1、云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 3(5):1-4 h t t p s:/q k g j.y n n u.e d u.c nJ o u r n a l o fY u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e sE d i t i o n)D O I:1 0.7 6 9 9/j.y n n u.n s-2 0 2 3-0 5 7F e S量子点的制备及其光学特性研究*张泰玮1,2,3,胡坤1,2,3,李国彬1,2,3,李学铭*1,唐利斌*2,3,杨培志1(1.云南师范大学 能源与环境科学学院
2、,可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室,云南 昆明6 5 0 5 0 0;2.昆明物理研究所,云南 昆明6 5 0 2 2 3;3.云南省先进光电材料与器件重点实验室,云南 昆明6 5 0 2 2 3)摘要:采用液相超声剥离法制备了尺寸可控的F e S量子点(Q D s),通过改变离心转速得到不同粒径的F e SQ D s.利用T EM对F e SQ D s的形貌和结构进行了表征;通过UV-V i s和P L光谱研究了F e SQ D s的光学特性.结果表明:当离心转速分别为4 5 0 0、3 0 0 0r/m i n和1 5 0 0r/m i n时,对应的F e SQ D s平均尺寸
3、为2.6、3.0n m和3.5n m;三组样品在紫外到红外波段(2 0 02 0 0 0n m)均有吸收,随着波长的增加吸收强度缓慢下降;此外,研究发现F e SQ D s具有光致发光特性,随着激发光波长增加P L峰红移,表明其发光具有波长依赖性.关键词:液相超声剥离;量子点;硫化铁;光学特性中图分类号:O 4 7 2+.3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-9 7 9 3(2 0 2 3)0 5-0 0 0 1-0 41 引言量子点(q u a n t u md o t s,Q D s)是一种零维半导体纳米材料,其尺寸通常比激子玻尔半径小,具有不同于块状材料的电学和光学特性.Q D
4、s可以通过改变尺寸的大小来调控其发光特性,具有良好的光稳定性和生物相容性,被广泛应用于生物成像、太阳电池、太阳能聚光器、传感器和发光二极管等领域1-5.C d、P b和H g等重金属的固有毒性限制了传统半导体Q D s的进一步发展,而F e S因对环境友好日渐受到关注.F e S属于六方晶系6,空间群为P 6 3/mm c,晶格常数a=3.4 3,b=3.4 3,c=5.7 9,=9 0.0,=9 0.0,=1 2 0.0,具有良好对称性和稳定性.近年来,人们通过研究发现F e S纳米材料具有许多独特的性质;A k h t a r等人7采用化学沉积(C B D)技术制备了F e S纳米薄膜,沉
5、积的薄膜结晶度高,附着力好,能带跃迁以及光致发光的能力都得到了极大的提高,在光电器件领域具有潜在的应用前景;Y a n g等人8采用高温化学合 成 法 制 备 了F e S纳 米 片,并 用 聚 乙 二 醇(P E G)进行功能化处理得到F e S-P E G,测试表明其具有超强的近红外吸收能力和强超顺磁性,可用于肿瘤的高效光热消融;Y a n g等人9采用白蛋白(B S A)约束的仿生方法合成了F e SB S AQ D s,平均尺寸约为3n m,在近红外区域表现出强烈的吸收,可用于肿瘤的光热治疗.不同方法制备的F e S纳米材料特性不尽相同,因此本文选择F e S粉末作为原料,采用液相超声
6、剥离法来制备尺寸可控的F e SQ D s,通过不同离心速度分离F e SQ D s以获得不同尺寸的样品并研究其光学特性,为F e SQ D s在宽光谱响应的光电器件应用方面提供相应的实验参考及依*收稿日期:2 0 2 3-0 7-3 1基金项目:云南省科技厅科技人才与平台计划资助项目(2 0 2 2 0 5 A C 1 6 0 0 2 6);“春城计划”高层次人才引进培养工程资助项目(2 0 2 2 S C P 0 0 5).作者简介:张泰玮(1 9 9 8-),男,山西临汾人,硕士研究生,主要从事光电材料与器件方面研究。通信作者:李学铭.E-m a i l:l x m s c i e n
7、c e 1 6 3.c o m.唐利斌.E-m a i l:s c i t a n g 1 6 3.c o m.据.2 实验2.1 F e SQ D s的制备采用 液 相 超 声 剥 离 法 制 备 尺 寸 可 控 的F e SQ D s:称取0.1 5gF e S粉末(纯度9 9.9%)置于研钵中研磨2h;将磨好的粉末倒入5 0m L的无水乙醇(纯度9 9.9%)中混合均匀;再将其置于超声仪中以1 2 0W的功率超声2h,超声后的溶液分成3份分别以4 5 0 0、3 0 0 0r/m i n和1 5 0 0r/m i n的转速离心5m i n,收集三组样品的上层清液,分别标记为A、B和C.2
