硅量子点的合成、修饰及性质研究

【摘要】能源与信息技术的高速发展对功能无机半导体材料提出了新的要求和挑战,例如研发高效、廉价、性能稳定、环境友好的光伏器件材料,能够与硅基半导体工艺兼容的新型有机-无机杂化光电材料等。硅纳米材料是有望在上述两个领域取得突破的重要材料之一,化学合成技术与近年来纳米技术的发展为硅基纳米功能材料的合成与器件制备提供了有力的支持。本文针对我国在能源和信息领域的发展计划和方向,拟通过分子设计与合成技术与纳米制备技术相结合,以有机-无机杂化、性能互补与耦合为指导思想,调控硅基纳米杂化材料的光电性能为直接目标,研究开发尺寸、结构、掺杂及表面功能分子修饰可控的硅纳米晶的制备方法和工艺,研究硅纳米晶材料结构与物理特性之间的关系,为实现硅基杂化材料应用于光电器件提供材料基础和新的可能性。本文在相关理论的指导下,以功能为导向、合成为手段、研究为目的,开发了一系列具有较好光电性质的硅纳米材料。具体工作介绍如下：第一章：以介绍纳米材料作为出发点,从阐述半导体量子点以及硅纳米材料入手,引入硅量子点的概念并对其分类、合成方法和特性做了简要说明；第二章：量子约束效应中,报道得最多的是量子尺寸效应,即随着量子点尺寸的减小,带隙增加。这意味着对于具有固定化学组成和晶体结构的某种材料,仅仅凭借其物理尺寸的变化就可以调节其光学性质。所以,Si纳米晶以及量子点的可控合成,对于其本身的性质和应用具有至关重要的作用。在本章中,我们通过高温煅烧并还原一氧化硅,金属镁还原二氧化硅和氢气还原二氧化硅凝胶的方法,成功合成出硅量子点,并研究了不同反应条件对于Si纳米晶和量子点尺寸、形貌以及性质的影响。使用高温气相还原法,我们可以依据不同的条件将Si量子点的尺寸控制在2-10nm之间,为以后的工作打下了坚实的基础。此外我们还尝试使用金属钠和LiAlH4等物质,还原正硅酸乙酯和多种硅烷,以期获得硅量子点；第三章：有机光电功能分子已经在许多领域被广泛的应用,但其作为修饰基团与硅量子点相结合却几乎没有被报道。出于这个原因,蒽及其衍生物首先引起了我们的关注。19世纪60年代,Pope和Kallmann发现了晶体葸的电致发光现象,这项成就大大促进了有机发光二极管(OLED)设备的发展。此后,大量基于葸衍生物的电致发光材料和器件被陆续报道和应用。因此在本章中,我们使用9-乙烯基葸作为有机功能分子,成功对硅表面进行了修饰。有趣的是,该化合物不仅在431nm处具有较强的9-乙烯基葸的发光,而且还保留了硅本身在824nm处的发光。这种具有双发射的硅量子点还鲜有报道。同时,咔唑及其衍生物是典型的富电子基团,因此它们具有良好的空穴传输能力和高发光能力。N-乙烯基咔唑是合成聚乙烯基咔唑(PVK)的单体原料,PVK是一种经典且重要的以空穴导电为主的聚合物,可作为感光材料,耐高温电绝缘材料或者高频绝缘器材,而N-乙烯基咔唑本身则具有较强的荧光,我们成功的将其修饰到硅量子点表面,并对其荧光光谱进行了研究,结果表明N-乙烯基咔唑本身的发光在366nm,修饰在Si量子点的表面后,其发光波长位置发生了8nm的蓝移,表明了配体和Si量子点之间具有较强的相互作用；第四章：由于制备出的硅量子点表面化学活性很高,暴露在空气中十分容易氧化,因此人们通常使用有机分子来钝化保护硅量子点的表面,经常用到的是含有-CH3,-COOH或-NH2等基团的烷基分子,一方面防止了氧化现象的发生,另一方面还可以提高Si量子点在有机或者水溶液中的分散性。另外一种保护和功能化量子点表面的手段是在其表面包覆无机壳层,从而形成核壳结构的量子点,例如ZnS或CdS可以包覆量子点形成CdSe/CdS,CdSe/ZnS,CdTe/CdS,PbS/CdS和InP/CdS等核壳结构量子点。