论文总字数：20019字

摘 要

量子点具有光电性能突出、制备手段简易丰富、生物相容性好等突出特点，在许多领域拥有广阔的应用空间，而合金量子点作为其中重要的组成部分，更拥有许多独特突出的性能。本论文分别采用水浴加热法与冰浴法制备L-半胱氨酸包裹的CdSeTe三元合金量子点，通过红外光谱与荧光光谱比较两种方法的优劣以及对产物的性质进行定性，得到激发峰与发射峰在可见光区的量子点。结果表明，L-半胱氨酸成功覆盖于量子点上；通过荧光分光光度计的检测，得到产物性能基本同预期一致的结论。比较两种方法制得的量子点，得到冰浴法制备量子点更加优异的结论。

关键词：三元合金量子点 CdSeTe L-半胱氨酸

Abstract

Quantum dots have the advantages of excellent optical properties and electrical properties, simple and rich means of production, high biocompatibility, multi-application mode and so on. Quantum dots have a wide range of applications in many areas, and alloy quantum dots as an important component, but also has many unique outstanding performance. we attempt to improve the fluorescence performance of quantum dots in order to achieve a more stable, more efficient and less external-environment-affected new type battery. In this work, we respectively used water bath heating method and ice bath method to prepare L-cysteine-coated CdSeTe alloy quantum dots. The advantages and disadvantages of the two methods were compared by infrared spectroscopy and fluorescence spectroscopy, and the quantum dots of the excitation peak and the emission peak in the visible region were obtained.The infrared spectra were observed to determine that L-cysteine successfully overlaid on the quantum dots; by observing the fluorescence spectrum, the product performance is basically the same as expected. Comparing the quantum dots prepared by the two methods, the quantum dots prepared by the ice bath method are more excellent

Key words: alloy quantum dots CdSeTe L-cysteine

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 量子点的概述 1

1.2量子点的制备方法 2

1.2.1有机相化学反应法 2

1.2.2水相体系化学反应法 2

1.3 量子点的应用 3

1.3.1量子点在生物医学上的应用 3

1.3.2量子点在新型催化机理上的研究 3

1.3.3量子点在光电器件上的应用 3

1.3.4新型太阳能电池的研究与发展 4

1.4本论文的选题思路和主要工作 5

第二章 实验部分 6

2.1 实验材料与仪器 6

2.1.1 材料 6

2.1.2 仪器与设备 6

2.2 实验内容 7

2.2.1水浴加热法制备量子点 7

2.2.2冰浴法制备量子点 8

第三章 实验结果与讨论 9

3.1表征方法及其原理 9

3.1.1红外光谱分析法 9

3.1.2荧光光谱分析法 9

3.2实验结果总结与分析 10

3.2.1实验现象总结 10

3.2.2红外吸收光谱分析与讨论 10

3.2.3荧光光谱分析与讨论 11

第四章 结论与展望 16

4.1结论 16

4.2展望 16

参考文献 17

致谢 22

第一章 绪论

1.1 量子点的概述

量子点（quantum dots，简称QDs）是一种特殊的纳米材料，又称为半导体纳米晶（semiconductor nanocrystal），是一种三维原子团簇，其通常是由Ⅲ-Ⅴ（如InP, InAs, GaAs等）族或Ⅱ-Ⅵ族（如CdTe, ZnS，CdSe, CdS等）元素组成的直径在1~20nm之间半导体纳米颗粒^[1-5]，其物理性质相似于单一原子，被称为“人造原子”，在水中稳定存在，能够受到可见或紫外光激发而发射出荧光。由于其颗粒微小，以纳米为单位测量，而通常来说，相同体积的物质越细分表面积越大，这就能够产生一系列有关大表面积的优点，量子点不只是拥有着普通纳米材料物质的通性，也有着优异的光学与电学性能，包含光谱激发峰宽度较宽、发射峰宽度较窄、量子产率相比普通的光电敏感材料更高、发射峰位置可调节、stocks位移大、荧光存在时间较长等诸多优良的光学性质^[6-9]。将光致发光量子点作为光电化学生物燃料电池电极的新选择是对生物燃料电池研究的又一重大创新。

在二十世纪末，国际上刚刚开始量子点的研究，而那个时候对这种新型材料的应用大部分体现在光电子等物理性能的方向，如光电子配件^[10-11]、量子点激光器^[12-13]和量子晶体波导^[14-15]等等。但这些年来，科研人员对于量子点的研究和理解已经越来越系统，应用也已经越来越多：在生物功能化方面，生物活体组织或病态器官的标记、成像、传感等方面，量子点正慢慢地开始了临床使用^[16-17]；在新型器件方面，出现了以量子点技术为基础的量子点颜色可调激光器；在绿色能源方面，已经开始有用量子点太阳能电池尝试更换传统光伏太阳能电池的尝试；在绿色化学方面，已经有很多研究者开始在意量子点的光电化学应用以及其理论模型，希望可以研发出效率更高，污染更少的化学工业生产链条。

1.2量子点的制备方法

量子点的制备方法主要有化学法、物理法、物理化学法等。物理法有：机械粉碎法、蒸发凝结法、离子溅射法、干燥冷冻法等方法。物理化学法有：激光诱导的气相化学反应的方法、等离子加强的气相化学反应的方法等^[18]。化学法有：气相化学反应法：该方法利用极易分解或极易分散于空气中的有机物或无机物与金属反应的产物，在不与主反应进行竞争反应的气体氛围下，通过一些剧烈的物理和化学变化，降低反应体系温度，使反应产物加速凝聚、沉降，形成量子点。液相化学反应法：按照制备过程的不同介质，可分为有机相化学反应法和水相化学反应法。

