西南民族大学本科论文实验设计

《西南民族大学本科论文实验设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西南民族大学本科论文实验设计（24页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、.本 科 生 毕 业 设 计 (论 文)题目：碲化镉量子点合成的优化Cadmium telluride quantum dots synthesis optimization教学单位 西南民族大学化环学院姓 名 习再益学 号 2年 级 2021级专 业 化学工程与工艺指导教师 万静、孟宪伟、任湘菱2021 年 4月 1日摘要：近年来，量子点由于其强尺寸荧光性质、较强的发光强度和抗光漂白能力、较窄的发射光谱等独特的光学特性，受到许多研究者的广泛关注。由于量子点的尺寸很小，量子点的稳定性和外表质量由其化学组成和制备方法所决定，因此，如何选择合理的制备方法，并合理控制量子点在不同环境中的生长过程是获

2、得高质量量子点的关键。水相合成量子点具有本钱低、重复性好、易操作和可大批量制备等优点，而且制得的粒子具有良好的水溶性及生物相容性，因此水相合成量子点是合成量子点非常好的选择。本文将从量子点的根本理论出发，对量子点的性质、应用、合成方法和量子点复合材料做系统介绍。然后用水热法合成水相量子点原理与方法来合成碲化镉量子，对实验优化和改进，通过实验来研究量子点生长的影响因素，同时合成质量较好的量子点。关键词 ：量子点，量子点性质，量子点应用，量子点复合材料应用，碲化镉合成Abstract: in recent years, the size of quantum dots because of its

3、 strong fluorescence properties, strong ability of luminous intensity and resistance to photobleaching, narrow emission spectrum, such as the unique optical properties, and received e*tensive attention of many researchers. Because of the quantum dot size is small, the stability of the quantum dots a

4、nd the surface quality is determined by its chemical position and preparation method, therefore, how to choose the reasonable preparation methods, and reasonable control of quantum dots in a different environment in the growth process is the key to obtain high quality of quantum dots. Aqueous phase

5、synthesis of quantum dots has low cost, good repeatability, easy to operate and can be mass preparation and other advantages, and the particle system has good water solubility and biopatibility, so the water phase synthesis of quantum dots is a very good choice.This article will start from the basic

6、 theory of quantum dots, the nature of quantum dots, application, synthesis method and the quantum dot posite material system is introduced. Synthesis method of aqueous phase and then hot water principle and method for synthesis of cadmium telluride quantum dot quantum, optimization and improvement

7、of e*periment, through the e*periment to study the effect of quantum dot growth factors, a better quality of synthesis of quantum dots at the same time.Key words: quantum dots, quantum dot properties of quantum dots, quantum dot posite material application, synthesis of cadmium telluride.目录第1章 前言 04

8、第11节 量子点的根本概念 05第1.1.1节 量子点概述 05第1.1.2节 量子点的开展背景 05第1.1.3节 量子点的性质 05第节 量子点的应用 09第节 量子点的合成方法 12第12节 量子点复合材料及其应用 14第1.2.1节 量子点与无机材料的复合及应用 15第1.2.2节 量子点与有机材料的复合及应用 15第13节 论文设想 16第2章 实验 17第21节 实验试剂和仪器. 17第22节 碲化镉量子点的制备 17第节 实验原理 17第节 实验步骤 18第节 检测方法 18第节 实验结果和讨论 19第23节 结论 32参考文献34致35第一章 前言第1.1节 量子点概述第1.1

9、.1节 量子点的根本概念量子点Quantum dots，Qds，又称为半导体纳米微晶体Nanocrystals，NCs或半导体纳米粒子Nanoparticles，NPs，是一种由-(如Cds，CdSe，CdTe，ZnS，ZnSe，ZnSe，ZnTe等)或-如GaAs，InP，InP等)族元素组成的，直径约为1nm100nm，能够承受激光发光产生荧光的半导体纳米颗粒。假设严格定义量子点，则必须由量子力学出发，电子的物质波特性取决于费米波长，F =2 /kF。在一般材料中，电子的波长远小于材料尺寸，量子局限效应不显著。假设将*一维度的尺寸缩小到一定波长，此时电子只能在另两个维度所构成的二维空间中自

10、由运动，这样的系统被称为量子阱，假设将另一维度的尺寸缩小到小于一个波长，电子只能在一维方向上运动，我们称之为量子线，当第三维度的波长都缩小到一个波长以下，就形成了量子点如1.1.1-1图所示。图1.1.1-1 量子点的形成来自.docin.由此可见，并非100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意波长决定的。量子点三维的尺寸都在100nm以下，外观恰似一个极小的点状，其部电子在各个方向都受到限制，所以量子局限效应特别显著。由于量子局限效应导致类似原子的不连续电子的能级构造，因此量子点又被称为“人造原子。这种特殊的能级构造，使得量子点表现出独特的物理性质，如量子尺寸效应、量子

11、隧道效应、库伦阻塞效应、外表量子效应、量子干预效应、多体相关和非线性光学效应等，它对于根底物理研究、新型电子和光学器件都有很重要的意义。第1.1.2节 量子点的开展背景现代量子点技术要追溯到上世纪70年代中期，它是为了解决全球能源危机而开展起来的。一些研究工作者们通过光电化学研究，开发出半导体与液体之间的结合面，以利用纳米晶体颗粒优良的体外表积比来产生能量。初期研究始于上世纪80年代早期2个实验室的科学家贝尔实验室的Louis Brus博士和前联Yoffe研究所的Ale*ander Efros和Victor.I.Klimov博士。Brus博士与同事发现不同大小的硫化镉颗粒可产生不同的颜色如图1

