论文总字数：22933字

摘 要

本研究采用一种环境友好型试剂N-乙酰-L-半胱氨酸为配体，通过水相合成法，制备具有不同光学性质的CdTe半导体纳米晶。考察配体含量和反应时间对CdTe半导体纳米晶光学性能的影响。光谱分析证明通过调节回流时间，可获得可见光区域（绿、黄、橙、红）荧光发射的CdTe纳米晶。CdTe纳米晶的粒径随着反应时间的延长而增大，量子产率则随着回流时间的延长呈增大趋势。通过XRD、TEM、UV-vis、PL等分析手段研究了CdTe量子点的形貌、晶型结构与光学性能。XRD和TEM分析表明CdTe纳米晶为立方晶型构型。此外，在已合成的CdTe纳米晶基础上，我们进一步合成了CdTe/ZnS纳米晶，可进一步提高纳米晶的荧光量子产率和稳定性。并且将红光CdTe/ZnS纳米晶和黄光荧光粉应用到白光LED的制备。

关键词：半导体纳米晶 光学性能 LED应用

Preparation and application of NAC-capped CdTe/ZnS core-shell nanocrystals

ABSTRACT

This research adopted a kind of environmental friendly reagent n-acetyl - L - cysteine as ligands, and prepared CdTe semiconductor nanocrystals with different optical properties by aqueous-phase synthesis. Content of ligand and reaction time had a significant impact on the optical properties of CdTe semiconductor nanocrystal.Spectrum analysis showed that different fluorescence emission (visible light region :green, yellow, orange and red) CdTe nanocrystals can be obtained by regulating reflux time.The size of CdTe nanocrystals increased with the extension of reaction time, quantum yield showed a trend of increasing as the extension of reflux time.By XRD, TEM, UV - vis, PL and time-resolved fluorescence decay graph analysis methods ,We studied the the morphology, crystal structure and optical properties of CdTe quantum dots. XRD and TEM analysis indicated that CdTe nanocrystals was cubic model configurations.In addition, based on the as-prepared CdTe nanocrystals, we further synthesized CdTe/ZnS nanocrystall which can further increase the quantum yield and stability.And the red light CdTe/ZnS nanocrystal and yellow phosphor was applied to the preparation of white LED.

