多层核壳CuInS2/ZnS量子点的有机相合成的研究
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第42卷第6期 2014年3月 广州化工 Vo1.42 No.6 MaL 2014 Guangzhou Chemical Industry 多层核 壳CuInS2/ZnS 量子点的有机相合成的研究 刘明明,李(安徽大学化学4L_r-学院,安徽村 合肥230601) 摘 要:有机相反应体系中合成制备CuInS 量子点核壳结构,并对制备出的核以及核壳结构的材料进行表征。XRD结果显 示成功合成纯度高、晶形较好的CIS量子点;通过TEM可以观察到量子点形貌以及尺寸的变化;荧光光谱和吸收光谱则清楚表明 在反应过程中红移和蓝移情况以及量子效率的明显增加;最后,由光稳定性实验得出包覆了ZnS的CIS量子点稳定性得到提高。 关键词:有机相;CIS量子点;红移;蓝移;光稳定性 中图分类号:0614 文献标志码:A 文章编号:1001—9677(2014)06—0082—04 Study on the Organic Phase Synthesis of Multilayer Core—shell CuInS2/ZnS Quantum Dots LIU Ming—ruing,LI Curt (School of Chemistry and Chemical Engineering,Anhui University,Anhui Hefei 23060 1,China) Abstract:CuInS,quantum dots core—shell structure was synthesized in the organic phase reaction system and the prepared core and core—shell were characterized.XRD results showed that CIS quantum dots of high purity and good crystal form were successfully synthesized.Variations in morphology and size of the quantum dots can be observed by TEM.Fluorescence and absorption spectra clearly showed red and blue shift as well as a significant increase of quantum eficiency during the reaction process.Fifnally,photostability tests indicated that the stability of CIS quantum dots coated with ZnS was improved. Key words:organic phase;CIS quantum dots;red shift;blue shit;photostabiflity 量子点从2O世纪80年代发现以来,由于其优异的光电性 能引起了科研界和工业广泛的兴趣,各国投入了大量的人力和 物力进行量子点材料的研究,成为近二十年最热门的研究领域 之一。量子点最突出的性能之一“荧光性能”,与稀土掺杂荧 光粉相比量子点具有半峰宽更窄、颗粒小无散射损失和光谱随 尺寸可调等性能,而与有机荧光材料相比,具有较强的稳定 性。经过多年的发展,量子点的实验室制备技术已相当成熟。 CdSe/CdS/ZnS核壳量子点的量子效率可达80%一90%_l。 。 然而,由于量子点尺寸大多数为3—10 nm,表面积非常大,在 使用过程中易与空气中的氧和水作用,在表面形成多种缺陷, 从而使荧光发生萃灭。一直以来,科学家尝试改善量子点的稳 条件下反应合成出不同ZnS包覆厚度的CIS(CuInS )/ZnS核壳 结构的量子点,并对其光稳定性质进行研究。 1 实验部分 1.1试剂与仪器 碘化铜(Cu I,纯度99.95%)、十八烯(纯度90%)、油 胺(纯度80%~90%)、正十二硫醇(纯度98%),购自Aladdin 公司;醋酸铟(In“ (Ac) ,纯度99.99%),购自Alfa Aesar公 定性,比如通过不同种有机配体化学键结合于量子点表面形成 保护层,这种方法一定程度上增强了量子点的化学和光学稳定 性,但因为这种有机配体与表面金属离子的结合是一种平衡 态,在稀溶液中会发生离解离开量子点表面,从而产生悬空 键。