12、.1.2-1所示。图1.1.2-1 不同颜色的硫化镉量子点来自百度图片该效应解释了量子点大小和颜色之间的相互关系，也同时也为量子点的应用铺平了道路。1997年以来随着量子点制备技术的不断提高，量子点己越来越可能应用于生物学研究。1998年，Alivisatos和Nie两个研究小组分别在Science上发表有关量子点作为生物探针的论文，首次将量子点作为生物荧光标记，并且应用于活细胞体系，他们解决了如何将量子点溶于水溶液，以及量子点如何通过外表的活性基团与生物大分子偶联的问题，由此掀起了量子点的研究热潮。第节 量子点的性质半导体量子点是由数目极少的原子或分子组成的原子或分子团簇，是一种介于体相材料

13、与分子之间的物质状态，当颗粒进入纳米级以后，尺寸限域将引起量子尺寸效应、介电限域效应、外表效应、量子隧穿效益等，从而派生出纳米材料的多维特性，展现出许多不同于宏观材料和微观体系的物理化学性质。1.量子点的根本性质1量子尺寸效应：对于半导体块材料，其电子能带是由存在能级差的价带和导带组成，价带和导带之间能级是准连续的。当粒子尺寸降到*一临界值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，出现不连续的最高被占分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这种半导体准连续能带变为别离的能级构造以及能隙变宽均称为量子尺寸效应。通过控制量子点的尺寸，就可以方便地调节能隙宽度、激子束缚能的大小等电子状态。随着量

14、子点尺寸的逐渐减小，量子点的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱均出现明显的蓝移现象，同时伴有多个分立的激子吸收的峰出现。如图1.1.4-1，随着量子点尺寸的增大，团簇原子数增加，成键轨道与反键轨道能级不断增多，禁带宽度减小，即随着量子点尺寸的增大，量子点的带隙减小，发射峰红移。图1.1.3-1 量子尺寸效应原理图及不同粒径量子点构造图来自段红艳文献报道 2小尺寸效应：当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导体的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当比更小时，晶体周期性的边界条件将破坏；非晶体纳米颗粒外表层附近原子密度减小，导致光、声、电、磁、热、力学等性质呈现出不同于宏观物理性质的变化，称小

15、尺寸效应。3外表效应：外表效应是指随着量子点的粒径减小，其比外表积增大，从而外表原子数增多、外表原子配位缺乏、不饱和键和悬挂键增多，导致纳米粒子存在大量外表缺陷并且极不稳定。这种外表效应将引起外表电子自旋构象和电子能谱的变化。外表缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质，这会引起量子点部构造，特别是外表晶格的畸变，晶格常数变小，从而发生显著的晶格收缩效应。4宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力被称为隧道效应。即微观粒子的总能量小于势垒高度时，该微观粒子仍能穿越过势垒。人们发现一些宏观量产生势垒并发生变化，因此称之为宏观量子隧道效应。这个效应与量子限域效应一起确定了微电子

16、器件进一步微型化的极限，同时也限定了采用磁带磁盘信息储存的最短时间。5介电限域效应:介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系节点增强的现象，主要来源于微粒外表和部局部场的增强。当介质的折射率和微粒的折射相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒外表和部的场强比入射场强明显增加，这种局域场的增强称为介电限域效应。由于纳米粒子的尺寸小于载流子的自由程，因此可以降低光生载流子的复合。当在半导体超微粒外表上修饰*种介电常数较小的材料时，它们的光学性质与裸露的超微粒相比发生了较大的变化。在分析纳米材料的光学性质时，不仅要考虑量子尺寸效应还要考虑介电限域效应，当介电限域效应引起的能量变化大

17、于由于尺寸量子效应所引起的变化时，超微粒的能级差将减小，反映到吸收光谱上就表现为明显的红移现象。如图1.1.3-2 ，由于介电限域效应，随着颗粒尺寸的减小，相对于半导体量子点材料，其带隙增大，吸收光谱蓝移，且尺寸越小，蓝移程度越大。图1.1.3-2 不同粒径 CdTe 纳米晶的吸收黑线、发射光谱灰线图来自段红艳文献报道2量子点的光学特性量子点由于其量子尺寸效应和介电限域效应，使其具有传统有机染料和荧光蛋白无法比拟的光学特性，可广泛应用于光电器件、分子检测和生物标记等领域。量子点所特有的光学特性介绍如下。1荧光激发和发射光谱：量子点的荧光激发光谱宽，且连续分布，因此可以采用单一波长光源同时激发不

18、同颜色的量子点。罗丹明红和红色荧光蛋白的激发波长围较窄，一般需要多种波长的光来激发多种荧光染料，获得不同颜色的发射光。这种方法操作步骤复杂且实验本钱高，量子点的出现降低了激发光源的要求，因此大大简化了实验过程的难度和本钱。量子点的发射光谱窄而对称，在多通道分析中，可以同时使用不同发射波长的量子点进展多色荧光检测，而不用担忧由光谱重叠而引起的灵敏度和精准度降低的问题。2)荧光发射波长尺寸谐调：量子点的发射波长可以通过控制其尺寸来进展调节，目前人们合成的量子点荧光发射波长可覆盖整个可见光区、近红外及远红外光区。传统荧光染料在800nm以上，发光的种类较少，量子点可以弥补这方面的缺乏，可用于近红外或