这种结构的量子点还可以在接下来的合成中对其表面进行修饰,或是再次生长一次壳层。与修饰有机分子来保护量子点的方法相比,无机壳层可以提供更加紧密的保护来隔绝外部环境的影响。基于这些优点,我们试图通过在硅量子点表面包覆无机壳层来对其进行功能化的修饰和保护。在本章中,我们首次报道了Si/CdS核壳结构量子点的合成及其光电性质的表征。研究发现,Si/CdS核壳结构量子点同时具有CdS的本征发光(约400nm附近)和表面态的发光(约600nm附近)。当CdS壳层的厚度不断增加时,其两条发射峰的位置分别在430-560nm和474-683nm的范围内发生了红移。对其导电性质研究也表明,随着CdS壳层厚度的增加,其导电性不断增强。因此,我们可以通过控制CdS壳层的厚度来调控该类量子点的光学和电学性质。
【作者】王冠；
【导师】游效曾；徐翔星；
【作者基本信息】南京大学，化学，2014，博士
【关键词】纳米；材料；硅；量子点；光电性质；

【参考文献】
[1]李永恒.滚珠丝杠伺服进给系统机电耦合特性的研究[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[2]涂雅蓝.唐代佛道领域琴之传播研究[D].华中师范大学,音乐学,2013,硕士.
[3]张恒.两岸金融合作与交流深化的制度创新研究-ECFA的论述[D].南开大学,2012.
[4]柯瑞斯（CristelV.CalderonRuiz）.哥斯达黎加旅游业在中国市场的广告策略分析[D].大连海事大学,企业管理,2014,硕士.
[5]蔡施思.父母教养方式与青少年社会适应性的关系[D].东北师范大学,心理健康教育,2012,硕士.
[6]徐娟,姚如贵,李路,高凡琪.CMMB标准中基于优化稀疏LU分解LDPC编码算法研究[J].西安电子科技大学学报,2015,02:146-151.
[7]王广宇.中国银行业的风险管理[J].金融电子化,2003,08:9-12.
[8]刘晶波,刘阳冰,闫秋实,韩强.基于性能的方钢管混凝土框架结构地震易损性分析[J].土木工程学报,2010,02:39-47.
[9]李姿潼.无卤阻燃EVA复合材料的制备及性能研究[D].大连工业大学,材料学,2010,硕士.
[10]宋元.L大学非编人员薪酬体系再设计[D].厦门大学,工商管理,2014,硕士.
[11]扈琰璐.系统动力学视角下金融生态环境研究[D].山东财经大学,金融学,2014,硕士.
[12]马添翼,金新民.基于自适应负序电流虚拟阻抗的微电网不平衡控制策略[J].电力系统自动化,2014,12:12-18.
[13]闫晓磊.基于uCOSⅡ称重系统的设计与实现[D].苏州大学,电子与通信工程（专业学位）,2014,硕士.
[14]周永强.江苏省农业保险联办共保制度研究[D].南京农业大学,农业推广,2012,硕士.
[15]赵丹丹.《婚姻法》司法解释（三）中房屋确权问题之探讨[D].新疆大学,法律,2013,硕士.
[16]戴福林.股东构成与创业板IPO抑价研究[D].首都经济贸易大学,企业管理,2014,硕士.
[17]柳明.钛酸锂与电解液界面反应活性研究[D].清华大学,材料工程（专业学位）,2013,硕士.
[18]朱杰.无线传感器网络事件监测与环境感知算法研究[D].中国科学技术大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[19]赵坤.城轨交通车载超级电容储能系统能量管理及容量配置研究[D].北京交通大学,2013.
[20]刘玥.《阿斯托里亚》翻译实践报告[D].山东大学,英语笔译（专业学位）,2013,硕士.
