磷化銦和砷化銦納米晶及其核殼結(jié)構(gòu)的制備與生長動力學(xué)研究.pdf

1、近年來，因為顯著的量子限制效應(yīng)，半導(dǎo)體納米晶正受到越來越多的關(guān)注。它們具備獨特的光學(xué)和電學(xué)特性，并廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、激光器、發(fā)光二極管、太陽能電池、納米傳感器、電子器件、通信等領(lǐng)域。然而目前對半導(dǎo)體納米晶的研究主要集中于II-VI 納米晶，III-V 納米晶的發(fā)展則相對滯后。但是，III-V 納米晶卻是一類非常重要的材料，它們具有較大的激子直徑、較低的毒性和特有的發(fā)光光譜。因此本文重點研究了磷化銦（InP）、砷化銦（InAs）及其核殼

2、納米晶的合成，以期尋找到一條合成高質(zhì)量III-V 納米晶的有效途徑。論文主要內(nèi)容如下：
　　 以三-三甲硅烷基膦（P(SiMe3)3）為P 源，分別在配位和非配位溶劑中合成了InP納米晶。在配位溶劑合成中，溶劑同時作為反應(yīng)媒質(zhì)和包覆基團，整個合成過程需要3～7天的時間，且所得納米晶尺寸分布很寬，需要采用尺寸選擇性沉析技術(shù)才能獲得尺寸分布較窄的納米晶。在非配位溶劑合成中，溶劑僅作為反應(yīng)煤質(zhì)，合成過程耗時短，只需3～4小時，且所得納

3、米晶具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)及較窄的尺寸分布，不需要尺寸選擇操作。
　　 首次以AsH3為As 源，在非配位溶劑中合成了高質(zhì)量的InAs 納米晶。這種方法經(jīng)濟、快速、簡單且重復(fù)性好。合成中，InAs 納米晶的生長應(yīng)該控制在20～30分鐘，更長時間的加熱會導(dǎo)致InAs 納米晶的溶解。為了優(yōu)化合成技術(shù)，本文研究了不同反應(yīng)參數(shù)對InAs 納米晶生長的影響，包括反應(yīng)溫度、In 源與As 源的比、包覆基團及溶劑的量。利用相似的方法，本文還以PH

4、3為P 源合成了InP 納米晶，并且在InAs 納米晶合成中各反應(yīng)參數(shù)的影響效果可以直接應(yīng)用到InP 納米晶的合成中。
　　 為了改善納米晶的光學(xué)性質(zhì)，在InP和InAs 納米晶表面外延生長了寬帶隙的殼，形成了不同的核殼納米晶，如InP/ZnS, InAs/ZnSe, InAs/ZnS和 InAs/ZnSe/ZnS 納米晶。這些殼材料的形成顯著提高了核納米晶的光致發(fā)光（PL）量子效率。
　　 通過監(jiān)測吸收光譜的變化，深入

5、研究了以AsH3為As 源合成InAs 納米晶中的生長動力學(xué)。結(jié)果表明，由AsH3 形成的單體不穩(wěn)定，它會在在高溫下緩慢分解為AsH3，而AsH3 又熱分解為As。所以在InAs 納米晶生長中，單體會持續(xù)減少，納米晶也會不斷溶解直至單體全部分解即納米晶消失。除此之外，通過光譜或1H NMR 譜監(jiān)測，本文還研究了InP 納米晶的生長動力學(xué)。在配位溶劑中，InP 納米晶的合成大致可以分為5個階段：單體積累、成核和生長、成核和溶解、溶解、穩(wěn)定

6、。在以PH3為P 源合成InP 納米晶中也觀察到了相似的演化過程，且基于現(xiàn)有觀察和分析，可以將InP納米晶的溶解歸因于極小核和生長層的溶解。
　　 系統(tǒng)研究了InP、InAs及其核殼納米晶的光學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，表面氧化是影響納米晶光學(xué)穩(wěn)定性的主要因素，初步的表面氧化可以消除懸掛鍵，從而導(dǎo)致PL 增強，但是它并不影響納米晶的有效尺寸。然而，過多的表面氧化則會在納米晶表面形成疏松的氧化層，此氧化層會導(dǎo)致納米晶PL 強度減弱及有效尺

7、寸減小。因為表面氧化，半導(dǎo)體納米晶的光學(xué)穩(wěn)定性與其所儲存的環(huán)境及制備方法有關(guān)。此外，本文還研究了核及核殼納米晶的光激發(fā)特性，研究表明，光激發(fā)特性也可以成為判斷納米晶表面態(tài)相對多少的一個標(biāo)準(zhǔn)。
　　 除了實驗研究外，本文還通過Monte Carlo 模擬，從理論上對納米晶生長進行了研究。共模擬了三種模式的納米晶生長：Ostwald 熟化、單體補充且溶解、過飽和度恒定。在對單體補充且溶解的生長模式詳細分析的基礎(chǔ)上，本文對InAs 納