19、远红外光区光电探测、传感；在生物医学成像领域，可以减小生物组织对发射光的吸收，提高组织的穿透深度，同时防止生物自身荧光干扰，提高成像的灵敏度。3光稳定性：量子点的光稳定性远远高于传统的荧光材料，经过反复屡次或长时间的激发后，量子点依然可以保持较高的荧光强度，而染料的荧光则迅速衰减或淬灭 。量子点的光学稳定性比目前通用的有机染料提高了100倍以上，其荧光亮度也比罗丹明6G高20倍。因此，量子点可以对标记的物体进展长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。4)斯托克斯位移：量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以

20、防止发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。有机荧光染料的斯托克斯位移较小，激发光谱与发射光谱之间重叠问题严重，分析检测时容易产生干扰。5荧光寿命：量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒，这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当；而量子点的荧光寿命可持续数十纳秒。这就意味着当激发数纳秒后，大多数的自发荧光已经衰减，而量子点的荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。6生物相容性：和有机染料相比，量子点的生物相容性好。量子点外表往往包含多种官能团，可以对量子点进展功能性外表修饰如抗体、缩氨酸、巯基配体等。量子点经过外表修饰后，可以降低细胞毒性，同时具备成像、诊

21、断、靶向运输等多种功能。第节 量子点的应用量子点子自发现以来所取得的进展和对各个领域的影响一直引人注目。至今为止，半导体量子点在根底研究和应用方面研究已经取得了重要的成就，而且其突出的特点使根底研究和应用研究衔接十分严密。由于其优良的光谱特征和光化学稳定性，许多科学工作者已经尝试着将量子点运用于生物领域，并且有了一定的进展。与传统有机荧光染料相比，半导体荧光量子点具有很多优异的荧光性质 ，如激发光谱宽、发射光谱窄且其波长可通过晶粒尺寸和组成进展调控、量子产率高、光稳定性好(不易光漂白) 、不同大小的半导体量子点能被单一波长的光激发而发出不同颜色的荧光，即可实现一元激发多元发射的同时标记等。因此

22、，作为生物示踪的标记物，量子点在根底生物学研究及医学诊断等领域具有广阔的应用前景。随着制备技术的逐步成熟，量子在化学分析，荧光标记和光电器件等研究领域已经得到了广泛的运用，这意味着量子点有很大的潜力和开展空间。量子点的生长和性质成为当今研究的热点，研究者们对量子点性能的研究，对量子点材料的制备和加工复合，都是为了更好地运用量子点为人们生活效劳。目前，量子点主要运用于光电学方面和生物医学领域。1.半导体量子点的器件应用基于库仑阻塞效应和量子尺寸效应制成的半导体单电子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人们的关注。2000年，Boori等人报道了量子点光放大器中的超快增益响应，Koike等人报道了

23、量子点异质结场效应晶体管，Deppe量子点微腔光探测器中的模式耦合现象，Ma*imov等人报道了1.3um量子点共振垂直腔增强器件，Pen等人报道了量子点光伏型探测器等等。“半导体量子点材料及量子点激光器是半导体技术领域中的一个前沿性课题。半导体低维构造材料是一种人工改性的新型半导体低维材料，基于它的量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞以及非线性光学效应等是新一代固态量子器件的根底，在未来的纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面有着极其重要的应用前景。采用应变自组装方法直接生长量子点材料，可将量子点的横向尺寸缩小到几十纳米之，接近纵向尺寸，并可获得无损伤、无位借的量子点，现已成为量子点

24、材料制备的重要手段之一；其缺乏之处是量子点的均匀性不易控制。 以量子点构造为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点，将使半导体激光器的性能有一个大的飞跃，对未来半导体激光器市场的开展方向影响巨大。近年来，欧洲、美国、日本等国家都开展了应变自组装量子点材料和量子点激光器的研究，取得了很大进展。除了采用量子点材料研制边发射、面发射激光器外，在其他的光电子器件上量子点也得到了广泛的应用。2量子点在生物医学领域的应用早期时，研究者们想把量子点用在计算机领域，制造功能强大的量子计算机，但在这方面一直没有突破。80年代后，研究者们发现量子点优异

25、的光学性质，开场把量子点运用于生物学方面上。很多现代发光材料和器件都由半导体量子构造所构成，材料形成的量子点尺寸都与过去常用的染料分子的尺寸接近，因而与荧光染料一样对生物医学研究有很大用途。从生物体系的发光标记物的差异上讲，量子点由于量子力学的奇妙规则而具有显著的尺寸效应，根本上高于特定域值的光都可吸收，而一个有机染料分子只有在吸收适宜能量的光子后才能从基态升到较高的激发态，所用的光必须是准确的波长或颜色，这明显与半导体体相材料不同，而量子点要吸收所有高于其带隙能量的光子，但所发射的光波长又非常具有尺寸依赖性。所以，单一种类的量子点就能够按尺寸变化产生一个发光波长不同的、颜色清楚的标记物种类，

26、这是有机染料分子根本无法实现的。1量子点最有前途的应用领域是在生物体系中作为荧光探针。量子点在生物体具有很好的生物相容性和稳定性，与染料分子或发光基团结合后可作为变光探针对细胞进展标记和成像。与传统的荧光探针相比，量子点的激光光谱宽且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，即不同大小的纳米晶体能被单一波长的光激发而发出不同颜色的光，并且光化学稳定性高，不易分解。量子点与聚合物组成的复合材料可以用于生物组织工程，对细胞核进展了标记和成像。2量子点是筛选药物的有利工具。将不同颜色的量子点与药物的不同靶分子结合，可一次性检测药物的作用靶分子。假设一种药物上只展示出蓝色、浅绿色、绿色等药效所

