[发明专利]一种显著抑制俄歇复合的合金量子点及其制备和应用

说明书

本发明具体公开了一种显著抑制俄歇复合的合金层量子点(QDs)及其制备方法。合成过程中连续注入Cd、Zn、Se前驱体，利用原子具有不同的反应活性及原子扩散度的不同，合成了一种CdSe/Cd_1‑xZn_xSe合金层QDs。该合金层QDs由于从CdSe核到ZnSe壳其x值几乎是连续分布的，实现了带内俄歇复合和带间俄歇复合的显著抑制。采用n掺杂(电子掺杂)的合金QDs，其negative trion的俄歇复合被完全抑制了，仅以辐射方式进行复合。该合金层QDs表现出的种种优异光学性能表明了其今后应用于低阈值激光器、发光二极管(LED)及“non‑blinking”非闪烁光源具有极大优势及发展潜力。

技术领域

本发明专利属于抑制QDs俄歇复合技术领域，尤其涉及一种显著抑制俄歇复合的合金层量子点(QDs)及其制备方法。

背景技术

在半导体中，俄歇复合是电子(e)和空穴(h)的复合能不以光子的形式释放，而是将能量转移给第三个电荷的非辐射衰变过程。在胶体量子点(QDs)中，由于其强的量子限域效应，俄歇复合过程更加显著，这就导致了经典QDs中双激子寿命在几～几百个ps量级。因QDs在应用中会不可避免的存在多载流子态，其极其快的俄歇复合过程极大的阻碍了QDs在光伏和光电装置中的高效应用，比如QDs激光(依赖于多激子态的光增益)，QDs太阳电池(取决于多激子产生的效率)。除了中性的多激子态，由于e和h注入或提取的速率存在差异，QDs中会产生带电激子(三体)，其俄歇复合会和光辐射或电荷转移过程竞争，均不利用相应器件性能的提高。这些中性多激子和带电激子的俄歇复合，因其对应带间的e-h复合而被归为带间(interband)俄歇过程。同时，QDs中另一个重要的俄歇过程是带内(intraband)俄歇复合，是指电子的带内驰豫能转移给空穴，空穴通过快速与声子作用将能量耗散掉，故QDs中热电子寿命由于快速的带内俄歇复合而只有亚ps时间尺度，该过程限制了QDs热载流子器件的实现和多激子的高效产生。

为了实现基于QDs器件和技术的实际应用，必须抑制上述的QDs中的两种俄歇复合过程。过去的几十年也发展了许多不同的策略来抑制俄歇复合，主要包括纳米晶形貌调控(纳米棒、纳米片)和通过核/壳结构调控波函数，这些方法大多数只取得了极小的成功。例如，采用准-类型II QDs实现e-h分离，的确抑制了俄歇复合，但同时减慢了e-h辐射复合速率，故俄歇复合仍要显著快于辐射复合。

根据Efros发展的理论，具有“类抛物线”光滑的限域势比“类台阶”式的QDs能够实现俄歇复合的高效抑制，其降低了e-h复合过程中带内重激发过程发生的几率(在k空间初始态和最终态的动量守恒)。尽管俄歇复合也在CdSe/CdS QDs体系中得到了有效抑制，但该体系无法实现界面合金化的人为有效控制。这些报道都是基于单点测量，非闪烁QDs区域可被人为筛选，目前也是存在争论的。尽管有些采用合金层的QDs报道了明显的提高的双激子和negative trion(三体)辐射量子效率(10％～20％)的例子，但目前还是存在足够大的空间以实现俄歇复合的进一步抑制。

我们设计并合成了具有连续能级梯度变化的CdSe/Cd_1-xZn_xSe QDs(合金层QDs)，严格控制制备条件，使CdSe核到外层ZnSe壳组分实现连续梯度变化，模仿上述理论要求的“类抛物线光滑限域势”。我们通过瞬态吸收谱(TAS)和时间分辨的荧光(PL)谱，检测了该合金QDs的双激子辐射效率可提高至40％；同时，该QDs带内俄歇也被高效抑制，其热电子寿命到最大值需要～60ps，明显不同于等效体积QDs的亚ps时间尺度。最重要的是，通过电子掺杂(n掺杂)该QD，我们发现其negative trion(三体)俄歇复合被完全抑制掉了，而仅以辐射形式存在。我们这种显著抑制俄歇复合的合金层合金QDs及其制备方法，为今后优异光学性能QDs材料的设计和组装提供了基础，为最终实现基于QDs的器件(激光器、发光二极管等等)奠定了前提。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够显著抑制俄歇复合的合金层量子点及其制备方法，以解决上述存在的俄歇复合较难高效抑制的技术问题。