CdTe纳米复合材料的应用研究进展

1、CdTe 纳米复合材料的应用研究进展李静(北京化工大学 理学院, 北京 100029摘要:CdTe 纳米晶在光、电、磁、催化等方面都表现出优良的性质,成为研究的热点。将 CdTe 纳米晶以某种形式与其他材料复合起来能实现从纳米材料到功能器件的转化。纳米粒子的引入 不仅可以显著提高复合材料的力学性能 , 而且可以赋予其许多特殊性能和功能,介绍了近年来半 导体 CdTe 纳米晶复合材料在光学、电学、生物探测等方面的研究进展。关键词:CdTe 纳米晶;复合;应用研究进展中图分类号:O644. 17; O627.61 文献标识码:A1 引言纳米微粒是一种零维纳米材料, 是指尺 寸在纳米级的金属或半导体

2、材料的细微颗 粒,其尺寸范围在 1-100 nm。它们是介于体 相材料与分子间的物质状态, 展示出许多特 殊的光、电、磁、催化等性质。纳米晶是一 种特殊的纳米微粒, 它们具有类似体相晶体 的规整原子排列, 而普通纳米微粒的原子排 布通常是杂乱的。半导体纳米晶由于 具有量子尺 寸效应 1, 量子限域效应, 表面效应, 小尺寸效应, 以及宏观量子隧道效应, 使其呈现出许多优 异的光谱特性。 II- VI 族半导体纳米晶以优 良的光学、 电学性能及巨大的应用前景被人 们所注意 2-3。其中由于 CdTe 半导体纳米晶 具有很高的发光效率,且有强的光电稳定 性, 可以改变纳米晶尺寸的大小在可见光区 实

3、现从绿光到红光的颜色变化 4,所以对纳 米晶进行适当的表面修饰 , 能够明显的提高 其化学、光学及催化性 , 从而成为研究的热 点。CdTe 纳米晶在光、 电、 磁、 催化等方面 都表现出优良的性质, 但纳米晶大的比表面 积决定了它们的不稳定性, 必须将纳米晶以 某种形式与其他材料复合起来, 才能实现从 纳米材料到功能器件的转化。 另外, 与其他 材料的复合还能实现材料间功能性的集成。 纳米粒子的引入不仅可以显著提高复合材 料的力学性能, 而且可以赋予其许多特殊性 能和功能,如光学非线性、铁电效应、光电 效应、铁磁效应与阻隔性、阻燃性、抗老化 性等, 其应用领域极为广泛 , 因而纳米复合材 料

4、的研究成为目前材料科学研究的热点。 本文主要就近年来半导体纳米晶 CdTe 复合材料在光学、 电学、 探测器等方面的研 究进展进行评述。2 CdTe/CdS核壳和蛋白分子偶联的光 学性质及应用量子点与蛋白质偶联往往会对量子点 荧光产生一定的影响。 量子点与蛋白质无论 是静电吸附还是共价连接, 由于量子点、 蛋 白质的浓度是固定不变的, 所以测得的紫外 -可见吸收光谱的强度都没有发生明显的变 化, 然而荧光都有显著增强。 为了研究增强 的机制, 对其进行了时间分辨荧光光谱的测试, 检测荧光峰位的衰减。 量子点的荧光寿 命在连接蛋白质后都有所增加。 参考之前对 量子点平均寿命的计算 5,发现平均寿

5、命从 23 ns (CdTe/CdS核壳量子点 分别增加到 30 ns (共价连接 和 37 ns(静电吸附 ,从而证明 偶联蛋白后量子点的荧光增强是由于蛋白 质对量子点的表面修饰, 降低了无辐射跃迁 的几率 6。不同的是由于共价连接会在一定 程度上对量子点的表面配体有所影响, 因此 对量子点的发 光增强不 如静电吸附 明显 ; 而且量子点与蛋白质经过共价连接 , 一个蛋 白可能结合多个量子点, 拉近量子点之间距 离,导致量子点之间的偶极相互作用增强, 荧光峰位红移 7;量子点与蛋白质经过静电 吸附后表面电荷降低,荧光峰位蓝移。 这在生物分析中也显示了重要的应用, 陈启凡 8等研究了半胱胺酸包

6、覆的 CdTe 量 子点表面的游离氨基官能团与 DNA 直接通 过静电吸引结合。 同时伴随着明显的荧光强 度增强和稳定性的提高, 有利于结合量子点 的 DNA 作为荧光探针用于生物探测。 Wang 9等 人 用 改 性 的 卵 清 蛋 白 修 饰 CdTe 量子点使其荧光强度有很大的提高, 荧 光波长有明显的蓝移。具体方法是将 CdTe 量子点用丙酮沉淀 , 然后加入不同的改性的 卵清蛋白 , 溶液总量仍然保持在 3 mL ,最后 在 70保持半个小时, 这个方法为量子点的 生物分析提供了有利的帮助。3 半导体纳米晶 CdTe 与聚合物复合 用于电致发光器件层状自组装技术 (LBL是构筑纳米尺