27、需作用的靶分子，同时不显示出橙色、黄色、红色这些代表副作用的靶分子，则说明已成功找到一种有效的药物。3量子点还可应用与医学成像。由于可见光最多只能穿透毫米级厚度的组织，而红外光则可穿透厘米级厚度的组织，因此可将*些在红外区发光的量子点标记到组织或细胞的特异组分上，并用红外光激发，就可以通过成像检测的方法来研究组织部的情况，到达诊断的目的。4量子点在生物芯片研究中同样可以大有作为。量子点色彩的多样性满足了对生物高分子蛋白质、DNA所蕴含的海量信息进展分析的要求。将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸的的量子点，经棱镜折射后传出，形成集中指定的密度谱线，这种密度谱线在基因芯片和蛋

28、白质芯片技术中有光明的应用前景。5量子点也可应用于溶液矩阵。即将不同的量子点或量子点微粒标记在每一种生物分子上，并置于溶液中，形成所谓溶液矩阵。生物分子在溶液状态下易于保持生物分子的正常三维构象，从而具有正常的生物功能，这是其优于平面芯片之处。6量子点还可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏锌检测。如在量子点外表接上巯基乙酸，从而是量子点既具有水溶性，还能与生物分子结合，通过光致发光检测出量子点，从而使生物分子识别一些特定的物质。3.量子点在其他方面的应用：量子点可以选择性地测检金属阳离子。如硫代甘油修饰的CdS量子点与Cu2+离子作用后发生突光萍灭；而L-半胱氨酸稳定的CdS量子点与Zn2+离

29、子作用后突光增强。量子点也可检测阴离子，如4-氨基-2，2，6， 6四甲基氧化哌啶修饰的CdTe量子点，利用Br-离子对量子点的突光增强作用选择性的检测Br-离子;叔丁基-N-(2-巯乙基)-氨基甲酸脂修饰的CdSe量子点，以该量子点作为荧光探针实现了对甲醇溶液中-离子的选择性测定; I-离子能使聚氨基胺树枝状高聚物修饰的CdS量子点发生劳光萍灭现象。量子点也可以直接用于环境物质的检测。如根据量子点的光学性质对其外表状态极敏感而将量子点作为离子探针，可开发不同离子和气体传感器作为检测环境的一种手段。第节 量子点的合成方法量子点的合成有气相沉积法、溶胶法、电化学沉积法、微乳液法、溶胶凝胶法和模板

30、组装法等多种方法。早期研究中，人们主要利用气相沉积法或在水溶液中的共沉淀法来制备量子点。通过这些方法制备的产物的量子产率较低，且粒径分布宽 。 Murray 等于1993 年首次提出有机金属法合成量子点，显著地提高了量子点的光学性能、稳定性和单分散性。1996 年，Weller 等以巯基化合物为配体，采用水相合成法制备出高发光性能的CdTe 量子点。目前最常用的制备荧光量子点的方法为溶胶法。溶胶法可分为有机相合成法和水相合成法，其中水相合成法主要包括传统水相合成法、水热法、微波辅助水热合成法、光辅助合成法、超声辅助合成法及生物仿生合成法等。下面主要介绍有机相合成法、反向微胶束法和水相合成法。1

31、.有机相合成法金属有机化学法是最常用的一种合成半导体纳米粒子的胶体化学方法，它是迄今为止最成功的合成高质量纳米粒子的方法，可成功地用于II-VI族和III-V 族半导体纳米粒子的合成。该方法通常是在无水无氧的条件下，用金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂环境中生长纳米晶粒。即将反响前体注入到高沸点外表活性剂中，通过反响温度控制纳米粒子的成核与生长过程，外表活性剂在纳米粒子外表形成单分子修饰层，有效地防止了粒子的聚集。 1993 年，Bawendi 等人以三辛基氧膦为有机溶剂，将甲基镉和三辛基磷硒迅速注射到剧烈搅拌的 350的三辛基氧膦中。短时间即有大量的量子点核形成。为阻止其继续成核，迅速降

32、温至 240，而后升温到 260-280使之缓慢生长至所需尺寸。由于量子点不溶于甲醇，通过参加过量的甲醇离心别离得到量子点。缺点是实验材料仅价格昂贵，有剧毒，在常温下不稳定，在高温下还会发生爆炸并放出大量的有毒气体。因此实验条件十分严格，而且不易控制所得到的半导体量子点尺寸。基于这些，Peng 等人用 CdO 代替二甲基镉， 该合成法制得的CdS、CdSe、CdTe 量子点大小十分均匀。但是，合成的这类单分散的量子点的荧光量子产率并不高大约只有 10左右。为了提高量子产率，多年来，纳米工作者们进展了不懈的努力，成功的制备了核-壳构造的量子点，这样可以将纳米粒子的量子产率提高到 30-50。目前

33、已合成了多种核壳构造的纳米晶体。 Nie 等人通过将在有机溶剂中制备的 CdSe/ZnS 纳米粒子外表连接上巯基乙酸，从而使纳米粒子不仅具有水溶性，并能与生物分子如核酸、蛋白质相结合。因而，在金属有机化学法中，外表修饰成了新的研究热点。通过金属有机化学法制备的纳米粒子具有结晶性好、粒度可调、尺寸均一、可制备的量子点种类多、易于进展外表修饰等优点。其缺点是反响条件苛刻，反响步骤复杂，且有机试剂毒性大，价格昂贵。并且制备出来的纳米粒子因其外表的疏水性而不能直接用于生物分析，必需对其外表进展修饰，使其具有水溶性和生物相容性，从而应用于生物学领域，这些缺点限制了上述方法的推广使用。2反相微胶束法 反相

