近红外纳米材料的制备及其在近红外发光二极管与双稳态器件中的应用

摘要

半导体纳米颗粒(量子点)的材料加工工艺、化学合成等研究正在以惊人的速度进展,同时也带来一些与商业紧密联系并且新奇和激动人心的应用前景。特别是近年来对窄带系材料研究的兴趣越来越浓厚。有关这些材料的研究结果得到了广泛的应用。例如红外线光电(光学调节器、激光、光学成像设备和光电探测器),太阳能电池，低成本/大尺寸的微电子,生物传感器和生物成像系统。对于不同的材料而言，它们都带有各自的优缺点，因此对于具有特殊应用的量子点，如何将这些材料组装成“量子点固态薄膜”并保持其原有优异性能是基于量子点器件应用的关键科学问题。本文的主要内容是有关近红外纳米材料PbS、PbS/CdS量子点和二氧化硅包覆的PbSe自组装纳米颗粒的薄膜分别在近红外发光二极管、电学双稳态器件方面的应用。
　　由于其自身独特光电性质，近年来针对铅属胶体纳米颗粒PbX（=S,Se,Te）在光电、夜视、发光二极管、生物标记方面的应用已经进行了大量的研究。相对于可见和紫外波段的光，铅属半导体能获得在1.3μm-1.6μm无线电波段发光的高品质量子点使其成为近红外发光是很好的候选材料。因为铅属半导体具有较小的体相带隙（PbS、PbSe和PbTe分别为0.41、0.28、0.31ev）和较大的激子波尔半径，相对较大的量子点仍然具有量子限域效应。在众多铅属量子点中，PbS量子点不仅拥有良好的荧光特性而且其合成简单可控以及采用的S前驱体相对于Se/Te毒性较低等优点，使得其成为铅属量子点中的研究热点,自Hines和Scholes首次报道了胶体有机金属油相路径合成PbS纳米颗粒以来，基于PbS量子点的电致发光二极管成为了近红外领域发光器件的热门研究领域。然而目前用于近红外发光的PbS或PbS/CdS核壳结构的量子点的发光二极管效率不是很高。存在的问题包括量子点的荧光效率不高、表面配体不适宜、器件结构不合理等因素。针对这些问题，本文的第二章讲述了通过优化反应前躯体的化学计量比、反应温度、壳层生长时间以及配体的交换来改善近红外纳米材料PbS的光电性质。
　　在铅属胶体量子点PbSe合成及应用方面，自 Murrray首次报道了热注入方法来合成单分散的PbSe量子点以来，在随后的PbSe量子点研究工作中，报道了利用不同有机金属前驱物在有机溶剂中合成PbSe纳米颗粒的各种几何形态，包括球形、方形、条状、八面菱形、直线和圆形。这些几何形状的主要生长机制是较小的 PbSe纳米颗粒朝某个方向依附堆积形成自组装结构。自组装结构的光电性质强烈的依靠不同的生长方向以及颗粒大小。而对于 PbSe三维八面自组装纳米颗粒的光学和电学的性质应用研究不是很多。单个纳米颗粒利用二氧化硅包裹后有利于在电荷存储和生物标记方面的应用，因为二氧化硅能够保护纳米颗粒的表面避免被氧化提高纳米颗粒的稳定性；另外，二氧化硅自身也是很好的绝缘材料和介电材料，通过调整反应时间和前躯体浓度可以改变二氧化硅包覆层的厚度。第三章我们主要研究通过反微乳液法用二氧化硅包裹 PbSe自组装纳米颗粒，进而研究了基于这种二氧化硅包覆的 PbSe在双稳态器件应用中的载流子传输机制。
　　由于在下一代记忆器件当中有潜在的应用，大面积机制灵活的有机电学双稳态器件已经吸引了研究人员的很多注意力。在不同的扫描电压下双稳态器件会呈现出两种不同的电阻态。随着半导体纳米颗粒的合成和光电性质的研究进展，纳米颗粒和聚合物混合已经被广泛的应用在有机双稳态器件当中。例如：聚合物金属纳米颗粒结构和有机/无机纳米颗粒/有机三明治结构。近来，无机半导体纳米颗粒包括 ZnO、CdSe-InP、ZrO2被镶嵌在有机衬底当中，通过简单的溶液法旋涂制备双稳态器件。在第三章中我们报道了一种基于二氧化硅包裹 PbSe自组装纳米颗粒全新材料制备的电学双稳态器件。其结构如下：ITO/PEDOT:PSS/PbSe NCs@SiO2/Al，在这种结构中二氧化硅包裹的PbSe自组装纳米颗粒与无机纳米颗粒镶嵌在有机衬底中功能是相似的。我们通过调控量子点表面的配体三辛基氧化膦和油酸之间的相互作用把 PbSe量子点自组装成三维八面纳米颗粒，然后基于这种将这种二氧化硅包裹后的 PbSe构筑电双稳态器件，其器件具有较好的效果。通过表征电流-电压（I-V）特性，我们研究了双稳态器件的载流子传输机制，发现电学双稳态器件的记忆效果与电荷存储有关联（包括电荷捕获、电荷分离、电荷转移）。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 基于铅量子点的合成