8、.2 F e SQ D s的表征与测试采用透射电子显微镜(T EM,F E IT e c n a iG 2F 3 0S-T w i n)和M a t e r i a l sS t u d i o软件对F e SQ D s的尺寸、形貌和结构进行分析;采用紫外-可见分光光度计(UV-V i s,S h i m a d z uUV-3 6 0 0)和光致发光光谱仪(P L,H i t a c h iF-4 5 0 0)研究不同尺寸F e SQ D s的光学特性.图1 液相超声剥离法制备不同尺寸F e SQ D s的流程图F i g.1 F l o wc h a r to fp r e p a r a
9、 t i o no fF e SQ D sw i t hd i f f e r e n t s i z e sb y l i q u i dp h a s eu l t r a s o n i ce x f o l i a t i o n3 结果与讨论图1为 液 相 超 声 剥 离 法 制 备 不 同 尺 寸F e SQ D s的流程图,其原理是将F e S粉末溶解在合适的分散剂中,通过超声波作用产生的能量破坏分子间的作用力,促进材料的分离,随着超声波作用的不断进行,较大的颗粒逐渐剥离成不同尺寸的Q D s,最后通过不同转速的离心分离就得到不同尺寸的Q D s.为了考察F e S量子点的尺寸、
10、形貌和结构,对样品进行T EM测试,结果如图2所示;图2(a)、(d)和(g)分别是样品A、B和C的T EM图,黑色圆点为F e SQ D s,可以看出三组Q D s大小均匀,分散性良好;图中插图为粒径直方分布图,平均粒径分别为2.6、3.0n m和3.5n m,半 峰宽(FWHM)分别为0.8 9、0.7 7n m和0.9 7n m;图2(b)、(e)和(h)分别是样品A、B和C的HR-T EM图,它们的晶面间距依次为0.2 2 6、0.2 0 2n m和0.2 1 4n m,分别对应(511)、(135)和(128)晶面,利用M a t e r i a l sS t u d i o软件建立
11、对应晶面的晶体结构模型,分别如图2(c)、(f)和(i)所示,可以观察到F e原子和S原子沿着不同晶面有序排列,形成稳定的晶体结构.图2 不同尺寸F e SQ D s的T EM表征F i g.2 T EMc h a r a c t e r i s a t i o no fF e SQ D sw i t hd i f f e r-e n t s i z e s2云南师范大学学报(自然科学版)第4 3卷 图3(a)、(b)和(c)是不同尺寸F e SQ D s的UV-V i s吸收光谱图,可以清楚看到不同尺寸的F e SQ D s在紫外到近红外波段(2 0 02 0 0 0n m)都存在明显吸收,
12、且随着波长的增加吸收强度缓慢减弱;插图为样品在自然光(左)、2 5 4n m(中)和3 6 5n m(右)紫外光下的照片,随着粒径逐渐增大,在自然光下F e SQ D s溶液的颜色从浅灰色逐渐加深到灰色,最后呈灰黑色,在紫外光下溶液颜色同样从浅色逐渐变化至深色,且三组样品均存在明显的荧光效应.图3(d)、(e)和(f)分别是A、B、C三组F e SQ D s溶液的P L谱,可以看到当激发波长以2 0n m为步长从5 0 0n m依次增加到6 0 0n m时,样品A、B和C的P L峰均向长波方向移动,表明F e SQ D s的P L峰对激发波长具有依赖性.图3 不同尺寸F e SQ D s溶液的
13、UV-V i s光谱和P L光谱F i g.3 UV-V i ss p e c t r aa n dP Ls p e c t r ao fF e SQ D ss o l u t i o n sw i t hd i f f e r e n t s i z e s4 结语采用 液 相 超 声 剥 离 法 制 备 了 尺 寸 可 控 的F e SQ D s,利用 不 同 离 心 转 速 得 到 三 种 尺 寸 的F e SQ D s,并对其进行了尺寸、形貌、结构及光学性能测试.结果表明:所制备的三组F e SQ D s大小均匀,分散性良好,平均尺寸分别为2.6、3.0n m和3.5n m;UV-V
14、i s测试表明三组样品在紫外到近红外波段(2 0 02 0 0 0n m)均有吸收,且吸收强度随波长增加而减小,当波长大于4 5 0n m时三组样品吸收强度的下降趋于平缓;P L测试发现F e SQ D s在红外波段具有光致发光特性,且发光对波 长 具 有 依 赖 性.综 上 所 述,三 种 尺 寸 的F e SQ D s均表现出良好的光学特性,在光电探测器和生物成像等领域具有潜在的应用价值.参考文献:1 Z HUJ,TAN GY,WANGG,e ta l.G r e e n,r a p i d,a n du n i v e r s a l p r e p a r a t i o na p p
15、 r o a c ho f g r a p h e n eq u a n t u md o t su n d e ru l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o nJ.A C S A p p l i e dM a t e r i a l s&I n t e r f a c e s,2 0 1 7,9(1 6):1 4 4 7 0-1 4 4 7 7.2 G R I MJQ,B R A C K E RAS,Z A L A L UT D I NOV M,e t a l.S c a l a b l e i no p e r a n d os t r a i nt