34、微胶束法也可得到尺寸单分散性相对较好的量子点。该法是将Zn、Cd 等金属元素前驱体的微乳液和含硫族元素的前驱体微乳液混合在一起，量子点尺寸可由胶束的尺寸控制。以 CdS 为例：两亲性分子和有机溶剂混合，再将适量的金属镉盐水溶液参加，最终形成油包水型的反相胶束溶液；同法制备稳定的含有硫化钠水溶液的反相胶束溶液，将此两种胶束溶液混合，半导体即在胶束成核增长，最终生成 CdS 量子点。反相胶束的粒径大小可由两性分子和水的比率决定，此比率可调。半导体纳米粒子的尺寸大小依赖于胶束的大小，而胶束的粒径大小是均匀的，所以量子点的尺寸也是相对均匀的。 3 . 水相合成法由于通常情况下水相合成法制得的半导体纳米

35、粒子量子产率较低，尺寸分布不均一因此并没有得到充分的重视。然而，通过金属有机化学方法合成的纳米粒子又不能直接应用于通常的水相反响体系，假设将有机相合成法制得的半导体纳米粒子转移到水相，其步骤比拟繁琐，成功率较低，并且稳定性会大大降低，最多放置两个月就会出现沉淀。因而，近几年来，如何在水相中直接合成出性能优良的半导体纳米粒子成了人们日益关注的问题。林章碧等人以巯基丙酸为稳定剂在水相条件下合成了CdTe 量子点，但是该法制备的量子点其发光效率并不高通常在 10-30%之间，而且量子点成长速率较慢。最近，蕊等人以谷胱甘肽为稳定剂在温和条件下快速合成了CdTe 量子点，该法不仅大大提高了量子点的成长速

36、率同时也提高了其发光量子产率，而且是一种在量子点的外表引入了氨基的行之有效的方法。水相合成法的根本原理是在水中参加稳定剂如硫醇、巯基羧酸、多聚磷酸盐等，通过水相离子交换反响得到量子点。由于量子点是在水相中合成的，这不仅解决了量子点的水溶性问题，而且由于纳米粒子的外表被硫醇或巯基羧酸等修饰，使得量子点能与生物分子上的氨基生作用，从而可以直接应用于生物医学检测中。此外，纳米粒子的水相合成方法还具有操作简单、平安、反响条件温和、可重复性高、本钱低等有机相合成方法所无法比拟的突出特点。用巯基丙酸做稳定剂水相合成CdTe量子点，通过调节pH值使CdTe 外表修饰了一层 CdS 复合物，能提高CdTe 的

37、荧光量子产率。Zhang H等人较早采用水热法在温和条件下合成了 CdTe 量子点，并对稳定剂、反响物用量、反响温度以及pH 值等条件进展了深入的探讨，他们所使用的方法是将含有稳定剂巯基丙酸的CdCl2溶液的pH值调到11.2，再用高纯的N2气将该溶液在密闭体系中脱氧、保护，然后在适当的搅拌速度下，向上述溶液中参加新制备的无氧 NaHTe 溶液。将此反响液加热到一定的温度，回流，即可得到尺度较均一的 CdTe 量子点溶液，而不需进展尺度别离。在 100-180围，随着温度的提高，反响速度加快，并且量子产率提高。采用水相合成方法得到的纳米粒子通常无需进展外表修饰等后加工工作，可直接应用生物医学检

38、测实验中。第1.2节 量子点复合材料及其应用量子点以其优异的半导体和发光性能使得它们在光、电、磁、催化等方面都展现出巨大的应用潜力。量子点通常是由有机高分子或小分子的稳定剂包覆合成得来，一旦这些稳定剂遭到破坏就很容易影响量子点的性能，同时因为它们的尺寸小比外表积大，这些都决定了它们的不稳定性。所以必须将量子点与其他的材料复合起来。另外，与其他材料的复合还能得到多功能的复合材料。目前，与量子点复合的材料主要有无机类和有机类。第节 量子点与无机类材料的复合及应用量子点具有易氧化、易聚沉和未知的毒性等缺点，限制了其在生物领域中的应用。因而随着水溶性量子点的制备成功，量子点外表的包被和修饰的研究也随之

39、不断开展起来。图1.2-1 二氧化硅包碲化镉量子点扫描电镜图来自文献报道通过相转移正硅酸水解的方法制备二氧化硅包覆的量子点，用于进展生物标记，这样可以有效的减少量子点对生物细胞的毒性。也可以用正硅酸乙酯在氨水存在的条件下水解得到SiCh包覆量子点，这种方法制备出的量子点有更好的稳定性如图1.2-1。该复合材料在保持量子点优良的发光性能的同时也增强了量子点发光材料的耐酸耐碱性能，拓宽了量子点作为生物标记的使用围以适应生物体不同的酸碱环境。用CdS量子点修饰二氧化钛纳米管，能拓宽二氧化钛对可见光的响应,在太的照射下就可以迅速地降解有机染料。第节 量子点与有机类材料的复合及应用量子点同有机聚合物复合

