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激光技术开辟量子点合成新途径

2013-08-16 09:05
棒棒书香
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  ——日前,材料学院量子点材料与器件研究组开发出环保高效的单分散量子点合成新工艺,成果发表在Nature Communications(自然通信)上,论文第一作者为材料学院的杨静副教授,通讯作者为材料学院杜希文教授。这是世界上首次报道物理方法合成单分散量子点。

  量子点,又称为半导体纳米晶,是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1~10 nm之间, 由于电子和空穴被强烈受限在微小体积内,使量子点具有了量子限制效应,表现出许多独特的物理性质,比如量子点的发光波长随尺寸变化连续可调,量子点受到一个光子照射后可以产生多个自由电子,使其光电转化效率相比于体材料的半导体成倍提高等等。基于这些独特的优势,量子点在太阳能电池、发光器件、生物标记等领域具有广阔的应用前景。尺寸差别小于10%的量子点被称为单分散量子点,这种粒径均匀的单分散量子点由于其良好的可加工性和性能一致性,在纳米电子学器件中具有极大的应用潜力。

  传统的量子点制备工艺多采用胶体化学方法,这是一种“自下而上”的方法,即采用多种前驱体在高温下发生化合反应得到目标分子,然后成千上万个目标分子堆积聚集生长成一个量子点。这种方法不仅需要复杂的前驱体,而且合成过程耗时很长,少则几个小时多则几天的时间。此外为了获得均匀的单分散量子点,通常使用表面活性剂,而表面活性剂会影响下一步的使用,要通过复杂的工序予以去除。因此胶体化学的方法会产生大量的污染物,对环境造成了沉重的负担。

  量子点材料与器件研究组经过多年探索,独辟蹊径,提出了“自上而下”单分散量子点合成工艺,该工艺采用“温和”的长脉宽红外激光辐照大颗粒半导体的悬浮液,将不均匀的大颗粒转变成单分散的细小量子点。这种工艺的关键之处在于巧妙地利用了量子点的量子限制效应:大尺寸的半导体颗粒带隙较窄,可以吸收长脉宽红外激光,被加热气化,再重新凝聚成很小的量子点。而一旦变成量子点,由于量子限制效应,其光学带隙变宽,就变得对红外激光透明,从而免于被激光加热破坏。在这种作用下,大颗粒的半导体不断被加热破坏,而粒径均一的小尺寸量子点不断形成,最终溶液中只剩下单分散量子点。由于这种工艺本质上是一种物理破碎,原料广泛,甚至可以使用直接开采的矿石,因此绿色环保,整个过程几乎不产生任污染物。而激光法具有方便快捷的特征,只需短短几分钟就能够获得高质量的单分散量子点。

  预计未来这一清洁技术可以帮助获得更加廉价的量子点,使其在疾病诊断、水污染检测、光电转换等领域发挥更加显著的作用。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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