统水相法的优点 而且克服了水相法中回流温度不能超过100 的缺点 由于制备温度的提高 使得量子点成核和生长所需的时间明显缩短 制备得到的量子点表面缺陷也显著减少 表现为量子点的荧光量子效率有较大提高 29 4 微波辐射法 微波辐射法具有以下优点 升温速度快温度梯度小选择性加热等微波合成反应时间极短量子点尺寸更均匀量子产率更高微波法制备水溶性量子点有不可取代的地位 30 31 5 室温水相 2011年 吉林大学DingZhou等人发明了一种在室温下制备水相CdTe量子点的方法 他们在水合肼的环境中常温下就可以合成表面修饰 琉基乙酸 巯基丙酸 琉基乙胺 硫代甘油 谷肮甘肽 半胱氨酸 蔬基苯甲酸及带疏基的环糊精 的CdTe量子点 32 只需要通过调整试剂的配比和加入速度就可以制出不同发光波段的量子点 试剂加入的顺序是实验成功的重要条件易实现工业化生产 33 控制反应时间就可以得到突光发射从绿光到红光的量子点其量子效率与高温回流法制得的量子点相当实验操作简单 在整个过程中不需要氮气保护 而且具有普适性 为今后室温制备其他II VI族量子点奠定了很好的基础 34 35 36 Figure2 TEMandHRTEMimagesoftheas preparedCdTeQDsrespectivelywiththeemissionat a 532 b 559 c 590 and d 620nm 准球形粒子 和之前报道的水溶性量子点一致QD越小 带宽越大 吸收峰蓝移 37 存放两小时之后 就可以合成从绿光到红光的CdTe在初始粒子尺寸急速变化后 量子点的生长几乎就终止了 即随时间延长 吸收峰值不会大幅改变 如图4a 由于对时间不需要严格控制 所以这对商业化重复性合成量子点是非常有利的 38 6 微乳液法制备量子点 目前 微乳液法制备 半导体纳米粒子中使用较多的是AOT作为表面活性剂 微乳液法制备的都是单一结构的半导体纳米粒子 所以一般很少用到 39 7 连续离子层吸附反应法 连续离子层吸附反应法综合了化学浴沉积和原子层外延法的优点 可用于制备不溶性离子或离子价化合物的多晶或外延薄膜 具备成本低廉 制备工艺简单 材料便宜 可实现低温制备等特点 薄膜厚度和成膜速率易于控制等特点 40 连续离子层吸附反应法的机理 衬底沉浸到其中一中前驱液中 具有较强吸附力的离子吸附到衬底上 该过程称为吸附阶段衬底沉浸在另一种前驱液中 已经吸附的离子与溶液中的另一种离子发生反应形成化合物 这个过程称为反应阶段 41 通过连续离子层吸附法制备Hg掺杂的PbS的示意图 42 量子点的应用 在生命科学中的应用QDs特殊的光电性质使其在分子生物学 细胞生物学 基因组学 及蛋白质组学等方面具有极大的应用前景 制备的功能化的量子点探针能清晰的分辨肿瘤细胞 有望疾病诊断和治疗的有效材料 43 44 45 产品质量检测方面的应用通过修饰QDs的表面活性基团 相转移 紫外光照复合等过程 使得量子点沉积在指纹纹线上 从而清晰显现指纹图像 应用在分析产品质量测定金属离子及药物含量 为质量安全控制体系做出重要贡献 具有成本低稳定性好等特点 46 在光电学元器件中的应用QDs采用其光致发光性能 在GaN基LED中作为光转换层 采用其电致发光性能 将其用于量子点发光 为其在光电器件LCD等的应用提供基础 半导体表现出很强的尺寸效应和量子限域效应 使其具有增强的三阶非线性光学性能 在光信息存储及光通讯快速开关器件上显示出广泛的应用前景 47 在太阳能电池和光催化领域的应用 族化合物多为直接窄带隙半导体材料 与太阳光谱匹配 且吸光系数大 是性能优异的太阳能电池光吸收层材料 提高光电