第二常用的方法是包覆宽带半导体材料,不仅可以减少表 面缺陷,使量子效率提高,而这种半导体也作为保护层保护内 层发光的量子点核。不少研究者发现,壳层的厚度跟量子点的 稳定性是成正比关系的 J。 本文中,将在有机相体系中,利用十八烯作为溶剂,油胺 为’浯胜剂,CuI、In(Ac) 和正十二硫醇在惰性体系、温度230℃ 司;油酸(纯度90%),购自Aldrich公司;醋酸锌(zn(Ac) , AR)、甲苯(AR)、丙酮(AR)、甲醇(AR)等,均购自中国医药 (集团)上海化学试剂公司。 采用Bruker D8X射线衍射仪(铜靶, =0.15406 nm,加 速电压40 kV,扫描范围20。~90。,扫描步长0.02。)确定其晶 型结构及物相组成;JEOL2100 HR型透射电子显微镜(加速电 压200 kV,放大倍数最大为150 W倍)观察样品颗粒尺寸、样 品形貌以及分散情况;日立F一7000荧光分光光度计和T6紫 外可见分光光度计测试样品的荧光光谱和紫外吸收光谱。 1.2实验过程 1.2.1 CIS核的制备 称取0.095 6 g(O.503 2 mmo1)CuI、0.160 5 g(O.549 7 mmo1) 作者简介:刘明明(1989一),男,硕士研究生,就读于安徽大学材料工程专业。 通讯作者:李村,硕士研究生导师。 第42卷第6期 刘明明,等:多层核壳CuInS:/ZnS量子点的有机相合成的研究 83 In(Ac) 、量取60 mL正十二硫醇、40 mL十八烯、0.5 mL油 胺,置于250 mL三口烧瓶。鼓入氮气约20 min后,温度加热 至100 oC后维持约1 h左右,直至烧瓶中溶液变得澄清透明。 而后以13℃/min的速率升温至230 oC,开始计时,1 h后停止 反应,期间每隔5 min从反应容器中抽取少量样品,用甲苯稀 释后进行荧光发射光谱和紫外一可见吸收光谱表征,记录量子 点的生长过程。 1.2.2 CIS/ZnS核壳(Core/Shel1)的制备 (1)Zn(OA)2的合成 称取9.460 7 g(51.7 mmo1)Zn(Ac) ,量取150 mL油酸、 50 mL正丁胺置于250 mL烧瓶中,通入氮气约20 min后,搅拌 加热至120 oC。一段时间后,溶液澄清透明略带淡黄色,冷 图1 CIS量子点随时间变化的荧光和紫外一可见吸收光谱 却,备用。 (2)CIS/ZnS核壳结构的制备 取10 mL上述制备的CIS核溶液,另取30 mL十八烯、 0.8 mL上述制备的Zn(OA)2溶液置于100 mL烧瓶中,通入氮 气约20 min后升温至230 oC,反应1 h后调节注射器参数,注 射速度为0.3 mL/h,注射量为0.3 mL,反应完后取10 mL溶 液,为样品CIS/ZnS摩尔比1:6;依照此注射法,参数设置为 0.2 mL/h、0.1 mL/h,注射量为0.2 mL、0.1 mL,同样都取 10 mL溶液,样品分别为CIS/ZnS摩尔比1:8、CIS/ZnS摩尔 比1:10。 1.2.3荧光量子产率测定及光稳定性实验 为了避免自吸收效应 J,配制罗丹明B一6G、CIS核及样 品CIS/ZnS摩尔比1:10的吸光度同为0.01—0.1,测试其荧 光,根据荧光峰面积作出拟合曲线,计算出量子点荧光产率。 配制同浓度的一系列样品,将其置于0.1 A、58.1 V(5.81 W, 能量密度为0.115 w/cm )蓝光平面光源照射条件下,每隔一 段时间后取出1 mL样品稀释于甲苯中,测试其荧光光谱,作 出衰减曲线。 2结果与讨论 2.1 CIS、CIS/ZnS光谱表征 2.1.1 CIS核在不同合成时间点下的紫外吸收、荧光光谱表征 图1为不同反应时间下制备的CIS量子点的荧光发射光谱 和紫外可见吸收光谱。由图1可见,随着反应时间的延长,CIS 量子点的荧光光谱和吸收光谱均发生不同程度的红移,CIS量 子点在5 min的荧光峰位于670 nm左右,直至反应1 h后,峰 的位置红移至700 nm左右。随着反应时间的逐渐增加,CIS量 子点颗粒的尺寸随之增大,由于量子尺寸效应的存在,在图谱 上表现为逐渐红移;但体系反应至一定时间后,颗粒尺寸的增 大速率减小,谱线逐渐重合。由此,可以通过控制反应时间制 备出不同发射波长的CIS量子点。 600 650 700 750 800 WaveIength/nm Fig.1 Temporal evolution of PL and UV—Vis of CIS core 2.1.2 CIS/ZnS核/壳的紫外吸收、荧光图谱表征 选择ZnS作为壳层结构的材料,原因有如下几点:①ZnS 的能带带隙大(3.65 eV),并且与CIS量子点形成I型 ; ②ZnS与CIS量子点的晶体结构相近,晶格失配比比较小,仅 为2%~3%;③ZnS无毒,化学稳定 。 ∞ 1 1 l O 0 O O 0 500 550 600 650 700 750 Wavelength/nm 400 500 600 700 800 Wavelength/nm 图2 CIS/ZnS量子点随壳变化的荧光和紫外一可见吸收光谱 Fig.2 Shell evolution of PL and UV—Vis spectra of CIS/ZnS 图2为制备的不同壳层厚度CIS/ZnS的荧光发射光谱和紫 外可见吸收光谱。由图2可见随着注入ZnS量的增加,CIS/ZnS 的荧光光谱和紫外吸收光谱发生蓝移,这与文献中的报道是相 同的 ,其蓝移主要是因为在包覆ZnS的过程中,zn离子逐渐 向CIS迁移而形成CuInS::ZnS合金结构,隙带变宽。但随着 时间增加蓝移程度逐渐减小,因为zn离子的迁移随核壳内外 zn离子浓度差减小而变缓。同时随着ZnS继续包覆,量子点的 荧光强度也不断增强。 根据文献报道中,量子点荧光量子产率的计算公式 。。: k…/∞, 、2 Q =Q ・ “Dye\叼e{ ^ 0 / l 式中: ——有机荧光染料(本实验选择罗丹明B一6G作 广州化工 2014年3月 为标准物) ——根据一系列吸光度测试出的荧光峰面积作出 拟合曲线的斜率 田——折光率 由以上公式计算出,CIS核量子点的量子产率为1.90%, 而CIS/ZnS=1:10的量子产率为23.61%,提高约12倍。因 为量子点的光学特性依赖于其表面特性,而实际合成出的量子 点表面存在大量缺陷,会发生电荷载体无辐射重组,严重影响 荧光量子产率,当其表面包覆ZnS壳层结构后,不仅减少表面 阴、阳离子缺陷,而且还产生新的纳米晶体 ,极大增强量子 点的荧光量子效率。 2.2 CIS、CIS/ZnS量子点形貌及结构表征 图3 CIS量子点的XRD图谱 Fig.3 X—ray diffraction patterns of CIS QDs 图3为CIS核和CIS/ZnS Core/Shell=1:10的XRD图谱。 CIS核XRD图谱上出现三个明显的尖锐、高强度的窄峰,比对 PDF卡片之后,确认成功制备出高纯度、晶型较好的CIS量子 点。根据Scherrer公式: D: K A 式中: 衍射角 A——x射线波长,即0.154056 Fin Scherrer常数,若B为衍射峰的半高宽,则 K:0.89 B——衍射峰的积分高宽, 则K:1,B为实测样品 衍射峰半高宽 计算得CIS量子点核粒径为3.33 nm,CIS/ZnS核/壳粒径 为4.27 nm,CIS核约包覆3层ZnS。由于CIS量子点表面成功 包覆数层ZnS,比较CIS核与CIS/ZnSXRD图谱,可以明显看 出CIS/ZnS峰位偏向于ZnS峰位。为了更加全面的观察反应过 程中,量子点微观结构以及形貌的变化,进行了TEM测试。 图4为量子点CIS核(a)与CIS/ZnSCore/Shell=1:10(b)的 TEM谱图。分析比较图4可以得到如下信息:①图4a中粒子 的平均尺寸为(3.15±0.8)nm,图4b为(4.57±0.5)nm,与 根据CIS量子点XRD图谱计算得到的颗粒粒径相符合。由此可 以证明,反应过程中,ZnS成功包覆在CIS表面,且厚度在不 断增加,而根据图5及表1的EDX能谱得知Cu/Zn原子数比为 1/2.6。②图4a中形貌偏三角形较多,而图4b中偏球形较多。 即在不断向反应体系中加入zn,随着反应时间的延长,制备出 的粒子的形貌逐渐向球形转变。③从图4可看出粒子的分散性 较好,表明反应过程温和均匀,未出现局部反应过烈,导致粒 子出现团聚等现象。 a.CIS核;b CIS/ZnS(核壳摩尔比为1:10) 图4 C1S量子点的TEM图 Fig.4 Transmission electron mierograph of the CIS QDs 表1 CIS/ZnS量子点的EDX数据 Table 1 EDX data of CIS/ZnS QDs 0I1日 O 拙Il u 一 Energy/keV 图5 CIS/ZnS量子点的EDX图谱 Fig.5 Energy Dispersive X—Ray Spectroscopy of CIS/ZnS 2・3量子点光稳定性分析 0.0 l 5 3.0 4.5 6.0 7 5 9 0 10 5 t/h Fig.6 TemporM evolution of CIS QDS PL ratios at the same light conditions 图6表示的是同浓度的四种样品置于相同光照条件下10 h 后的荧光衰减曲线图。