40、不仅可以进展荧光发射的调变，还可以提高量子点和聚合物的抗光漂白性能以及减少量子点吸收能量后的非辐射转化。如利用CdTe量子点外表的氨基(-NH)和聚氨基甲酸酯上的异氰酸酯基(-NCO)在水溶液中缩合得到聚氨基甲-酸酯同量子点的复合材料，复合之后有效地提高了CdTe量子点的量子产率，这种制备方法在水溶液中直接得到复合材料，合成方法简单快捷，而且减少有毒物质的产生，还提高了复合材料的可加工性。如可以加工成各种块状的荧光材料或者是荧光涂料制备 ，荧光量子点/聚合物体相复合材料。聚合物的绝缘性很大程度上影响了合成材料的光电性能，所以用聚合物的稳定作用可以保护荧光量子点及其发光性能。用氧化铝做模板将Cd

41、S量子点同半导体聚合物复合得到了CdS量子点均匀分散的有机无机杂化半导体材料，该材料表现出良好的光电性能在光电器件上有巨大的应用潜景。于量子点复合物材料除用于荧光标记、荧光涂料外，还可广泛用于制备太阳能电池、光催化剂、LED件以及传感器等。第1.3节 论文设想综上所述，我们已经知道了量子优异的性质特征和多方面有益的广泛应用。目前量子点的研究有了很大的进展，量子点的制备技术愈发成熟，制备方法也多种多样。由于量子点的尺寸很小，量子点的稳定性和外表质量是由其化学组成和制备方法所决定，如何选择合理的制备方法，并合理控制量子点 在不同环境中的生长过程是获得高质量量子点的关键。本实验制备碲化镉采用的方法是

42、水热法。所谓水热法就是在封闭的反响釜中，以水为溶剂，在高温位高压下进展的化学反响。目前，制备水溶性所采用的稳定剂主要包括巯基酸、巯基胺和巯基氨基酸等。水热法有经济、对环境友好、操作简单方便、本钱低廉、外表性质易调控、可在量子点外表引入许多功能性基团等诸多优点，在封闭的高压釜中反响抑制了水沸点低的缺陷，提高反响温度，有效地改善了量子点的荧光性能。水溶液中离子环境比拟复杂，同时存在如德华力和静电吸引力等相互作用，故水溶液中量子点的生长过程对环境的依赖性很强；水溶液中量子点的具体生长过程对荧光量子效率、半峰宽和尺寸分布等性能指标参数有很大的因影响。因此，深入掌握水热生长过程中各种环境因素的影响对制备

43、综合性能优异的量子点具有重要的意义。本实验前期通过使用3-巯基丙酸MPA作稳定剂，研究了反响时间、反响物配比、反响物浓度、pH值等对CdTe量子点生长的影响，后期尝试用N-乙酰基-L-半胱氨酸NAC，在反响中引入金属Zn2+等方法进一步做了深入地研究。第二章 实验2.1节 实验试剂和仪器表2.1-1 实验试剂和仪器试剂和仪器产品质量、型号生产地址硝酸镉分析纯化学试剂厂3-巯基丙酸分析纯 化学试剂厂Te粉 分析纯化学试剂厂氢氧化钠分析纯化学试剂厂硼氢化钠分析纯化学试剂厂硝酸锌分析纯 化学试剂厂N-乙酰基-L-半胱氨酸分析纯 百灵威科技二次水中科院理化所精细天平 GT2A型 化学试剂厂电热恒温枯燥

44、箱 GZ*-9023型 东台县电器厂超级恒温器 WC/O9-05型 实验设备厂超声清洗器 SB3200型 必能信超生离心机 GL20GII型冷冻离心机 安亭科学仪器厂恒温磁力搅拌器 852型 司乐仪器厂PH试纸化学试剂厂酸度计Z2021-0937化学试剂厂水热釜化学试剂厂恒温水浴锅蓝弋公司紫外分光光度计Z2004-0213型司乐仪器厂荧光光谱仪Z2021-0431型司乐仪器厂玻璃试管合格蓝弋公司塑料吸管合格蓝弋公司玻璃瓶合格化学试剂厂第2.2节 碲化镉量子点的制备第节 实验原理水热法制备量子点的实验原理是在水中参加含巯基等固定基团的小分子或高分子化合物作为稳定剂，通过水相离子交换反响得到量子点

45、。本实验以碲粉作为反响原料，使碲粉与硼氢化钠复原后生成碲氢化钠，参加到硝酸镉和巯基试剂MPA、NAC的混合水溶液中，在反响釜中高温下反响，一定时间后取出冷却，得到CdTe量子点的水相溶液。反响方程式如下：NaBH4+ Te + H2O =NaHTe+Na2B4O7+H2HTe-+ OH-=Te2-+ H2OCd2+ 2SH-= Cd(SH)2 nCd(SH)2+ mTe2- =CdnTem(SH)2n2m-(nm) 在本实验中，反响时间、反响温度、反响物配比、PH值等对CdTe量子点的粒径生长和产量都会造成很大的影响，因此尝试着对实验的条件进展变换，即对反响时间、反响温度、反响物配比、pH值变

46、化来研究量子点的生成状况。这种制备方法优点在于，原料简单，反响过程简单，操作容易控制，易于实验室制备。第节 实验步骤：本实验采用水热法合成CdTe同一种制备原理，在同一种方案的根底上，改变反响条件来研究在不同条件下生成的CdTe的情况。实验方案：1取0.5mmol硝酸镉溶于92ml水中，参加MPA0.7mmol，参加NaOH调pH，调好后搅拌10min。2称量0.25mmol Te粉和0.5mmol硼氢化钠，参加水，85度水浴20min。3把2参加到1中，搅拌后装到水热釜中，160度水热反响，在不同时间分别取出凉水冲凉。冷却后收集在玻璃瓶中保存。实验中按照Cd2+：Te：MPA：NaBH4=1

