基本信息
- 项目名称：
- ZnCdS:Mn/ZnS量子点的合成及其LED应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我们利用核壳结构量子点的思路，通过二次加锌技术使ZnCdS:Mn量子点表面再生成一层ZnS壳层，合成ZnCdxS:Mn/ZnS (0≤x<1)核壳结构量子点量子效率超过20%，并具有高的荧光稳定性，我们利用镉离子含量对量子点发光特性的影响从而用量子点改装蓝光LED，提高了LED的流明度，结果表明了所合成的量子点在电致发光领域的潜在应用价值。
- 详细介绍：
- 量子点在能源和生命科学领域有巨大应用前景，而掺杂量子点相比于传统量子点具有热稳定性高，毒性低等特点，是近来的研究热点之一。水热法合成量子点具有成本低，易操作，且分散性，水溶性好等优势，但其产品往往容易出现尺寸大小不一，表面结构不够稳定，不能长久保存，容易团聚，量子效率不够高等缺点。 我们利用多次加锌制备核壳结构量子点的技术成功实现了水热法制备高量子效率ZnCdS:Mn/ZnS量子点，其荧光效率超过20%，尺寸在4—6nm之间，分散性良好。核壳结构技术的实现很好的钝化量子点的表面缺陷，大大降低了其非辐射衰减，有效的提高了激子与Mn2+之间的能量传递效率，使得其荧光效率在ZnCdS:Mn核量子点基础上提高了21倍，在室温下的保存期期由ZnCdS:Mn核量子点的几个小时提高到ZnCdS:Mn/ZnS的一年以上；而且ZnCdS:Mn/ZnS系列量子点的吸收带边可以通过控制Cd2+ 的浓度而改变。因此，我们利用ZnCd0.5S:Mn/ZnS量子点改装了紫光LED，大大提高了LED的流明度，表明了所合成的量子点在电致发光领域的应用价值。而量子点发出的是冷荧光，用其改造的LED相比于当今照明工具而言，其热辐射和污染都小很多，成为目前节能及环保领域的研究热点。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 掺杂量子点成为近年来量子点领域的研究热点之一。由于量子点的“自净化作用”，杂质离子往往只能粘覆在其表面而无法进入激子的内部，杂质离子容易被氧化而淬灭其荧光特性，严重影响掺杂量子点的荧光性质。 我们利用核壳结构思路钝化量子点的表面特性，大大提高其荧光效率及其稳定性，并利用所合成的量子点改造蓝光LED，证明其切实可行性
科学性、先进性及独特之处
- 多次加锌制备核壳结构量子点的技术成功实现了制备高量子效率ZnCdS:Mn/ZnS量子点，其荧光效率超过20%。核壳结构很好的钝化量子点的表面缺陷，降低其非辐射衰减，使得其荧光效率在ZnCdS:Mn核量子点基础上提高了21倍；我们利用ZnCd0.5S:Mn/ZnS量子点改装了紫光LED，大大提高了LED的流明度，表明了所合成的量子点在电致发光领域的应用价值。
应用价值和现实意义
- 水热法易操作，可重复性高，适合大规模生产；而荧光效率高，分散性良好的水溶性量子点是生物荧光探针和电致发光薄膜的理想材料，利用量子点改造的LED大大提高了流明度，说明ZnCdxS:Mn/ZnS系列量子点在电致发光和节能环保领域的具有很大的应用前景。
学术论文摘要
- 利用水热法制备出量子效率超过20%，稳定性高，分散性良好的 ZnCdS:Mn/ZnS 核壳结构量子点，通过对量子点荧光强度和荧光寿命的测量与分析研究了ZnS壳层对于ZnCdS:Mn/ZnS量子点中Mn2+ 发光的显著增强特性，相对于ZnCdS:Mn核量子点，ZnS壳层的生成大大的减小了量子点荧光特性的非辐射衰减，使得Mn2+的荧光效率增加了21倍。而且ZnCdS:Mn/ZnS量子点的吸收带边和激发波长均可以通过控制Cd2+ 的浓度而改变，基于此，我们进一步研究了该系列量子点在量子点发光二极管等领域的应用前景。
获奖情况
- 1.2010年2月6号发表于SCI期Chemical Physics Letters（影响因子2.3）； 2.2010年8月31号通过国家知识产权局发明专利初审。
鉴定结果
- 结果属实
参考文献
