多色CdTe半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備及其熒光性能測(cè)定

1、多色CdTe半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備及其熒光性能測(cè)定班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào):多色CdTe半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備及其熒光性能測(cè)定摘要：Cde （E二S、Se、Te）量子點(diǎn)可以使用多聚磷酸鹽或航基化合物為配體在 水相中直接合成。筑基化合物既可以作為穩(wěn)定Cd2+的良好配體，同時(shí)也與生物 體中的氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)有較好的親和性，可以在合成后不經(jīng)表面修飾直接 應(yīng)用于生物標(biāo)記領(lǐng)域，其中TGA和MPA等被廣泛用于量子點(diǎn)的合成。本實(shí)驗(yàn)采用 TGA為配體來(lái)合成水溶性的CdTe量子點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 納米材料半導(dǎo)體量子點(diǎn)熒光一、引言納米材料是指三維空間尺寸至少有一維處于納米量級(jí)的材料。包括納米微粒、 量子點(diǎn)等零維材料，直徑為納米

2、量級(jí)的線狀材料，厚度為納米量級(jí)的薄膜與多層 膜以及基于上述低維材料所構(gòu)成的固體。納米材料具有很特殊的表面效應(yīng)和界面 效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等。半導(dǎo)體量子點(diǎn)是指當(dāng)半導(dǎo)體材料的粒徑從體相逐漸減小至一定臨界尺寸以 后電子在三個(gè)維度上都受限制的材料。目前研究較多的是IIVI族的CdS、CdSe. CdTe等半導(dǎo)體量子點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)重在了解納米材料及量子點(diǎn)的基本 知識(shí)及量子點(diǎn)光致發(fā)光的基本原理和IIVI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的合成方法，并且 熟悉熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用，掌握CdT釁導(dǎo)體量子點(diǎn)的合成方法。 二、實(shí)驗(yàn)部分2.1研究意義納米材料的研窕和應(yīng)用涉及到包括物理、化學(xué)、材料、電子、生物、醫(yī)藥等 多

3、個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域，成為世界各國(guó)重點(diǎn)研究的高技術(shù)前沿陣地。半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有以下的熒光特性：（1）具有很寬的激發(fā)光譜：（2）可以制 備熒光光譜各異的量子點(diǎn)；（3）量子點(diǎn)用于生物生物標(biāo)記時(shí)，熒光光譜易識(shí)別， 更利于分析（4）量子點(diǎn)比有機(jī)染料穩(wěn)定，可以經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)多次的光激發(fā)， 不易發(fā)生熒光漂白現(xiàn)象。因此量子點(diǎn)有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)染料分子探針，促進(jìn)生 物學(xué)研究的發(fā)展并拓展量子點(diǎn)材料的應(yīng)用范圍。目前，量子點(diǎn)己被應(yīng)用的領(lǐng)域有：（1）量子點(diǎn)熒光探針；（2）多色編碼技術(shù)；（3）生物相容及特異性吸附蛋白: （4）免疫檢測(cè)：（5）生物成像技術(shù)：（6）活體組織成像；（7）指紋顯現(xiàn)。隨著 科學(xué)的發(fā)展，量子點(diǎn)的應(yīng)用前景將

4、更廣闊。本次實(shí)驗(yàn)重在了解納米材料及量子點(diǎn) 的基本知識(shí)及量子點(diǎn)光致發(fā)光的基本原理和IIVI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的合成方法, 并且熟悉熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用，掌握CdT*導(dǎo)體量子點(diǎn)的合成方法。2. 2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解納米材料及量子點(diǎn)的基本知識(shí)2、了解量子點(diǎn)光致發(fā)光的基本原理3、熟悉熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用4、了解II-VI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的合成方法5、掌握CdTe半導(dǎo)體量子點(diǎn)的合成方法2. 3實(shí)驗(yàn)原理2. 3.1量子點(diǎn)發(fā)光原理對(duì)于典型的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，如CdSe/ZnS核殼量子點(diǎn)，通常情況下，在激發(fā) 光源的激發(fā)下，形成電子-空穴對(duì)（激子），在高能射線的作用下，電子從價(jià)帶內(nèi) 的基態(tài)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶內(nèi)的