47、：0.5：1.4：1的比例第2.2.3节 检测方法1将量子点水相液体放在紫外灯下，观察荧光现象2用紫外分光光度计测荧光吸收3用荧光光谱仪测试荧光发射4检测量子产率计算方法：用发射峰与吸收峰比值与罗丹明6G参比值为95%作比拟，计算式如下：量子产率=发射峰/吸收峰/20000*0.955用电镜观测量子点的颗粒特征第节 实验结果和讨论参照 2.2.2实验步骤中的合成条件，分别使用MAP和NAC作为巯基稳定剂来合成CdTe量子点，通过2.2.3给出的检测方法分别来观察和分析各个影响因素对实验CdTe量子点的生长情况。1.实验样品图2.2.4-1日光灯下和紫外灯下的MAP-CdTe图图2.2.4-2日

48、光灯下和紫外灯下的NAC-CdTe图图2.2.4-3日光灯下和紫外灯下的NAC-Zn-CdTe图图2.2.4-1、2.2.4-2和2.2.4-3是CdTe量子点日光灯下和紫外灯下的图。如图2.2.4-1，随着反响时间的延长，日光灯下水相CdTe量子点的颜色从橙色、黄色变为红色，紫外灯下发绿光、橙光和黄光。2.2.4-2和2.2.4-3也有类似颜色的变化。从图中可以直观地看出用NAC稳定剂的紫外灯下的荧光明显比加MPA做稳定剂强，用NAC做稳定剂加金属锌离子后又比NAC做稳定剂不加金属锌离子增强了不少。说明在本实验的一样的反响物配比下，NAC做稳定剂要比MPA做稳定剂生成的量子点产量更高，荧光性

49、更好；参加NAC做稳定剂加金属锌离子能增强荧光效果。2在本实验中，为了得到更有效、可靠的实验结果，实验过程中采用了控制变量方法，允许一个反响影响因素变化，其他量保持一样。以下是对不同反响时间、不同浓度、不同pH等条件下量子点的生长状况的结果和讨论。1反响时间的影响图2.2.4-4 MPA-CdTe量子点荧光发射光谱黑色、红、蓝色曲线表示反响时间50min、60min、70min图2.2.4-5 MPA-CdTe量子点紫外吸收黑色、红、蓝色曲线表示反响时间50min、60min、70min图2.2.4-6 60min时MPA-CdTe量子点紫外发射-吸收图2.2.4-4和图2.2.3-5分别是是

50、不同反响时间所制备CdTe量子点样品的荧光发射光谱图和紫外吸收测试图。当反响温度、反响物配比、pH值等条件不变时，反响50min、60min、70min，在500nm、530nm、560nm左右有紫外吸收，在540nm、575nm、600nm明显的窄而对称、连续分布的荧光发射峰，出现荧光强度增强到降低现象，60min时荧光强度最大。可以看出，随着反响时间的延长，其他条件不变的情况下，其紫外吸收峰和荧光发射均发生逐渐红移现象，这说明了CdTe量子点不断生长，粒径逐渐增大。反响时间的延长，可得到其荧光发射峰分逐渐变宽、平坦，在发射峰在围的半峰宽在从70nm逐渐变宽到100nm。由图2.2.4-6

51、，可算出60min时量子点的量子产率达34.5%。2反响物浓度的影响图2.2.4-7不同浓度的MPA-CdTe荧光光谱图2.2.4-8 不同浓度的MPA-CdTe紫外吸收当反响时间、反响温度、反响物配比、pH值等条件不变下，尝试改变前体浓度来观察量子点的生成情况。图2.2.4-7和图2.2.4-8分别是0.3mM和0.5mM是荧光光谱和紫外吸收图。有荧光光谱可以看出，前体浓度为0.3mM和0.5mM时，一定的时间下发射峰位都在575nm，两者根本一致，这说明前体浓度对CdTe量子点的生长尺寸影响不是很大。从0.3mM增加到0.5mM时，荧光强度明显增强，这说明适当增大前体浓度，会使量子点生长速

52、率加快，生成的CdTe量子点也较多，从而荧光强度较强。3MPA的量的影响图2.2.4-9不同MPA的CdTe量子点荧光光谱图2.2.4-10 不同MPA的CdTe量子点紫外吸收在反响中，反响时间、反响温度、反响物配比、反响物浓度等条件一样，逐渐增加MPA的量。图2.2.4-9和2.2.4-10分别是不同MPA用量下的荧光光谱和紫外吸收图。MPA用量为0.43mmol、0.7mmol、0.93mmol时，在575nm、530nm、525nm处有吸收峰，在610nm、530nm、525nm处有发射峰。MPA的用量为0.7mmol时，荧光最强。可以发现，MPA用量少，会使镉合物外表巯基减少，使反响速

53、率加快，量子点尺寸变大，出现红移现象。4pH的影响图2.2.4-11 不同pH下的荧光光谱图2.2.4-12 不同pH下的紫外吸收实验中反响时间、反响温度、反响物配比、反响物浓度等条件都一样。用1 mol/L 的 NaOH 溶液将体系从酸性调至碱性，选取6.5、7.5、8.5、10.5四个不同的 pH值。图2.2.4-11和2.2.4-12是不同ph下的荧光发射图可以看出，可以看出Ph为6.5至10.5中荧光发射峰发生了红移现象，半峰宽由窄变宽。随着pH体系的变化，量子点的发光强度呈现先增加后下降的趋势，在pH为8.5时荧光到达最强。这是因为pH 值酸性时，溶液中存在H+会抑制MPA的解离过程

