掺杂ZnS 基量子点的制备和发光性能研究

文/刘凌云

1 引言

量子点（QDs）是一种三维团簇，它由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米量级。电子在量子点中的能量状态呈现类似原子的分立能级结构，因此量子点又被称作“人造原子”。狭义的量子点即指半导体纳米晶，所以归纳而言，量子点可以解释为粒径小于或接近激子波尔半径的半导体纳米晶粒。目前研究较多的量子点为Ⅱ-Ⅳ族（如CdSe、ZnS、ZnSe）、Ⅲ-Ⅴ族（如GaAs、InP）及Ⅳ-Ⅵ族（如PbS、PbSe）3 个系列的量子点材料。ZnS 是性能优良的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，禁带宽度为3.66eV，有效带隙为339nm，是传统阴极射线管发光材料的重要组成部分，在光致发光、电致发光、磷光体、传感器、红外窗口材料、光催化等许多领域有着广泛的用途。对于掺杂型ZnS 量子点，掺杂离子在ZnS 禁带中产生附加能级，为电子和空穴提供了新的复合中心，导致出现全新的荧光发射，是非常有潜在应用价值的荧光材料。基于此，本文制备了掺杂ZnS 基量子点材料，并对其光学性能进行了研究。

2 实验

水热法是在密闭反应器中，以水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度，在体系中产生高压环境，而进行无机合成与材料制备的方法。

水热法ZnS 基量子点合成过程为：用3- 巯基丙酸(MPA) 作为表面活性剂，[FeSO4·7H2O]作为掺杂离子Fe2+来源。配置20ml [Zn(CH3COOH)2·2H2O]的水溶液和20ml CH3CSNH2的乙醇溶液；称取一定量硫酸亚铁[FeSO4·7H2O]溶于10ml 除氧去离子水中；将乙酸锌溶液加入反应釜中，然后依次加入硫酸亚铁溶液、MPA 溶液和硫代乙酰胺溶液。关闭反应釜，在高温下反应16h。反应结束后将产物离心、洗涤、干燥，即得ZnS:Fe 量子点。

表1：不同反应温度合成的ZnS:Fe 纳米晶的粒度测试报告

图1：不同反应温度制备的ZnS：Fe 的发射光谱(325nm 激发)

3 结果与分析

利用粒度分析仪对不同反应温度制备的ZnS:Fe 量子点的粒度分布测试结果如表1所示。从表1中可以看出，随反应温度的增加，纳米晶的粒度分布也有一定程度的增大。当反应温度分别为80 ℃、100 ℃、160 ℃时，合成的纳米晶的粒度平均值分别为8.2nm、25.7nm、35.8nm。

图1为不同反应温度制备的ZnS:Fe 纳米晶的荧光发射光谱，从图1中可以看到ZnS:Fe纳米晶在450nm 附近有一个荧光发射峰，且反应温度越高，荧光发射越强，这是因为为，反应温度高时，加速了纳米晶的奥氏熟化过程，纳米晶的结晶性更好，表面缺陷更少，从而荧光发射越强。反应温度超过140 度以后，荧光发射趋于稳定，不再增加，说明其他机制占取主要位置，或许可以解释为，温度过高使纳米晶表面的表面活性剂碳化，附着在表面影响了其发光性能。

4 结束语

本文采用水热法制备了ZnS:Fe 量子点，通过粒度分布测试看出随反应温度的增加，纳米晶的粒度分布也有一定程度的增大。当反应温度分别为80℃、100℃、160℃时，合成的纳米晶的粒度平均值分别为8.2nm、25.7nm、35.8nm。荧光发射光谱显示ZnS:Fe 纳米晶在450nm 附近出现荧光发射峰，可用于光致发光、电致发光、磷光体等领域。