- [1]Jialong Zhao, Julie A. Bardeck erandrea M. Munro, Michelle S. Liu, Yuhua Niu, I-Kang Ding, Jingdong Luo, Baoquan Chen, Alex K.-Y. Jen and David S. Ginger. Efficient CdSe/CdS Quantum Dot Light-Emitting Diodes Using a ThermallyPolymerized Hole Transport Layer. Nano Lett. 2006, 3(6):463-467. [2]Xue-Feng Yu, Xiao-Niu Peng, Zhen-Qian Chen, Chao Lian,1 Xiong-Rui Su,Jian-Bo Li, Min Li, Bao-Li Liuand Qu-Quan Wang, High temperature sensitivity of manganese-assisted excitonic photoluminescence from inverted core/shell ZnSe:Mn/CdSe nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 2010 (96) 123104-12309. [3]Rahul Thakar, Yingchuan Chenand Preston and T. Snee. Efficient Emission from Core/(Doped): Shell Nanoparticles: Applications for Chemical Sensing. Nano Lett. 2007, 7(11): 3429–3432. [4]Dongyeon Son, Dae-Ryong Jung, Jongmin Kim, Taeho Moon, Chunjoong Kimand and Byungwoo Park. Synthesis and photoluminescence of Mn-doped zinc sulfide nanoparticles. Appl. Phys. Lett. 2007, (90): 101910.
同类课题研究水平概述
- 掺杂量子点因其独特的光电特性在发光二极管，显示器件，生物荧光探针等方向的潜在应用而受到广泛研究。在半导体材料中，ZnS由于其宽禁带所以能在室温下的掺杂多种杂质离子，比如Mn2+, Cu2+, Ag+, Tb3+, 及 Eu3+ 等。从以前的研究中可以发现在量子点的“自净化”效应下，掺杂离子一般都会大量吸附于量子点表面，因而其表面有很多的缺陷，很容易被外界环境所氧化从而是得材料性能不稳定，荧光效率低下。 国际上锰掺杂半导体量子点的研究发展迅速：Alexander L. Efros，S. Kaske, Xiaogang Peng，Baiyang，Shantikumar Nair等研究小组相继合成出了ZnSe:Cu,Cl，ZnS:Mn,Cu，ZnS:Cu,Al,Mn等掺杂半导体量子点。2007年，Xiaogang Peng教授课题组制备了ZnSe:Mn量子点，并通过制备核壳结构大大提高其量子效率；2009年，Vladimir Bulovic研究小组合成出了ZnSe/ZnS:Mn/ZnS核壳结构量子点，其可在交流电的作用下发出明亮的黄色荧光； 目前锰掺杂半导体量子点领域的研究主要存在两个问题：1）相对较低的量子效率在一定程度上限制其进一步发展；2）制备工艺十分复杂，目前为止量子效率在20%以上的量子点还没有能够大规模生产的方法，而且大多是在有机溶剂以及高温条件下（超过200o C）合成，此类方法所合成的量子点只溶于有机溶剂而不溶于水，严重阻碍量子点的研究和应用。正是由于受到上述制约，目前还没有高效的相关电致发光材料和器件的出现，所以如何合成高量子效率的水溶性量子点依然是目前的大挑战之一。 我们通过水热法制备出了稳定性和水溶性优良的ZnCdS:Mn/ZnS 核壳结构量子点,并对其光电特性进行了研究，所确立的合成方法顺利扩大到用不同镉浓度合成ZnCdxS:Mn/ZnS量子点，代表性的样本ZnCdxS:Mn/ZnS（x=0,0.2,0.5）量子效率都超过20％。由于典型的4T1-6A1 锰离子跃迁,所有的ZnCdxS:Mn/ZnS 量子点的光致发光谱都具有相似的特征。而它们的吸收谱和相应的PLE峰随着镉浓度的增加出现明显红移，因此我们利用ZnCd0.5S:Mn/ZnS量子点改装了紫光LED，大大提高了LED的流明度，表明了所合成的量子点在电致发光领域的应用价值。
