[发明专利]一种使中间带隙半导体纳米晶实现光学性质转变的方法

说明书

本发明提供了一种通过外延生长CdS量子点的方法，将中间带隙半导体纳米晶从具有等离子体共振吸收的光学特性向激子特性转变。近些年来，中间带隙半导体纳米晶由于具有独特的光学性质，对光电和光伏器件等应用具有重要意义而受到广泛关注；然而关于纳米级的中间带隙半导体的光电性质还有待进一步的探索。在本发明中，通过在Cu₃VS₄这种三元铜硫系中间带隙半导体纳米晶外延生长CdS量子点，即改变纳米晶周围介质环境，实现了该中间带隙半导体纳米晶光学性质的转变。为进一步研究用于太阳能捕获的纳米级的中间带隙半导体的光电性质奠定了一定基础。

技术领域

本发明专利属于三元铜基硫系纳米晶光电性质研究，尤其是涉及一种通过外延生长CdS量子点使中间带隙半导体纳米晶实现从等离子体共振吸收特性向激子特性转变。

背景技术

近三十多年来，胶体半导体纳米晶由于其尺寸和形貌依赖特性以及丰富的表面物理化学性质而一直受到科学界的关注。其中三元纳米晶其相较于研究比较成熟的二元纳米晶来说，不仅可以通过大小、形貌实现可调性，而且还可以通过组成(改变化学计量比)来控制光电性质；目前铜基三元硫系纳米晶中CuInS₂纳米晶研究最多，其可以实现通过尺寸和化学计量比，掺杂等来提高发光量子效率，并在较宽的能量范围内调节带隙，在光伏器件等领域有很广泛的应用。而还有大量的铜基三元纳米晶无论其合成工艺还是光电性质研究都还不够成熟，需要不断地探索，研究发展，并希望最终能够实现应用价值。

铜基铜基三元硫系纳米晶中有另一类具有特殊光电性质的三元化合物质即中间带隙半导体，这些材料的带隙内存在一个中间能级，不仅能够吸收与带隙匹配的高能光子发生电子跃迁，还可以吸收次带隙能量光子促进电子从价带(VB)向中间带隙(IB)再向(CB)跃迁，从而能够更有效地吸收太阳辐射。中间带隙半导体提供一种有效的方法对于上转换，可能提高Shockley–Queisser转换效率，但目前尚未对其进行大量探索。

而本发明主要集中于Cu₃VS₄纳米晶的光电性质研究，目前该纳米晶仅仅报道其胶体纳米晶合成方法，文献根据DFT理论结果表明该纳米晶具有中间带的电子结构，而根据文献得知在这种中间带隙半导体(全介电材料)也具有等离子体共振吸收特性，尽管其不存在类似纳米金属颗粒一样的大量基态自由载流子，但是却可以由带间电子跃迁产生负介电常数，而IB的存在使condition(FC)共振能量显著降低；所以介电环境十分影响其FC共振能，因此本发明使通过外延生长量子点的方法改变介电环境，同时结合超快吸收光谱(TA)的光谱及动力学图来对IB纳米晶光电性质进行进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种通过外延生长CdS(或ZnS)量子点来改变纳米晶的介电环境，从而实现IB纳米晶从等离子体共振吸收特性到发光光学性质的转变，为最终实现IB纳米晶在光电领域的应用奠定一定基础。

一种通过外延生长量子点的方法，其制备方法包括以下步骤：先按照进行了一定调整的文献的方法合成中间带隙半导体纳米晶Cu₃VS₄，然后加入一定量ODE稀释到一定浓度，然后一定温度下真空直至没有气泡冒出，接着通氩气升温，约120℃左右时，注入约1mLCd(OA)₂保持十分钟左右来引发反应发生,紧接着继续升至反应温度后将预先制备好的相同体积Cd(OA)₂和S(ODE+OlAm)用注射泵按照一定的速率注入Cu₃VS₄纳米晶中；待反应结束后，分别用乙醇、正己烷溶液反复清洗三次，最后分散在正己烷中。为了获得最佳外延生长量子点的最佳量，分别对前驱体注入温度，注入速率，注入体积做了优化。

为了检测合成CdS量子点是否真正按照预期生长在Cu₃VS₄的外围我们对纳米晶样品进行了高角环形暗场扫描成像(HAADF-STEM)、透射电子显微镜(TEM)表征，见附图1和图2。