5、高能級(jí)，處于高能級(jí)的電子不穩(wěn)定，通過(guò)不同形式經(jīng) 中間的激發(fā)態(tài)能級(jí)再躍遷回價(jià)帶內(nèi)的基態(tài)能級(jí)，并與空穴復(fù)合發(fā)光。2. 3. 2熒光量子產(chǎn)率產(chǎn)生熒光發(fā)射的光子數(shù)與其所吸收的激發(fā)光子數(shù)之比。現(xiàn)在測(cè)量熒光物質(zhì)的 量子產(chǎn)率都是測(cè)量其與標(biāo)準(zhǔn)熒光物質(zhì)（如羅丹明）的相對(duì)值并換算得到的。換算公式：件六仔尸宗 nx lxur其中僅和0,分別表示被測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)參考樣品的量子產(chǎn)率（其中羅丹明6G的量子產(chǎn)率。產(chǎn)95%）；4和4,分別表示被測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)參考樣品在激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng) 處的吸光度：4和。分別表示被測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)參考樣品對(duì)應(yīng)激發(fā)光的強(qiáng)度； %和耳.分別表示被測(cè)樣品（水，%=1.333）和標(biāo)潴參考樣品溶劑（乙醇，幾產(chǎn)1.3

6、59） 的折光率：名和區(qū)分別表示被測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)參考樣品的熒光積分面積。2. 3. 3合成工藝目前獲得水溶性量子點(diǎn)的方法有兩種:油相轉(zhuǎn)水相法：（2）水相直接合成。CdE （E = S,Se,Te）量子點(diǎn)可以使用多聚磷酸鹽或筑基化合物為配體在水 相中直接合成。疏基化合物既可以作為穩(wěn)定以2+的良好配體，同時(shí)也與生物體 中的氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)有較好的親和性，可以在合成后不經(jīng)表面修飾直接應(yīng) 用于生物標(biāo)記領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)采用疏基乙酸為配體來(lái)合成水溶性的CdTe量子點(diǎn)。 2. 3. 4化學(xué)方程式：（1） NaHTe制備反應(yīng)方程式4NaBH4 + 2Te +7H2O = 2NaHTe + Na2B4O7 + 1

7、4%（2） CdTe合成反應(yīng)方程式Cd2+ + RSH = Cd（R5）+ + H+Cd（RS）+ + HTe + 0H + "+ = CdTe （RSH） + H202. 4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3. 4.INaHTe前驅(qū)體的制備稱取0.12g硼氫化鈉和2mL去離子水于50mL小錐形瓶中，用氮?dú)獯祾?5min,然后加入0. 06gTe粉，熱水浴反應(yīng)（60-70° C）,有氣泡產(chǎn)生，直至黑色Te粉 完全消失，溶液顏色由紫色變成無(wú)色（5T0min）,得到無(wú)色透明的NaHTe水溶液。 2. 4. 2CdTe量子點(diǎn)的合成稱取0. 23g的- 2.5%。和240mL去離子水丁 500mL三口燒瓶

8、中,通氮 氣攪拌15min,滴加8滴筑基乙酸，然后用2M的NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH=9,在強(qiáng)磁 力攪拌下通氮除氯15min,然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下快速一次性加入新制備的NaHTe/K 溶液1mL,繼續(xù)攪拌下加熱溶液至沸騰，回流反應(yīng)不同時(shí)間，得到顏色各異的透 明溶液,裝置如圖。在回流時(shí)間分別為Oh, 0.5h, l.Oh, 2. Oh, 3. Oh時(shí)，取出 反應(yīng)少量水溶液（5mL）,置于相應(yīng)的比色皿中，待測(cè)。在喑處，采用365nm的紫 外燈對(duì)所取樣品進(jìn)行輻照，觀察其熒光顏色。3.4. 3量子產(chǎn)率的計(jì)算（測(cè)量3h合成的量子點(diǎn)）稱取一定的羅丹明6G粉末溶解于無(wú)水乙醇中，配成濃度為IX 10-6M的溶液, 測(cè)

9、其在400nm下的吸光度和熒光光譜，調(diào)整CdTe溶液的濃度（稀釋5To倍）， 在400nm下測(cè)其吸光度小于0.1,之后測(cè)試該濃度下的熒光發(fā)射光譜根據(jù)公式計(jì)算CdTe的熒光量子產(chǎn)率。三、結(jié)果與討論3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象NaHTe的制備中，溶液中有氣泡產(chǎn)生，黑色溶液變紫色，然后乂變成無(wú)色。 由于反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放出氫氣，使瓶?jī)?nèi)氣壓增大,故瓶塞會(huì)跳動(dòng)，需要用手按緊， 保持密閉0CdTe量子點(diǎn)的合成中，通氮?dú)夥序v，無(wú)色溶液變橙色，且橙色越來(lái)越亮，蒸 汽沿冷凝管上升，到達(dá)一定高度后，逐漸冷凝形成水滴，沿冷凝管滴回反應(yīng)體系。3.2【據(jù)分析討論3. 2.1 譜分析:200Excitation wavelength/