[21]张贵有.利用寄生蜂防治山楂粉蝶[J].内蒙古林业.1988(05)
[22]张青.房屋强制置换的适用原理与运作程序初探[D].华东政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[23]牛强.基于伺服运动测控系统的实验、分析与研究[D].山东建筑大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[24]吴荣荣.直投式酸奶发酵剂的产业化研究[D].河北农业大学,农产品加工及贮藏工程,2004,硕士.
[25]廉美阳.中西医结合疗法在胫骨平台骨折术后康复治疗中的作用及临床研究[D].湖北中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2013,硕士.
[26]李国荣.生物信息学又一场大比拼[J].中国科技财富,2003,Z1:96-99.
[27]李杰.树枝状大分子破乳性能与破乳机理研究[D].大庆石油学院,化学工艺,2004,硕士.
[28]解慧.城市轨道交通车站疏散能力瓶颈识别及仿真研究[D].北京交通大学,系统工程,2013,硕士.
[29]张坤.普通高校体育院系足球专修班课堂教学活动中的风险因素分析及风险管理[D].扬州大学,体育教育训练学,2011,硕士.
[30]鲁敏.生态农业观光园规划设计[D].湖北大学,人文地理学,2011,硕士.
[31]徐静.油脂加工厂废水再利用于冷却循环水的技术研究[D].天津大学,环境工程,2013,硕士.
[32]桂彬.基于有机农场的服务设计及品牌战略研究[D].湖北工业大学,设计艺术学,2014,硕士.
[33]包福喜.钴基金属氧化物的合成及其赝电容性质的研究[D].吉林大学,无机化学,2014,硕士.
[34]殷艳红.一类奇异边值问题的Legendre谱配点方法[D].河南科技大学,应用数学,2014,硕士.
[35]沈元令.中国锅炉水处理设备和药剂生产的调查[J].北京市计划劳动管理干部学院学报.1999(04)
[36]张蕴.胎儿心脏超声短轴平面测量肺动脉、主动脉内径两者比值在中孕期产前筛查胎儿心脏流出道畸形中的评价[D].复旦大学,妇产科学,2012,硕士.
[37]郭莉莎.MgZnMn和MgZnRe合金的体外生物相容性评价[D].西南交通大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[38]周颖,杨富文,樊春霞.具有测量数据丢失的大系统鲁棒H_∞控制[J].控制与决策,2012,07:1109-1112.
[39]孙腾飞.脊髓造影伴CT3D定位诊断及指导治疗多节段腰椎管狭窄症[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[40]张承倩.利用酵母双杂交筛选随机多肽文库的方法研究AP3D1蛋白Ear结构域的结合特性[D].郑州大学,生物工程（专业学位）,2013,硕士.
[41]杨丹.新型线型和星型齐聚物光物理性质的研究[D].吉林大学,光学,2013,硕士.
[42]李涛.电力行业垄断的法律规制问题研究[D].苏州大学,法律,2012,硕士.
[43]赵国柱,宋文艳,张若凌.超临界态碳氢燃料流固耦合传热及热裂解的计算方法研究[J].推进技术,2014,12:1.
[44]韩凡.黄连属植物遗传多样性分析和铁皮石斛原球茎细胞学观察[D].西南交通大学,生化与分子生物学,2012,硕士.
[45]杨样.枪钻加工直线度控制的关键因素研究[D].中北大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[46]吕侠影,姜绍通,余振宇,吴超平.苦丁-荔枝复合饮料的研制[J].食品工业科技.
[47]郭露露.关于中日“喜怒哀乐”表达的研究[D].山东师范大学,日语语言文学,2013,硕士.
[48]唐嫄.益肾填精法治疗慢性脑供血不足的临床研究[D].北京中医药大学,中医内科学,2013,硕士.
[49]梁韬.左旋多巴甲酯对剥夺性弱视猫外侧膝状体神经细胞的影响[D].广西医科大学,药理学,2013,硕士.
[50]朱立文.企业资产重组的价值创造研究[D].海南大学,企业管理,2014,硕士.