7、寸 超薄膜的有效方法 , 基本原理是利用超分子 之间的相互作用进行一层一层的组装, 每个 单层的厚度仅有几个纳米, 可以实现不同构 筑单元间的充分接触及光电转换 10。 本实验 室长期从事静电自组装的研究工作 :将高分 子与有机染料进行自组装, 制得光致发光材 料 11,12; 用含香豆素的阳离子聚合物与全氟 磺酸阴离子进行静电自组装研究 , 制备薄膜 发光器件 13,14。CdTe 与导电聚合物的复合综合了聚合 物的机械 , 光电性质和半导体纳米晶的荧光 性质。 因此复合物根据 CdTe 纳米晶尺寸的可 调 性 质在 光电 器件 中具 有 潜在 的应 用 。 C.Lesser 17等用层接层

8、自组装方法将具有强 荧光的 CdTe 纳米晶分别与三种不同的聚电 解质聚 乙烯 亚胺 (PEI、聚 烯丙 胺盐 酸盐荧光半导体微晶提供高光谱纯度和优 良的发光量子效率 , 这些性质都来源于纳米 晶的量子限域效应, 但是这种效应也减小了 纳米晶的载流子传输能力, 当纳米晶包埋到 聚合物中后这种传输能力会进一步下降。 所 以大多数含 有纳米晶 的工作场 都达到 107 Vm -1或者更高。E.Diego 22等研究了纳米粒子 /聚合物 复合材料的发光二极管。聚合物 PDDA 和 CdTe 纳米粒子复合的多层膜被夹在铝电极 和氧化铟 锡 (ITO电极之间形 成三明 治形 状,其中多层膜用层接层自组装

9、的方法制 备,不同材料的厚度分别为铝 35 nm ,多层 膜 220 nm, ITO 130 nm。每个基板以活动面 积为 4mm 2的达到 6个完全 相同的独 立器 件。该器件最大电流为 25 A ·cm -2,实 际电压为 4 V (或者 107Vm -1 , 并对两个不同 区域铝多层膜结构 (P1 , 氧化铟锡多层膜结 构 (P2进行了研究。4 CdTe与生物大分子的复合用于生物 探测Maoquan Chu 等 23用快速喷射干燥和 热蒸发的方法制备量子点微球体, 他们成功 地将非水溶解性的牛血清白蛋白 (BSA微球 与 CdTe 纳米晶混合, 并且其微粒尺寸大小具 有可控性,

10、 但是 CdTe 的荧光效率与原来相比 有所下降。另外, C.Kirchner 24等利用纳米 粒子的细胞毒素对细胞培养物的影响, 研究 了细胞毒素的聚合物胶囊和承载 CdTe 荧光 粒子的聚合物胶囊。聚合物胶囊直径 5um , 由 PSS 和 PAH 交替组成 8-10层,包埋有 CdTe 纳米粒子的聚合物胶囊比没有包埋 CdTe 的 聚合物胶囊显示了更强的细胞毒素作用。 我 国的林章碧 25等将 CdTe 与生物分子木瓜蛋 白酶通过静电作用连接, 研究发现结合后木 瓜蛋白酶仍然保持其生物活性, 该文所用的 简单可行的半导体纳米晶 CdTe 标记生物大分子的方法, 也可用于其它表面带电荷的无

11、 机纳米材料。这种新类型的纳米粒子 -生物 分子结合在细胞表面标记, 细胞跟踪研究以 及其它的成象软件上有潜在的应用。此外, 单一的 CdTe 纳米晶在探测器方面 也有广泛的应用, CdTe 探测器具有高的射线 吸收效率 , 探测效率高 , 能量分辨率好 , 可在常 温下使用的特点 , 在 X 线成像、 核医学成像、 核探针等方面的应用具有广阔的前景。 在小 面积数字平板探测器和小型 相机开发成 功的基础上, 可以按临床需继续开发不同功 能的医疗设备,如齿科全景机 , 用于对肿瘤、 炎症的鉴别 ; 乳腺摄影机 , 用于对乳腺癌变的 早期确诊等。目前正在利用 CdTe 探测技术 开发 X-CT

12、型探测器和较高能量的探测器。 5 展望半导体纳米晶 CdTe 的研究作为迅速发 展中的新领域, 由于具有独特的光电性质使 其具有广阔的发展前景。 将半导体纳米晶与 聚合物材料的复合应用于电致发光器件, 通 过改变 CdTe 的尺寸大小可以实现器件颜 色在可见光区范围内可调, 并且可获得窄谱 带的发光, 这为进一步实现电致发光器件的 功能化开辟了道路。 但是这种发光器件的稳 定性还有待进一步的提高。 另外, 用各种不 同的方法将水溶性的半导体纳米晶 CdTe 与 高分子聚合物进行复合, 制备新兴的半导体 纳米晶 /聚合物发光材料。半导体纳米粒子 的引入提高了复合材料的力学性能, 并为制 备多种发

13、光颜色的固体荧光材料赋予许多 的特殊性能和功能。 同时半导体量子点与生 物大分子的复合用在生物医学中也是一个 值得高度重视的新领域。人们有理由相信, 在不久的将来 , 以半导体纳米晶为基础的发 光器件和固体荧光材料会逐渐走向实用化, 并大大改变人们的生活。参考文献:1 Michalet X, Pinaud F F, Bentolila L A, etal.Thoughtfulpeer review is worth the time it takes J.Nature 2005,307, 538.2 Tang Z Y, KotovN A, GiersigM.Spontaneous Organi

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