三元纳米晶的组份调控机制及其光学性质研究

I-III-VI semiconductor nanocrystals (NCs) have shown great potential in opto-electronic devices. The monodispersity of I-III-VI NCs such as CuInS2 on their sizes has been more or less resolved by tuning the relative reactivity of cation precursors in our previous report. However, the compositions in one NC have not reached monodisperse yet in spite of great efforts on the topic. Here, CuInS2 NCs are used to as model to insight into the compostion distribution of the ternary NCs by the methods as following: the compostions of the NCs could be effectively controlled by the preparation of the quasi "core-shell" NCs using successive atomic layer adsorption technique. Kinetically, the crucial issue on synthesis of the monodispersed NCs on their compositions is how to balance the rate of the shell growth and the diffusion rate of the atomic layer at interface between the core and the shell. This means that the variation in both the atomic layer coated around the cores and host NCs will affect on the compositions of the ternary NCs.Subsequently,the experimentals on optical properties of the ternary nanocrystals with various compositions will demonstrate the relation of the NC compositions and the corresponding to their optical characterization. The synthesis and characterization of the ternary NCs will provide the theoretical and experimental fundation upon understanding the nature of the ternary semiconductor NCs.

具有优良光电性能的I-III-VI族半导体纳米晶是一类具有潜在应用价值的纳米材料。在我们前期工作中，I-III-VI族纳米晶的尺寸单分散问题已基本解决，但如何实现三元纳米晶的组份单分散是该领域研究的新课题。本研究拟以CuInS2为模型体系，采用构建核壳纳米晶结构的方式，系统研究不同组份原子在三元纳米晶的生长过程中所表现出的物理化学性质的变化规律。研究将从化学反应动力学角度出发：通过调控单体反应活性调控原子层沉积速率，研究原子层沉积过程对纳米晶的组份及其组份分布的影响；通过改变温度和配体种类，研究核壳界面原子扩散过程，揭示界面扩散过程对纳米晶组份及其组份分布的影响规律。在此基础上，研究不同组份及其组份分布的三元纳米晶的光学性质，揭示三元纳米晶的组份与其光学性质的内在联系。三元纳米晶的组份调控机制的研究，将为组份单分散的三元纳米晶的可控制备及其性质研究提供理论依据和实验基础。

多元纳米晶的光电性质取决于其尺寸和组成，如何调控纳米晶的光学性质直接关系到在照明和显示领域的应用进程。在本项目中，我们首先能带工程理论，设计合成了具有不同组分的单个纳米晶，采用能带工程，以核壳或掺杂的方式，对已知能带的这些纳米晶材料的电子结构进行了有效地调控，合成了了Cu：InP/ZnS/InP/ZnS双光量子点。Cu掺杂InP内核与InP壁层构成，ZnS作为隔离层，可以有效地隔离内核与外壁的电子波函数，使两个发光体系去耦化。同时，Cu掺杂InP内核相对于CdSe体系具有较宽的发射范围，与壁层InP的发光组合成了一个从蓝绿光到近红外发光的宽发光体系。我们将此双光量子点灌封于蓝光LED后，可以获得从蓝光到近红外的均匀连续白光光谱，色温在4950K，显色指数达到91，色度坐标在(0.332, 0.330)。通过该方法，设计合成了具有热稳定性高效的双波长Cu:CdS/ZnSe/ZnS双光量子点及Mn掺杂的多元纳米晶。制备的不同组分和尺寸纳米晶，实现了双波长纳米晶可控制备并进行再显示领域应用研究。在此基础上，发展了一种非热注入一锅法合成高质量无机卤化铅铯钙钛矿的方法，通过调控阴离子Cl，Br和I 实现了不同尺寸和组分的钙钛矿纳米晶可控制备。通过调控配体浓度，获得的粒子的半峰宽和单个粒子的半峰宽基本一致，表示我们所合成的粒子基本是单尺寸的，没有尺寸分布，其色域达到北美国家电视标准委员会(NTSC)标准的140%，为纳米晶应用提供了材料基础。