SPS制備SnO2和ZnS-Mn量子點玻璃及其光學性能的研究.pdf

1、由于具有其他材料所沒有的光電性能，半導體量子點吸引了很多研究人員的目光。但是，就目前來講，Cd系及 Pb系量子點是研究相對完善的兩類量子點，但是其中皆含有對環(huán)境污染較為嚴重的重金屬，更重要的是，重金屬對人體產生的影響也不容忽視，因此無法應用于生物等領域，所以無毒無害的量子點的制備則更加值得關注和研究。此外，量子點的有效封存和應用一直是研究的重點，因此尋找一種更有效的量子點封存方法能夠保留量子點的優(yōu)良性能也是近年來研究的熱點。由于量子尺寸

2、效應、表面效應、介電限域效應等影響，量子點顯示出獨特的物理和化學特性，特別是其依賴粒徑的光學性質，近年來成為光學器件的研究熱點。而當前的研究中，量子點難以直接被利用于工業(yè)生產，主要是由于納米顆粒具有較大的比表面積、高度的活性、較差的穩(wěn)定性。研究人員發(fā)現(xiàn)，量子點玻璃的研究價值更高，主要還是因為以玻璃為基質，就會有很多跟其他固體材質不盡相同的特點。
　　在最近的幾年，人們主要將目光轉向了納米晶半導體光學性質的研究上。當半導體粒子的尺寸

3、逐漸接近激子玻爾半徑時，其表面原子與內部原子的比例顯著增加，使得表面性能對材料的性能起著重要的作用。納米SnO2由于其巨大的比表面積和與尺寸相關的電學和光學性質在材料應用中有出色的表現(xiàn)。氧化錫因為其獨有的大的N型帶隙（Eg=3.6ev300K），低的電子親和能和大的激子束縛能（130 meV）而相較其他半導體材料來將會穩(wěn)定一些，因此就被廣泛用作氣體傳感器材料、研究并使用在透明的加熱元件的電極材料、太陽能電池、電阻器、抗靜電涂料和用節(jié)能的

4、“低輻射”窗玻璃的特種涂料上。
　　另外，在所有的無機半導體納米晶中，鋅硫基量子點因其較為獨特的發(fā)光性能就被廣泛的用于發(fā)光材料中。鋅硫族化合物的主要優(yōu)點是其具有寬帶隙、毒性低（無鎘和無鉛），合成簡單，易量化和操作，并能有效地摻雜金屬離子?，F(xiàn)已被廣泛應用于可調光和白光照明設備上，此外具有核殼結構的鋅硫族化合物也被合成和研究。但由于 ZnS量子點其發(fā)光不穩(wěn)定，故具有穩(wěn)定的摻雜特征峰發(fā)光的ZnS:Mn量子點則更具有研究意義。
　　

5、在本文中，我們主要對量子點的發(fā)光特性還有其他主要的制備工藝及優(yōu)缺點來做一個簡單的闡述，同時要和放電等離子體燒結技術進行綜合，將量子點-介孔硅基粉體在較低的溫度下不經熔融狀態(tài)直接固化成玻璃且無需退火，有望制備出可以控制濃度、具有穩(wěn)定發(fā)光性能的量子點玻璃。首先，本課題分別采用了水熱法和熱注入法制備SnO2和ZnS:Mn量子點，然后將合成的SnO2和ZnS:Mn量子點與介孔二氧化硅粉體（SBA-15）混合得到SnO2/SBA-15和ZnS:M

6、n/SBA-15復合粉體。最后，采用放電等離子體燒結技術將混合后的粉體經燒結固化成SnO2和 ZnS:Mn量子點玻璃。此外，本文還將簡要介紹量子點的發(fā)光特性及主要的制備工藝和其優(yōu)缺點，從量子點摻雜的玻璃系統(tǒng)、發(fā)光機理以及光譜特性等方面介紹幾種常見的量子點玻璃。此外，將主要介紹量子點玻璃的制備工藝以及應用前景，并重點闡述放電等離子燒結的原理、優(yōu)勢及近幾年來的研究現(xiàn)狀。
　　第一步，我們需要合成出一個擁有二維六方孔道結構的 SBA-1

7、5粉體，制作該粉體主要通過軟模板劑法的方式來進行。所得到的石英玻璃維氏硬度為6.72GPa。
　　隨后，采用水熱法獲得了結晶度良好的四方相閃鋅礦結構的SnO2量子點。隨著合成pH值得逐漸增加，顆粒從球狀逐漸轉變?yōu)榘魻?，其結晶性也越來越好，顆粒的粒徑尺寸在60 nm以下。研究人員對該粒子進行試驗，發(fā)現(xiàn)該粒子的發(fā)光峰值分別在400nm、469nm及536nm處。之后，通過熱注入法合成出結晶度良好的六方纖鋅礦結構的ZnS:Mn量子點，發(fā)

8、現(xiàn)該量子點存在本征發(fā)光峰的位置為470nm，存在缺陷發(fā)光峰的位置是540nm處，量子點顆粒的平均尺寸為4.3nm。
　　最后一步，研究人員通過結合介孔硅基粉體及ZnS: Mn量子點，在經過SPS燒結后獲得我們需要的量子點玻璃，也就是SnO2量子點玻璃，它的發(fā)光峰在397nm處，但要使得發(fā)光強度達到最大的話可以把復合濃度調整為1wt％，但是濃度的增大會使 SnO2量子點玻璃的維氏硬度減小。此外，ZnS:Mn量子點玻璃在470nm和5

9、40nm左右的本征發(fā)光峰消失，但位于580nm處的Mn2+摻雜峰出現(xiàn)，并得到了很大程度的增強，但是量子點復合濃度的增大也會使ZnS:Mn量子點玻璃的維氏硬度減小。
　　本文主要將SnO2及ZnS:Mn量子點和SPS燒結技術相融合，成功地制備出了SnO2和ZnS:Mn量子點玻璃。經過SPS燒結后，量子點的發(fā)光性能都得到了一定程度上的增強，發(fā)光峰的位置也得到了統(tǒng)一。由此我們可以看出，本課題可以對量子點濃度控制困難的問題、顆粒尺寸分布寬