16、u n i n gi nn a n o p h o-t o n i cw a v e g u i d e se n a b l i n gt h r e e-q u a n t u m-d o t s u p e r-r a d i a n c eJ.N a t u r eM a t e r i a l s,2 0 1 9,1 8(9):9 6 3-9 6 9.3 WU Y,YANX,Z HAN GX,e ta l.P h o t o v o l t a i cp e r-f o r m a n c eo fan a n o w i r e/q u a n t u md o th y b r
17、i dn a n o-s t r u c t u r ea r r a ys o l a rc e l lJ.N a n o s c a l e R e s e a r c h3 第5期 张泰玮,等:F e S量子点的制备及其光学特性研究L e t t e r s,2 0 1 8,1 3:1-7.4 H I L LSKE,C ONN E L LR,P E T E R S ON C,e ta l.S i l i c o nq u a n t u md o t-p o l y(m e t h y lm e t h a c r y l a t e)n a n o-c o m p o s i t e
18、sw i t hr e d u c e dl i g h ts c a t t e r i n gf o rl u m i n e s-c e n t s o l a r c o n c e n t r a t o r sJ.A C SP h o t o n i c s,2 0 1 8,6(1):1 7 0-1 8 0.5 WAN GX,HUAN GS,WAN GJY,e ta l.Ac h a r g es e n s o ri n t e g r a t i o nt ot u n a b l ed o u b l eq u a n t u m d o t so nt w on e i g
19、 h b o r i n gI n A sn a n o w i r e sJ.N a n o s c a l e,2 0 2 1,1 3(2):1 0 4 8-1 0 5 4.6 G ANO S E A M,J A I N A.R o b o c r y s t a l l o g r a p h e r:a u-t o m a t e dc r y s t a l s t r u c t u r e t e x t d e s c r i p t i o n s a n da n a l-y s i sJ.MR SC o mm u n i c a t i o n s,2 0 1 9,9(3
20、):8 7 4-8 8 1.7 AKHT A R M S,MEHMOO DRF,AHMA D N,e ta l.N a n o c r y s t a l l i n ea n d m o n o p h a s i ct h i nf i l m s o fm e t a l c h a l c o g e n i d e(F e S,Z n S)a n do x i d e(Z n O)b yc h e m i c a lb a t hd e p o s i t i o n(C B D)J.P h y s i c aS t a t u sS o l i d iA,2 0 1 7,2 1 4
21、(8):1 7 0 0 0 0 8.8 YAN GK,YAN GG,CHE NL,e ta l.F e Sn a n o p l a t e sa sa m u l t i f u n c t i o n a ln a n o-t h e r a n o s t i cf o r m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n gg u i d e dp h o t o t h e r m a l t h e r a p yJ.B i o m a t e r i a l s,2 0 1 5,3 8:1-9.9 Y A N GW,X I A N GC,X
22、 UY,e t a l.A l b u m i n-c o n s t r a i n e dl a r g e-s c a l es y n t h e s i so fr e n a lc l e a r a b l ef e r r o u ss u l f i d eq u a n t u md o t s f o rT 1-W e i g h t e dMR i m a g i n g a n dp h o t o-t h e r a n o s t i c so ft u m o r sJ.B i o m a t e r i a l s,2 0 2 0,2 5 5:1 2 0 1