54、，Cd2+与 SR-的结合减少，进而导致CdTe 量子点少或造成量子点外表缺陷，形成量子点的粒径小。pH为碱性时，溶液中存在OH-，利于Cd2+与 SR-的结合，CdTe 量子点粒径不断生长、粒径增大，发射峰产生红移。但碱性过强，OH-较多时，Cd2+倾向于先与 OH-结合生成 Cd(OH)2，也会Cd2+与 SR-的结合减少，最终CdTe 量子点的发光强度下降。 3.用NAC做稳定剂合成CdTe量子点以上实验通过MPA做稳定剂研究了反响物配比、pH值等条件对量子点生长的影响，在此根底上，用200度水热温度，尝试用NAC做稳定剂合成CdTe量子点。图2.2.4-13 不同时间下的NAC-CdT

55、e量子点荧光光谱图2.2.4-13 45min时的NAC-CdTe量子点发射-吸收在实验中，反响物配比、反响物浓度、pH等条件不变。图2.2.4-13是不同时间下的NAC-CdTe量子点荧光光谱，35min、45min和50mim时，在550nm，600nm和65mn左右有窄而对称、连续分布的发射峰，35min、45min时荧光较强。随着时间的延长，荧光也发生红移现象。35min荧光发射峰就能到达能到达550nm，说明用NAC作稳定剂反响速率较快，量子点生长快，粒径大。由图2.2.4-13，可计算出用NAC作稳定剂45min时量子点的量子产率可达55.6%，比用MPA做稳定剂的量产更好。4.用

56、NAC做稳定剂，参加金属锌离子合成CdTe量子点以上用NAC做稳定剂，量子产产率有所提高。在此实验根底上，用200度水热法尝试以NAC做稳定剂参加金属Zn2+合成CdTe量子点。图2.2.4-14 不同时间下的NAC-Zn-CdTe量子点荧光光谱图2.2.4-14 50min时的NAC-Zn-CdTe量子点发射-吸收 在实验中，反响物浓度，pH等条件不变，图2.2.4-14是不同时间下的NAC-Zn-CdTe量子点荧光光谱，由图可知，在35min、40min和50min时，在535nm、570nm和580nm左右有窄而对称、连续分布的发射峰，50min时荧光最强。可以看出，随着时间的延长，荧光

57、也发生红移现象。由图2.2.4-14，可计算出50min时量子点的量子产率到达75.5%。5电镜图把实验方案下的MPA做稳定剂合成CdTe量子点的水相量子点做了电镜测试，测试结果如下；图2.2.4-15 MPA-CdTe电镜图图2.2.4-16 NAC-CdTe电镜图Te电镜图图2.2.4-15 MPA-CdTe粒径分布图图2.2.4-15 NAC-CdTe粒径分布图图2.2.4-16 NAC-Zn-CdTe量子点粒径分布图 图2.2.4-15、2.2.4-16和2.2.4-17是MPA-Cdte、NAC-Cdte和NAC-Zn-CdTe的电镜图，从电镜图中都可以看到清晰看到许多颗粒，这些颗粒

58、分散性好、体型小、类似球状。由量子点粒径分布图图，MPA-Cdte、NAC-Cdte和NAC-Zn-CdTe的粒径分别是5.6nm、4nm和3.6nm左右，说明了用NAC作稳定剂与用MPA做稳定剂相比，生长出的量子点尺寸更小；NAC做稳定剂加金属锌离子后生长出的量子点，比NAC做稳定剂不加金属锌离子后生长出的量子点尺寸更小。第2.3节.结论本实验采用用水热发制备CdTe量子点，操作简单方便，本钱低廉，实验容易控制。通过本实验，能够得出如下结论：1通过紫外灯照射，样品能够发出非常亮的荧光，随着CdTe量子点粒径增大，就可以得到绿色荧光、黄色荧光、橙色荧光和红色荧光的量子点。2通过荧光光谱和紫外吸

59、收的检测，证实量子点的生长与反响时间、反响温度、pH值等存在密切的关系。反响时间延长，会使量子点粒径增大，荧光发生红移发生，用MPA稳定剂时反响60min时荧光最强，量产子产率较高。稳定剂用量少；反响速率快会使量子点粒径增大，荧光发生红移发生，实验配比下，0.7mmol MPA用量荧光最强；pH增大，会使量子点粒径增大，荧光也会发生红移发生，当pH值在8.5时荧光最强；同时，适当的增加浓度，荧光性能更好。3用NAC作稳定剂，与用MPA做稳定剂相比，反响速率更快，荧光性能更好，量子产率更高。参加金属锌离子能够使荧光增强，量子产率增加。参考文献1 邓大伟，王珊珊，于俊生.高荧光的水溶性CdTe量子

60、点的合成及其生长规律研究J.化学化工学院, ,2021, 27(1):44 502 ZhangHao,ZhouZhen,YangBai,etal.Theinfluence of carbo*yl groups on the photolu mine scenceof mercaptocarbo*ylic acid-stabilized CdTe nanoparticles J .J Phys Chem B, 2003, 107(1):8 13. 3 应凡, 于俊生.生物相容的高荧光CdTe量子点的合成和表征 J .无机化学学报, 2021, 25(5):787 793. 4 RogachAL, KatsikasL, KornowskiA, etal.Synthesis theprecursorCdTemolarratio J .JcrystGrowth,2006,