量子点材料.pptx

,2019/11/7,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,2019/11/7,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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，,介电限域效应,由于量子点与电子的,De Broglie,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,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,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,。,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,。,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,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（,Multiple Exciton Generation,，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,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、SiO,2,),含重金属的量子点（,CdS、PbS,等）,三元量子点（,CdSe,x,Te,1-x,、CuInS,2,）,碳量子点（,CQDs or CDs,）,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,sp,2,杂化碳为主的表面带有大量含氧基团,，且,颗粒尺寸小于,10 nm,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,。,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。,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,(3.37 eV),激子结合能相当大,(,室温下大约,60 meV),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,。,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,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,。,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）,。,前驱体：二甲基镉,三辛基硒（碲、硫）磷,配体：,三辛基氧磷（,TOPO,）,注入,高温,（,200-600,）,CdTe,量子点,有机合成量子点示意图,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,需要用的金属化合物前驱体,（如二甲基镉,Cd(CH,3,),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(CH,3,),2,的相关合成方法，并不适合大量的生产。,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,。,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,。,传统水相加热回流法,CdTe,量子点,Al,2,Te,3,和,H,2,SO,4,H,2,Te,气体,Cd,金属盐和配体溶液,水溶性,CdTe,前驱体溶液,N,2,鼓入,将体系加热至,100,回流,晶核形成、生长,控制反应时间可得到不同粒径,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。,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,。,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,Te,粉,NaHB,4,CdCl,2,溶液,有机配体,（巯基乙酸等）,NaHTe,溶液,迅速密封，磁力搅拌，冰水中反应,迅速加入,转移至聚四氟乙烯内衬的消解罐中于微波消解仪中加热。（加热温度，升温速率，功率）,N,2,脱氧,调,PH,CdTe,前驱体溶液,CdTe,量子点,5.,室温水相,2011,年,吉林大学,Ding Zhou,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,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,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。,Figure 2.TEM and HRTEM images of the as-prepared CdTeQDs respectively with the emission at(a)532,(b)559,(c)590,and(d)620 nm.,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,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,4,a,）,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。,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。,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,。,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。,通过连续离子层吸附法制备,Hg,掺杂的,PbS,的示意图,量子点的应用,在生命科学中的应用,Q,Ds,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,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。,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,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，提高光电转换效率，有望实现太阳能电池的低成本化,.,同时，目前已研究开发带隙窄可被可见光有效激发的高活性光催化剂，用于分解水产氢研究，有效提高产氢速率而引起了人们广泛关注,环境科学方面的应用,利用不同物质包被,的,PbS,量子点，,开发不同离子和气体传感器广泛应用于检测环境有毒物质和内分泌,干扰素,的毒性，衡量环境污染物对,人和动物,和植物的影响，进行环境污染物定性定量分析方面研究，为,环境监测提供,新的方法和技术,谢谢大家,