CuInS2量子點(diǎn)的制備及應(yīng)用進(jìn)展

張研,華杰,李海波（吉林師范大學(xué),功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130012）

CuInS2量子點(diǎn)的制備及應(yīng)用進(jìn)展

張研,華杰,李海波
（吉林師范大學(xué),功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130012）

摘要:綜述目前CuInS2量子點(diǎn)的制備方法及在發(fā)光器件、太陽(yáng)能電池和生物熒光標(biāo)識(shí)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。并對(duì)其發(fā)展的前景與潛力進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:核殼;制備;應(yīng)用

0引言

CuInS2納米晶是直接帶隙三元半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為1.50eV、吸收系數(shù)為105cm-1；與當(dāng)前的主流的半導(dǎo)體熒光納米材料CdSe相比，CuInS2量子點(diǎn)既不含A類(lèi)元素（Cd、Pb、Hg等），又不含B類(lèi)元素（Se、As、P等），不會(huì)對(duì)環(huán)境和生物體造成負(fù)擔(dān)，而且光譜可以覆蓋更廣泛的波段--近紅外區(qū)，在生物醫(yī)學(xué)[1]，太陽(yáng)能電池[2]、光電器件[3]等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

1CuInS2/ZnS核殼量子點(diǎn)的制備方法

目前合成CuInS2半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法主要有溶劑熱合成法、熱注入法及共前驅(qū)體熱分解法等。

1.1溶劑熱合成法

溶劑熱合成法依據(jù)水熱法發(fā)展起來(lái)的合成方法，是指在一定溫度（100-1000oC），一定壓強(qiáng)（1MPa-1GPa）下，利用在溶劑中物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行合成的方法。2010年，yue[4]研究組利用此方法合成了閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CuInS2量子點(diǎn)其半徑為2-4nm。但目前還沒(méi)有有效的手段能很好的控制粒子的成核與生長(zhǎng)，粒子還不具備熒光性質(zhì)，并且反應(yīng)一般在高溫高壓下進(jìn)行，反應(yīng)周期比較長(zhǎng)，限制了此法的發(fā)展。

1.2有機(jī)相熱注入法

有機(jī)相熱注入法是最常用的一種合成膠體量子點(diǎn)的化學(xué)方法，其為目前最有效的合成高質(zhì)量納米粒子的方法。1993年，Bawendi[5]研究組首次利用這種方法合成了高質(zhì)量的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體量子點(diǎn)。2007年，Li[6]小組采用熱注入的方法首次合成了黃銅礦和纖鋅礦結(jié)構(gòu)的三元CuInS2納米晶。Xie[7]等人通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)離子前體相對(duì)反應(yīng)活性，利用綠色的熱注入方法合成了尺寸可調(diào)的三元CuInS2量子點(diǎn)。

1.3有機(jī)相共前驅(qū)體熱分解法

有機(jī)相共前驅(qū)體熱分解法指將反應(yīng)所需的金屬前驅(qū)體、陰離子前驅(qū)體、配體以及添加物均放入反應(yīng)瓶中，將溫度升高到反應(yīng)溫度，反應(yīng)適當(dāng)時(shí)間即可。2011年，美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Klimov研究組利用此法，制備了紅光CuInS2量子點(diǎn)，在包覆CdS和ZnS殼層后，其發(fā)光的量子效率令人吃驚地高達(dá)90%。

2CuInS2/ZnS核殼量子點(diǎn)的應(yīng)用

2.1太陽(yáng)能電池的應(yīng)用

CuInS2的優(yōu)點(diǎn)：

（1）體相CuInS2的禁帶寬度為1.5eV，接近太陽(yáng)能吸收的最佳禁帶寬度；

（2）吸收系數(shù)大可以在幾微米的厚度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的基本全吸收，且在制備電池時(shí)吸收層的厚度薄，成本低；

（3）CuInS2是直接能隙半導(dǎo)體，可以減少對(duì)少數(shù)載流子擴(kuò)散的要求；

（4）熱和電的穩(wěn)定性好；

（5）與CdTe、PbS和CuInSe2等其他太陽(yáng)能電池相比，CuInS2不含任何有毒成分，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。CuInS2的優(yōu)點(diǎn)使其成為制備未來(lái)太陽(yáng)能電池的最佳材料。目前，利用CuInS2制備的太陽(yáng)能電池的最大效率為7%。

2.2生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

CuInS2量子點(diǎn)作熒光探針在細(xì)胞和活體成像，生物分析領(lǐng)域取得了令人鼓舞的進(jìn)展。Peter[8]小組首先將其制備的高質(zhì)量的CuInS2/ ZnS核殼量子點(diǎn)應(yīng)用白鼠體內(nèi)各，并在白鼠體內(nèi)可以清楚的看見(jiàn)量子點(diǎn)的分布，量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度在一天內(nèi)沒(méi)有明顯的消弱，成功的實(shí)現(xiàn)CuInS2/ZnS核殼量子點(diǎn)活體成像標(biāo)記這標(biāo)志著量子點(diǎn)在做為新型熒光標(biāo)記物占有一席重要的地位。Tomas[9]研究組對(duì)比CuInS2/ZnS量子點(diǎn)與含鎘的CdTeSe/CdZnS量子點(diǎn)在小鼠體內(nèi)的毒性實(shí)驗(yàn)。注入CuInS2/ZnS量子點(diǎn)的組織與參比組織相比沒(méi)有什么明顯變化；而注入含鎘量子點(diǎn)的組織出現(xiàn)明顯炎癥。這表明CuInS2/ZnS量子點(diǎn)是良好的近紅外活體成像材料。

2.3發(fā)光器件的應(yīng)用

由于CuInS2的激子波爾半徑為4.1nm，因此可以通過(guò)制備粒徑小于8.1nm的納米晶，并調(diào)控其粒徑來(lái)實(shí)現(xiàn)同一種材料的發(fā)光從可見(jiàn)到近紅外的可調(diào)，使其可應(yīng)用到照明及顯示器件中。zhong[10]等人將高發(fā)光效率的CuInS2/ZnS核殼納米晶用到傳統(tǒng)有機(jī)LED結(jié)構(gòu)中，成功制備了紅光和黃光二極管，另一篇文獻(xiàn)報(bào)道利用CuInS2/ZnS核殼納米晶制備了紅色、黃色和綠色的LED。

3結(jié)語(yǔ)

總之，CuInS2/ZnS核殼量子點(diǎn)具有毒性較低，合成環(huán)境友好，適合的禁帶寬度，高的吸收系數(shù)以及良好的光電穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管(LED)等領(lǐng)域展現(xiàn)了極大的應(yīng)用潛能，使其成為制備未來(lái)太陽(yáng)能電池，以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上的最佳材料。

參考文獻(xiàn):

[1]JinS,HuYX.etal,JNanomater,2011:1-13.

[2]HuynhWU,DittmerJJ,AlivisatosAP.Science,2002.

[3]ColvinVL,SchlampMC.L.Nature,1994,370:354-357.

[4]YueW,HanS,Peng.JMaterchem.,2010.

[5]MurrayCB,NorrisDJ.JournaloftheAmericanChemicalSociety.1993.

[6]LiTL,LeeUL,TengHS.Energy&EnvironmentalScience,2012.

[7]XieRG,RutherfordM,PengXG.Chem.Mater.2009.