1.2.1硒化铅（PbSe）量子点的合成

1.2.2 硫化铅（PbS）量子点的合成

1.2.3 PbSe/CdSe与PbS/CdS核壳量子点的合成

1.3基于铅量子点的表面修饰

1.4基于铅量子点的性质

1.5其它近红外发光量子点

1.6近红外纳米颗粒的应用

1.6.1近红外量子点在近红外发光二极管中的应用

1.6.2近红外核壳量子点在双稳态器件当中的应用

1.7本文研究的思路和主要内容

1.7.1本文研究的思路

1.7.2本文研究的主要内容

参考文献

.第二章 高荧光效率近红外PbS和PbS/CdS核壳量子点的合成及其IR-LED的应用

2.1实验部分

2.1.1实验试剂和仪器

2.1.2铅、镉和硫前躯体的制备

2.1.3 PbS量子点的制备

2.1.4 PbS/CdS核壳量子点的制备

2.1.5基于PbS/CdS核壳量子点的近红外发光二极管（IR-LED）的制备

2.2结果与讨论

2.1.2 PbS量子点的吸收，荧光和TEM图

2.2.2 油酸（OA）用量和不同铅源对PbS量子点合成的影响与分析

2.2.3 三辛氧磷（TOP）对PbS量子点合成的影响与分析

2.2.4 PbS量子点进行表面修饰的结果分析

2.2.5 PbS/CdS核壳量子点的吸收，荧光和TEM的分析

2.2.6不同温度对CdS壳层生长的影响与分析

2.2.7 不同量子点PbS核对长壳的影响与分析

2.2.8不同CdS壳层厚度对发光二极管得到的数据与分析

2.3本章小结

参考文献

第三章 二氧化硅包裹三维PbSe自组装纳米颗粒及其有效的双稳态器件

3.1实验部分

3.1.1实验试剂与仪器

3.1.2有机金属前躯体的制备

3.1.3 PbSe自组装纳米颗粒的制备

3.1.4二氧化硅包裹PbSe自组装纳米颗粒的制备

3.1.5基于二氧化硅包裹PbSe自组装纳米颗粒的双稳态器件的制备

3.2结果与讨论

3.2.1 PbSe自组装过程的TEM，SEM的结果与分析

3.2.2 TOP与TOPO不同的比例对PbSe自组装形状的影响与分析

3.2.3铅前驱物不同热处理条件得到自组装NCs的SEM的结果与分析

3.2.4 TDPA替换OA得到PbSe自组装NCs的SEM的结果与分析

3.2.5 NH3H2O和TEOS的用量对SiO2厚度增长的影响与分析

3.2.6 PbSe self-assembly NCs@SiO2，PbSe self-assemblyNCs，PbSe QDs，PbSe QD@SiO2四种材料在相同的双稳态器件结构下的数据结果与分析

3.3本章小结

参考文献

硕士期间发表的论文及完成的工作

致谢