23、8 6.S t u d yo nt h eP r e p a r a t i o na n dO p t i c a lP r o p e r t i e so fF e SQ u a n t u mD o t sZ H A N GT a i w e i1,2,3,H UK u n1,2,3,L IG u o b i n1,2,3,L IX u e m i n g*1,T A N GL i b i n*2,3,Y A N GP e i z h i1(1.K e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dT e c h n i q u e&P r e p a r
24、 a t i o nf o rR e n e w a b l eE n e r g yM a t e r i a l s,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,S c h o o l o fE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s,Y u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y,K u n m i n g6 5 0 5 0 0,C h i n a;2.K u n m i n gI n s t i t u t eo fP h y s i c s,K u n
25、 m i n g6 5 0 2 2 3,C h i n a;3.Y u n n a nK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dP h o t o e l e c t r i cM a t e r i a l s&D e v i c e s,K u n m i n g6 5 0 2 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:F e Sq u a n t u md o t s(Q D s)w i t hc o n t r o l l e ds i z ew e r ep r e p a r e db y l i q u i dp h a
26、 s eu l t r a s o n i c e x f o l i-a t i o n.F e SQ D sw i t hd i f f e r e n ts i z e sw e r eo b t a i n e db yc h a n g i n gt h ec e n t r i f u g a l s p e e d.T h em o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r eo fF e SQ D sw e r e c h a r a c t e r i z e db yT EM.T h eo p t i c a l p r o p e r t i
27、 e so fF e SQ D sw e r e s t u d i e db yUV-V i sa n dP Ls p e c t r a.T h e r e s u l t s s h o wt h a tw h e nt h e c e n t r i f u g a l s p e e d i s 4 5 0 0,3 0 0 0r/m i n,a n d1 5 0 0r/m i nr e s p e c t i v e l y,t h ec o r r e s p o n d i n ga v e r a g es i z eo fF e SQ D s i s2.6,3.0n m,a
28、n d3.5n m.T h r e eg r o u p so fs a m p l e ss h o w e da b s o r p t i o np r o p e r t i e sf r o mt h eu l t r a v i o l e tt oi n f r a r e db a n d(2 0 020 0 0n m),a n dt h ea b s o r p t i o ni n t e n s i t yd e c r e a s e ds l o w l yw i t ht h ei n c r e a s eo fw a v e l e n g t h.I na d
29、 d i t i o n,i t i sf o u n dt h a tF e SQ D sh a sp h o t o l u m i n e s c e n c e c h a r a c t e r i s t i c s,a n d t h eP Lp e a kr e d s h i f t i n c r e a s e sw i t h t h ee x c i t a t i o nw a v e l e n g t h,i n d i c a t i n gt h a t i t s l u m i n e s c e n c e i sw a v e l e n g t hd e p e n d e n t.K e y w o r d s:L i q u i dp h a s eu l t r a s o n i ce x f o l i a t i o n;Q u a n t u md o t s;I r o ns u l f i d e;O p t i c a l p r o p e r t i e s4云南师范大学学报(自然科学版)第4 3卷