10、(nm)700(iuu)/Mwud|dAeM uoissiuiaPL -ntens-ty%。osfizoolmPL -ntens-ty003(uju)/qi6ua|aAe uoissiui3一 , 一 « . *»一 .0800909s009I.1qI-25 1),1111300350400450500550600050Emission wavelength/(nm)125755025 至 Wl£-Jd激發(fā)光譜曲線先緩慢增長(zhǎng)，然后幾乎穩(wěn)定一段時(shí)間，接著出現(xiàn)一個(gè)較高的峰, 最后回落：發(fā)射光譜曲線先出現(xiàn)一個(gè)小突起，一段時(shí)間后，出現(xiàn)一個(gè)較高的峰，最后回 落。隨時(shí)間的推移

11、，譜峰波長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)，且譜峰高度也呈遞增趨勢(shì)。激發(fā)光譜中，Oh時(shí)，激發(fā)較弱，熒光強(qiáng)度較強(qiáng)；2h時(shí)，整條曲線強(qiáng)度較弱， 原因可能是含有雜質(zhì)，影響了激發(fā)。半頻峰和倍頻峰都是由于儀器的光源引起的, 不用把它們作為樣品的發(fā)射或激發(fā)峰來(lái)處理。4. 2. 2樣品的量子產(chǎn)率，網(wǎng)=9S% x黑x黑x (接)Z x爵16. 01%4.4. . 3影響量子產(chǎn)率的因素：溫度：隨溫度降低，溶液的熒光量子產(chǎn)率和熒光強(qiáng)度將增大。氧氣：本實(shí)驗(yàn)需在無(wú)氧條件下進(jìn)行，否則會(huì)被氧化生成雜質(zhì)，影響熒光光譜， 進(jìn)而影響量子產(chǎn)率。溶劑性質(zhì)：同一種熒光體在不同溶劑中，其熒光光譜的位置和強(qiáng)度可能發(fā)生 顯著變化，由于溶液中溶質(zhì)與溶劑分子之間存

12、在著靜電相互作用，而溶質(zhì)分子的 基態(tài)與激發(fā)態(tài)乂具有不同的電子分布，從而具有不同的偶極矩和極化率，導(dǎo)致基 態(tài)和激發(fā)態(tài)兩者與溶劑分子之間的相互作用程度不同，這對(duì)熒光光譜位置和強(qiáng)度 有很大影響。標(biāo)準(zhǔn)參考樣品的配制：標(biāo)準(zhǔn)參考樣品的濃度影響其熒光譜圖及吸光度，進(jìn)而影響量子產(chǎn)率。待測(cè)樣的濃度：樣品濃度影響吸光度，若待測(cè)樣的吸光度大于0.05,會(huì)發(fā) 生白吸，影響量子產(chǎn)率。4.5. 難點(diǎn)分析要在準(zhǔn)確的時(shí)間取溶液測(cè)定熒光光譜，時(shí)間的控制尤為重要：溫度過(guò)高， 易生成雜質(zhì)，不利于熒光的測(cè)定，；溫度過(guò)低，反應(yīng)不充分，故應(yīng)小心控制好溫 度的穩(wěn)定：反應(yīng)需在無(wú)氧條件下進(jìn)行，故需用氮?dú)獗Ｗo(hù)，溶液混合時(shí)，要快速一 次性的盡可能

13、多加入，防止溶液久置于空氣中被氧化；量:子點(diǎn)合成前一定控制液 體環(huán)境pH在9左右，不同的PH對(duì)熒光強(qiáng)度有影響，對(duì)發(fā)射峰的位置沒有影響。 3.4實(shí)驗(yàn)心得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行各項(xiàng)操作要盡量快速,避免藥品被氧化;應(yīng)控制好體系溫度， 保證反應(yīng)正常進(jìn)行；勤于觀察，準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并思考實(shí)驗(yàn)的局限性；進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須掌握好實(shí)驗(yàn)原理，謹(jǐn)慎思考、計(jì)算，找出產(chǎn)生誤差的原因，并 思考如何消除或減小誤差。更加理解了量子點(diǎn)光致發(fā)光的基本原理和熒光特性： 處于高能級(jí)的電子不穩(wěn)定，通過(guò)不同形式經(jīng)中間的激發(fā)態(tài)能級(jí)躍遷回基態(tài)而發(fā)光; 學(xué)會(huì)了熒光光譜儀的使用方法；學(xué)會(huì)了用Origin函數(shù)繪制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的 方法。參考文獻(xiàn)

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