由图6可知四种样品在10 h后,变化趋 势均为降低。CIS核量子效率在1.5 h后便降低到20%左右, 而包覆了ZnS样品的量子效率仍保持50%以上。实验结果表 明,在CIS量子点表面外延生长多层与核晶格匹配、宽带隙的 0 第42卷第6期 刘明明,等:多层核壳CuInS:/ZnS量子点的有机相合成的研究 85 ZnS壳层材料,对其稳定性有良好的改善作用。因为当量子点 受激发时产生的电子和空穴就会被限域在核材料内部,从而减 少非辐射跃迁,提高量子点的光致发光…-14],同时提高抗光 氧化能力 ]、化学稳定性和热稳定性 。 [7]Peter Reiss,Myriam Protiere,Liang Li.Core/Shell Semiconductor Nanocrystals[J].Nano Micro,2009,5(2):154—168. [8]Liang Li,T.Jean Daou.Highly Luminescent CulnS2/ZnS Core/Shell Nanocrystals:Cadmium—Free Quantum Dots for In Vivo Imaging[J]. Chem.Mater,2009,21:2422—2429. 3 结论 [9] Sasanka Deka,Alessandra Qua ̄a,Maria Grazia Lupo,et a1.CdSe/CdS/ ZnS Double she11 Nanorods with High Photoluminescence Eficifency 利用十八烯作为有机溶剂,在惰性氛围、反应温度230℃ 条件下成功制备出高质量的CIS以及CIS/ZnS量子点。表征结 and Their Exploitation As Biolabeling Probes[J].J.AM.CHEM. SOC.,2009,13l:2948—2958. 果表明,合成出的CIS及CIS/ZnS纯度较高,晶粒分散均匀。 因此通过控制反应时间可制备出所需波长的量子点材料;稳定 性实验证明包覆了ZnS的量子点稳定性增强且与壳层厚度呈正 比关系。 参考文献 Qu,L.,Peng,X.Control of Photolumineseence Properties of CdSe [1O]Peng X G,Schlamp M C,Alivisatos A P,et a1.Epitaxila Growth of Highly Luminescent CdSe/CdS Core/Shell Nanoerystlsa with Photostability and Electronic Accessibility[J].J.AM.CHEM.SOC., 1997,119(30):7019—7029. [11]Manna L,Scher E C,Li L S,et 1a.Epitaxila Grothw and Photochemical Annealing of Graded CdS/ZnS Shells on Colloidal CdSe Nanoords[J]. J.AM.CHEM.SOC.2002,124(24):7136—7145. Nanocrystlas in Growth[J].J.Am.Chem.Soc,2002,124(9):2049— 2055. [12]Reiss P,Bleuse J,Pron A.Highly Luminescent CdSe/ZnSe Core/Shell Nanocrystlas ofLow Size Dispersion[J].Nano Letters.,2002,2(7): 781—784. [2] Mekis I。Talapin D.V.,Komowski A.,Haase M.,Weller H.One—Pot Synthesis of Highly Luminescent CdSe/CdS Core—Shell Nanocrystls a[13]Malik M A,O’Brien P,Revaprasadu N.A Simple Route to the Synthesis of Core/Shell Nanoparticles of Chalcogenides[J].Chem Mate.,2002,14(5):2004—2010. via Organometlalic and“Greener”Chemical Approaches[J].J.Phys. Chem.B,2003,107(30):7454—7462. [14]Danek M,Jensen K F,Murray C B,et a1.Synthesis of