CuInS2量子点的制备及应用进展

2015-06-27李海波吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室长春130012

山东工业技术 2015年9期

关键词：制备应用

张研,华杰,李海波（吉林师范大学,功能材料物理与化学教育部重点实验室,长春130012）

CuInS2量子点的制备及应用进展

张研,华杰,李海波
（吉林师范大学,功能材料物理与化学教育部重点实验室,长春130012）

摘要:综述目前CuInS2量子点的制备方法及在发光器件、太阳能电池和生物荧光标识等领域的应用现状。并对其发展的前景与潜力进行了展望。关键词:核壳;制备;应用

0引言

CuInS2纳米晶是直接带隙三元半导体材料，禁带宽度为1.50eV、吸收系数为105cm-1；与当前的主流的半导体荧光纳米材料CdSe相比，CuInS2量子点既不含A类元素（Cd、Pb、Hg等），又不含B类元素（Se、As、P等），不会对环境和生物体造成负担，而且光谱可以覆盖更广泛的波段--近红外区，在生物医学[1]，太阳能电池[2]、光电器件[3]等领域都有着广泛的应用前景。

1CuInS2/ZnS核壳量子点的制备方法

目前合成CuInS2半导体量子点的方法主要有溶剂热合成法、热注入法及共前驱体热分解法等。

1.1溶剂热合成法

溶剂热合成法依据水热法发展起来的合成方法，是指在一定温度（100-1000ºC），一定压强（1MPa-1GPa）下，利用在溶剂中物质的化学反应进行合成的方法。2010年，yue[4]研究组利用此方法合成了闪锌矿结构的CuInS2量子点其半径为2-4nm。但目前还没有有效的手段能很好的控制粒子的成核与生长，粒子还不具备荧光性质，并且反应一般在高温高压下进行，反应周期比较长，限制了此法的发展。

1.2有机相热注入法

有机相热注入法是最常用的一种合成胶体量子点的化学方法，其为目前最有效的合成高质量纳米粒子的方法。1993年，Bawendi[5]研究组首次利用这种方法合成了高质量的Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点。2007年，Li[6]小组采用热注入的方法首次合成了黄铜矿和纤锌矿结构的三元CuInS2纳米晶。Xie[7]等人通过调节阳离子前体相对反应活性，利用绿色的热注入方法合成了尺寸可调的三元CuInS2量子点。

1.3有机相共前驱体热分解法

有机相共前驱体热分解法指将反应所需的金属前驱体、阴离子前驱体、配体以及添加物均放入反应瓶中，将温度升高到反应温度，反应适当时间即可。2011年，美国国家实验室Klimov研究组利用此法，制备了红光CuInS2量子点，在包覆CdS和ZnS壳层后，其发光的量子效率令人吃惊地高达90%。

2CuInS2/ZnS核壳量子点的应用

2.1太阳能电池的应用

CuInS2的优点：

（1）体相CuInS2的禁带宽度为1.5eV，接近太阳能吸收的最佳禁带宽度；

（2）吸收系数大可以在几微米的厚度范围内实现对太阳光的基本全吸收，且在制备电池时吸收层的厚度薄，成本低；

（3）CuInS2是直接能隙半导体，可以减少对少数载流子扩散的要求；

（4）热和电的稳定性好；

（5）与CdTe、PbS和CuInSe2等其他太阳能电池相比，CuInS2不含任何有毒成分，不会对环境造成负担。CuInS2的优点使其成为制备未来太阳能电池的最佳材料。目前，利用CuInS2制备的太阳能电池的最大效率为7%。

2.2生物医学领域的应用

CuInS2量子点作荧光探针在细胞和活体成像，生物分析领域取得了令人鼓舞的进展。Peter[8]小组首先将其制备的高质量的CuInS2/ ZnS核壳量子点应用白鼠体内各，并在白鼠体内可以清楚的看见量子点的分布，量子点荧光强度在一天内没有明显的消弱，成功的实现CuInS2/ZnS核壳量子点活体成像标记这标志着量子点在做为新型荧光标记物占有一席重要的地位。Tomas[9]研究组对比CuInS2/ZnS量子点与含镉的CdTeSe/CdZnS量子点在小鼠体内的毒性实验。注入CuInS2/ZnS量子点的组织与参比组织相比没有什么明显变化；而注入含镉量子点的组织出现明显炎症。这表明CuInS2/ZnS量子点是良好的近红外活体成像材料。

2.3发光器件的应用

由于CuInS2的激子波尔半径为4.1nm，因此可以通过制备粒径小于8.1nm的纳米晶，并调控其粒径来实现同一种材料的发光从可见到近红外的可调，使其可应用到照明及显示器件中。zhong[10]等人将高发光效率的CuInS2/ZnS核壳纳米晶用到传统有机LED结构中，成功制备了红光和黄光二极管，另一篇文献报道利用CuInS2/ZnS核壳纳米晶制备了红色、黄色和绿色的LED。