摻雜ZnS 基量子點的制備和發光性能研究

文/劉凌云

1 引言

量子點（QDs）是一種三維團簇，它由有限數目的原子組成，三個維度尺寸均在納米量級。電子在量子點中的能量狀態呈現類似原子的分立能級結構，因此量子點又被稱作“人造原子”。狹義的量子點即指半導體納米晶，所以歸納而言，量子點可以解釋為粒徑小于或接近激子波爾半徑的半導體納米晶粒。目前研究較多的量子點為Ⅱ-Ⅳ族（如CdSe、ZnS、ZnSe）、Ⅲ-Ⅴ族（如GaAs、InP）及Ⅳ-Ⅵ族（如PbS、PbSe）3 個系列的量子點材料。ZnS 是性能優良的Ⅱ-Ⅵ族半導體材料，禁帶寬度為3.66eV，有效帶隙為339nm，是傳統陰極射線管發光材料的重要組成部分，在光致發光、電致發光、磷光體、傳感器、紅外窗口材料、光催化等許多領域有著廣泛的用途。對于摻雜型ZnS 量子點，摻雜離子在ZnS 禁帶中產生附加能級，為電子和空穴提供了新的復合中心，導致出現全新的熒光發射，是非常有潛在應用價值的熒光材料。基于此，本文制備了摻雜ZnS 基量子點材料，并對其光學性能進行了研究。

2 實驗

水熱法是在密閉反應器中，以水溶液作為反應體系，通過將反應體系加熱至臨界溫度，在體系中產生高壓環境，而進行無機合成與材料制備的方法。

水熱法ZnS 基量子點合成過程為：用3- 巰基丙酸(MPA) 作為表面活性劑，[FeSO4·7H2O]作為摻雜離子Fe2+來源。配置20ml [Zn(CH3COOH)2·2H2O]的水溶液和20ml CH3CSNH2的乙醇溶液；稱取一定量硫酸亞鐵[FeSO4·7H2O]溶于10ml 除氧去離子水中；將乙酸鋅溶液加入反應釜中，然后依次加入硫酸亞鐵溶液、MPA 溶液和硫代乙酰胺溶液。關閉反應釜，在高溫下反應16h。反應結束后將產物離心、洗滌、干燥，即得ZnS:Fe 量子點。

表1：不同反應溫度合成的ZnS:Fe 納米晶的粒度測試報告

圖1：不同反應溫度制備的ZnS：Fe 的發射光譜(325nm 激發)

3 結果與分析

利用粒度分析儀對不同反應溫度制備的ZnS:Fe 量子點的粒度分布測試結果如表1所示。從表1中可以看出，隨反應溫度的增加，納米晶的粒度分布也有一定程度的增大。當反應溫度分別為80 ℃、100 ℃、160 ℃時，合成的納米晶的粒度平均值分別為8.2nm、25.7nm、35.8nm。

圖1為不同反應溫度制備的ZnS:Fe 納米晶的熒光發射光譜，從圖1中可以看到ZnS:Fe納米晶在450nm 附近有一個熒光發射峰，且反應溫度越高，熒光發射越強，這是因為為，反應溫度高時，加速了納米晶的奧氏熟化過程，納米晶的結晶性更好，表面缺陷更少，從而熒光發射越強。反應溫度超過140 度以后，熒光發射趨于穩定，不再增加，說明其他機制占取主要位置，或許可以解釋為，溫度過高使納米晶表面的表面活性劑碳化，附著在表面影響了其發光性能。

4 結束語

本文采用水熱法制備了ZnS:Fe 量子點，通過粒度分布測試看出隨反應溫度的增加，納米晶的粒度分布也有一定程度的增大。當反應溫度分別為80℃、100℃、160℃時，合成的納米晶的粒度平均值分別為8.2nm、25.7nm、35.8nm。熒光發射光譜顯示ZnS:Fe 納米晶在450nm 附近出現熒光發射峰，可用于光致發光、電致發光、磷光體等領域。