氧化剂快速钝化铝掺杂量子点增强光稳定性的研究

Semiconductor Quantum dots (QDs) attract a lot of attention in variety applications due to their unique optical and electronic properties. However, QDs suffer from poor chemical/photo-stability against air and moisture. We found that the photostability of QDs could be enhanced by doping aluminum (Al) into the core/shell QDs, in which Al was converted into Al2O3 passivation layer naturally or under light illumination. This conversion process was really slow, so in this project we will try to develop a simple method to accelerate it. Firstly, we will synthesize high quality CdSe/CdS:Al QDs with optimizing reaction parameters, such as reaction temperature, reaction time, and precursors. Secondly, the CdSe/CdS:Al QDs will be treated with oxidizer in the mild conditions. Thus, the surface will be rapidly oxidized and formed a passivation layer, which can enhance the stability of CdSe/CdS:Al QDs without altering their quantum yields. Finally, we will investigate the physical and chemical evolution path of the oxide passivation layer through analyzing the morphology, structure, and chemical states of the CdSe/CdS:Al QDs during the oxidation process. Meanwhile, the passivation mechanism of the formed oxide layer on the surface of QDs will be illustrated. It is hopeful that we can offer a universal method to enhance the stability of QDs by this project.

量子点（半导体纳米晶体）具有优异的光电性能，被普遍认为将在显示等领域有重大的应用前景。但其本征稳定性较差，光学性能易受水和氧等环境因素的影响。本项目基于铝（Al）掺杂核壳结构量子点（CdSe/CdS:Al）在自然状态或光照下可缓慢形成氧化铝钝化层的特点，提出一种“氧化剂快速钝化铝掺杂量子点增强光稳定性”的方法。首先通过反应条件的优化（反应温度、时间以及反应前体等），制备出耐受性优异的CdSe/CdS:Al量子点。随后在温和条件下，采用氧化剂对其进行氧化处理，迫使其表面迅速形成氧化铝钝化层，在保持其荧光效率的前提下实现量子点稳定性的增强。通过表征氧化过程中不同阶段量子点的形貌、结构以及组成元素的化学状态，探索钝化层形成的物理化学演化路径，阐明其钝化作用机制。项目的实施将为量子点稳定性的增强提供一种普适性的方法和新思路。

量子点（半导体纳米晶）因其优异的光电性能，在显示照明、生物医药、光电探测和光伏等领域有重大应用前景。然而，量子点本征稳定性较差，易受水、氧或温度等环境因素的影响导致其光学性能下降。项目负责人创造性地采用金属铝掺杂量子点，在其表面形成致密金属氧化物钝化层，从而解决稳定性差的问题。在国家自然科学基金的资助下，本项目针对金属铝自然条件下氧化形成氧化物过于缓慢的问题，进行了氧化剂快速钝化方法的遴选、氧化剂反应机理和钝化机制等研究，并取得了一系列重要进展。（1）成功构建 “氧化剂快速钝化量子点”的方法，优选过氧化苯甲酰（BPO）作为主动氧化剂，快速钝化量子点表面铝元素，实现量子点表面的快速无损可控金属氧化物包覆，提高量子点光学稳定性。同时成功将此方法扩展至低活性金属元素以及钙钛矿量子点体系中；（2）系统阐释钝化元素在量子点中的迁移转化规律及量子点钝化机理，为掺杂量子点体系的设计及高效钝化方法的构建提供了理论依据和新的思路；（3）基于金属元素致密氧化物钝化层保护机制，创新开发了绿色高温固相原位合成致密氧化物包覆钙钛矿量子点的方法，实现了量子点稳定性的重大突破，该方法具有重大的潜在商业应用价值。.项目执行期内，总计发表了基金标注的SCI检索论文25篇，其中4篇影响因子大于10，16篇影响因子大于5，包括Nat. Photonics 1篇，Nat. Commun. 1篇，Nano Energy 1篇，Chem. Eng. J. 1篇，Chem. Mater. 2篇，Nano Research 1篇等，其中Nat. Photonics和Nat. Commun.文章被评为高被引论文；授权发明专利12项（PCT 美国专利1项，授权使用专利2项并签订合作协议，金额总计300万元），申请发明专利4项（PCT美国专利1项）；国际国内会议邀请报告6次。