1.2.1有机相化学反应法

该方法制成的量子点材料粒径均匀、尺寸分布窄、荧光强度大、量子产率高、荧光发射覆盖范围广，但由于其是在有机溶剂中，特别是一些带有疏水基团的有机溶剂，导致量子点表面覆盖一层疏水有机物，在后续处理和与亲水分子结合时有较大困难。该方法主要是通过在相关的有机溶剂中制备能够在高温被分解有机金属化合物，通过进一步提高温度制备量子点材料^[19-23]。

1.2.2水相体系化学反应法

水相体系法的主要原理是通过在前驱体溶液中直接加入巯基配体作为稳定剂和连接剂在水浴温度下反应得到^[24-28]。主要包括共沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法等等。目前，水相反应中常用的稳定剂包括巯基酸（如二氢硫辛酸等)、巯基醇(如巯基甘油醇等)、巯基胺(如巯基丙胺、半胱胺等)以及其他一些含有巯基的小分子(如谷胱甘肽) 等。虽然水相法制备的量子点平均质量不如有机相制备，但由于其水溶性好、稳定性好、条件温和、操作简单、成本低廉、表面拥有亲水基团便于与酶等生物催化剂相连，使其更受科研人员青睐。

1.3 量子点的应用

随着纳米材料科学的在最近几十年的高速发展与进步，该学科与有机高分子、生物医学、电子学、光学等不同的前沿学科不断交叉结合，形成了一系列拥有各自特点特色有彼此联系的交叉学科。而量子点因其出色的物化特性，在最近二十年内逐渐显示出了其极其优秀的研究价值与应用前景。

1.3.1量子点在生物医学上的应用

因为量子点与其他纳米材料相比，无论是在光电性能方面，还是在生物相容性方面，都有无可辩驳的巨大优势，因此如何使这两种优秀性能在检测与治疗疾患方面有所作为，便成为了量子点生物应用所要研究和解决的主要问题。自从1998年Nie组^[16]与Alivisatos组^[17]做出了有关CdS@ZnS量子点对活细胞进行生物标记，解决了量子点表面修饰基团同生物大分子偶联的问题后，经过了近二十年的发展，量子点在细胞成像、荧光标记、活体成像、电学传感等诸多方面有了重大突破与创新，将量子点在生物医学领域的使用从理论上与实验室中推向临床的新阶段。

1.3.2量子点在新型催化机理上的研究

近几年来，随着绿色化学理念的提出，如何建立一整套成熟稳定的新型环保化学工业体系成为科学界研究的热点之一，而其中的关键就是寻找环保、经济的新型催化剂。而拥有优异光电化学性能、良好的化学稳定性与的比表面积优势的量子点就成了新型催化剂与新型催化机理研究的新选择。在光催化方面，尤其是在带隙能量、化学成分与表面改性方面^[29-32],量子点拥有着广泛的应用基础。如Ming组^[33]通过电化学方法合成碳量子点，并与TiO₂结合形成CDs/TiO₂催化染料甲基橙的光解，Yu组^[34]在可见光与室温的条件下用量子点复合材料光催化降解有毒气体（苯和甲醇）等。

1.3.3量子点在光电器件上的应用

由于量子点的中低密度态以及能级尖锐化导致的量子点结构对载流子产生的三维量子限制效应的影响，量子点材料的非线性光学效应比一般纳米材料要更加显著，而这些则是新一代固态量子器件的性能基础，这些非线性光学效应使量子点在未来的纳米电子学、光电子学以及超大规模集成电路等方面具有极为广阔的应用前景。

1.3.4新型太阳能电池的研究与发展

随着经济不断地发展和社会分工的不断细化以及科学技术进步，人类文明的发展对能源的需求的迫切程度一天比一天严重，不可再生能源能源面临枯竭的问题早已经引起了全球科学界的广泛关注。在现在社会，人们能够应用的能量资源的来源绝大多数为炭、焦油、可燃气等化石燃料，而这些化石燃料在地球上的储量本就不多，而这些通过千百年转化的燃料的燃烧也会导致环境的污染^[35]。因此，寻找新型的能源使用方式，提高能源利用效率，开发利用绿色清洁能源与可再生能源成为当今科学界关注的重要问题与首要任务。在各种研究中，光电化学新型电池以其独特的优势引起了社会的注意，尤其是有别于传统光伏太阳能电池的量子点太阳能电池更是大放异彩，借助其简单的合成过程、较高的消光系数、特殊的催化效应、超过Shockley-Queisser极限（31%）的理论光电转化率（44%）^[36-38]等独特优势,得到了全社会与科学界的关注与重视。

量子点太阳能电池主要包括肖特基量子点太阳能电池、耗尽异质结太阳能电池、有机-无机杂化太阳能电池以及量子点敏化太阳能电池(QDSCs)^[39-43]等。尽管量子点太阳能电池的理论效率很高，但是就目前而言，其转化效率远远达不到这个标准，甚至有些还低于传统光伏电池，因此，如何进一步提高量子点太阳能电池的光电转化效率、提高能量利用率便是今后此种新型电池应用的主攻目标。

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