Key Words：Semiconductor nanocrystals；optical property；LED

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2半导体纳米晶的分类 1

1.2.1 元素量子点 1

1.2.2二元半导体纳米晶 2

1.2.3 多元化合物量子点 2

1.3 半导体量子点的性质 2

1.3.1 量子限域效应 2

1.3.2表面效应 3

1.3.3 量子遂穿效应 3

13.4 量子点的光学性质 4

1.4半导体量子点的制备方法 4

1.4.1 有机相合成法 4

1.4.2 水相合成法 6

1.4.3 界面法 8

1.5半导体量子点纳米晶在固态发光器件中的应用 9

1.6 本课题的主要研究工作 9

第二章 实验部分 11

2.1 实验原料 11

2.2 主要仪器和设备 11

2.3实验方法 12

2.3.1 NAC包覆的CdTe纳米晶的制备 12

2.3.2 NAC包覆的CdTe/ZnS核壳纳米晶的制备 13

2.3.3 大功率型白光LED的制备 13

2.4表征手段 13

2.4.1荧光分光光度计(PL)： 13

2.4.2紫外-可见光分光光度计(UV-vis)： 13

2.4.3傅里叶红外/拉曼光谱分析仪(FT-IR)： 14

2.4.4 X 衍射仪(XRD)： 14

2.4.5透射电镜(TEM)： 14

2.4.6 LED光谱分析： 14

第三章 实验结果与讨论 15

3.1 CdTe量子点溶液的形成机理 15

3.2 CdTe纳米晶的形貌与晶型结构分析 16

3.3 CdTe纳米晶的TEM分析 16

3.4 CdTe纳米晶的FTIR分析 17

3.5 CdTe纳米晶光学性能的影响因素 18

3.5.1 NAC/Cd2 摩尔比对CdTe荧光性能的影响 18

3.5.2反应时间对CdTe纳米晶的光学性能影响 19

3.6 CdTe/ZnS纳米晶光学性能和稳定性研究 21

3.6.1 CdTe/ZnS纳米晶光学性能的研究 21

3.6.2 CdTe/ZnS纳米晶稳定性的研究 22

3.6.3大功率型白光LED 23

第四章 结论 24

参考文献 25

致谢 28

第一章 文献综述

1.1引言

纳米材料学，作为材料科学最富有活力和研究内涵的一大分支，成为科学研究热点。纳米材料一般指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100 nm)的材料。纳米材料一般定义为三维空间尺寸中至少有一维的尺度在1~100 nm之间的材料。因此，按照维数划分，可将纳米材料分为三类：1、零维 (0 D) 纳米材料，即三维空间尺寸都在1~100 nm之间的材料，又可称为纳米粒子 (Nano Particle) ，如量子点 (Quantum Dot) 、原子团簇 (Radical Cluster) 等；2、一维 (1 D) 纳米材料，在两个维度上为纳米尺度的材料，如纳米线 (Nano wire) 、纳米管 (Nano Tube) 、纳米棒 (Nano Rod) 等；3、二维 (2 D) 纳米材料，仅有一个维度落在1~100 nm之间的材料，又可称为纳米膜 (Nano Film) ，如超薄膜 (Ultrathin Film) 、超晶格 (Supper Lattice) 等。在纳米材料家族中，半导体量子点纳米晶由于其在三维尺寸均被限制在纳米尺度范围内而表现出独特的光学、电学、磁学以及热学性能^[1,2]，因此被广泛应用于生物标记^[3,4]、光电设备^[5,6]、太阳能电池^[7,8]、以及传感器^[9,10]等领域。

1.2半导体纳米晶的分类

随着对量子点研究的不断深入，越来越多的元素和化合物被制备成量子点。根据量子点组成的不同，主要可以将量子点分为元素量子点和化合物量子点。

1.2.1 元素量子点

元素量子点主要是指量子点的主要组成为单一元素，常见的元素量子点主要有碳、硅和氮等。碳量子点是在研究碳纳米管的过程中被发现的^[7]，与其他半导体类似，有明显的光致发光现象。氮量子点则是进一步从含氮量较高的碳量子点发展而来^[8]。

1.2.2 二元半导体纳米晶

化合物量子点是由两种元素组成的半导体量子点，按其组成元素分类，可分为^[10-13]：（1）II-VI族量子点：这类量子点中的金属元素为IIB族的Cd、Zn等，而非金属元素为S、Se、Te等，主要包括CdS、CdSe、CdTe、ZnS和ZnSe等量子点。（2） III-V族量子点：这类量子点是由IIIA族的Al、Ga和In等与VA族的N、P、As等组成的化合物，如GaAs、InAs、InP等。这类量子点在激光器等光电器件中应用广泛。尽管这类量子点不含重金属，但是其湿法合成较II-VI族量子点更为困难，故采用外延生长法较多。（3）IV-VI族量子点：这类量子点由IVA族的Pb、Ge和VIA族的S、Se、Te等构成，如PbS、PbSe、SnSe等。该类量子点的禁带宽度一般较窄，通过调节其粒径可以使其带隙与太阳光谱匹配，提高对太阳光的吸收范围，在太阳能电池领域具有巨大的潜力。（4）氧化物量子点：如ZnO、CuO等，这类量子点制备简单，成本低廉，被广泛应用于电极材料、光催化等领域。

1.2.3 多元化合物量子点

这类量子点通常由两种以上的元素组成，非金属元素一般为VIA族的S、Se等，常见的有ZnxCd1-xS、ZnxCd1-xSe、CuInSe2、CuInS2等。这类量子点的带隙可以通过调节其中的元素比例来改变，其荧光可以覆盖整个可见光波段，可以被应用于太阳能电池等领域。

1.3 半导体量子点的性质

1.3.1 量子限域效应

当材料的某个维度逐渐减小，达到与电子的德布罗意波长可比的范围时，导致电子的波函数在该维度方向上局域化，只有在其他维度上才具有自由度，电子与空穴的态密度与能量的关系不再是三维体相材料抛物线型，两者的关系随着受限维度的增加，从体相的抛物线型转变为阶梯型，当材料在三个维度完全受限时，其态密度与能量的关系由连续最终变为离散，如图1-1所示^[14]。随着材料尺寸的变化，其性质也发生变化，这种尺寸相关的性质变化使得这些三维受限的量子点材料具有与体相材料相异的独特性质。

图1-1 半导体材料中态密度随材料维度的变化关系^[14]

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