Luminescent 1hin— Film CdSe/ZnSe Quantum Dot Composites Using CdSe Quantum Dots Passivated with an Overlayer of ZnSeChem Mate.1996,8(1):173— 18O. [3] Peng X.,Sehlamp M.C.,Kadavanieh A.,Alivisatos A.P.Epitaxil aGrowth of Highly Luminescent CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals with Photostability and Electornic Accessibility[J].J.Am.Chem.Soc, 1997,l19(3O):7019—7029. ss P.,Bleuse J.,Pron A.Highly Luminescent CdSe/ZnSe Core/ [4] ReiShell Nanocrystls ofa Low Size Dispersion[J].Nano Lett,2002,2(7): 781—784. [15]Sehlamp M C,Peng X G,Alivisats A P.Improved efieifeneies in light emitting diodes made with CdSe CdS core/shell type nanocrystlsa and a semiconducting polymer[J].Joumal of Applied Physics.,1997,82 (11):5837—5842. [5] 徐万帮,汪勇先,许荣辉,等.Ⅱ一Ⅵ型量子点的制备、修饰及其生 物应用[J].元机材料学报,2006,21(5):1031—1037. S.,De Mello A.J.,Rumbles G.,Bishop S.M.,Phillips D., [6] DhamiBeeby A.Phthalocyanine Fluorescence At High Concentration:Dimers f 16]Tesster N,Medvedev V,Kazes M,et a1.Eficient Near—Infrared Polymer Nanocrystal Light—Emitting Diodes[J].Science,2002,295: 1506—1508. [17]Guo W,Li J J,Wang Y A,et a1.Luminescent CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals in Dendron Boxes:Superior Chemical,Photochemical and Or Reabsorption Effect?[J].Photochem.Photobio1.,1995,61(4): 341—346. herTmal Stability[J].J.AM.CHEM.SOC.,2003,125(13):3901— 3909. e石 e石 石 石 石 e石 e石 写 、 .晶 石 e石 e石 (上接第53页) 要求不高,因此,这一技术可广泛的在各大实验室内应用。需 要提出的是,无水试剂的制备是用的钠法,操作的时候需要小 心谨慎,以防止意外发生。 参考文献 陈智斌.植物油中维生素E的抗氧化机理及生理功能[J].中国商 办工业,2001(7):46—48. JP,et a1.Characterization and Authentication [3] Guo LX,Xu XM,Yuan of Signiifcant Chinese Edible Oilseed Oils by Stable Carbon Isotope Analysis[J].J Am Oil Chem Soc.,2010,87:839—848. [4] 金宁,毕艳兰,李东锐.甲醇钠催化猪油酯一转酯化的研究[J].河 南工业大学学报,2007,28(6):42—45. [5] 毕艳兰.油脂化学[M].北京:化学工业出版社,2005:109. [6] 孙向东,孙旭东,张慧波,等.利用金属钠制备甲醇钠的生产工艺 [J].化工生产与技术,2003,10(5):35—37. 严小平.泔水油的薄层层析法快速鉴别研究[J].杭 [7] 黄潇雅,陈锴,州化工,2013,43(3):19—26. [2] 杨雪静.食用植物油的营养价值探讨[J].职业与健康,2004,20 (6):64—65.