量子点实验

多色Cadet半导体量子点的制备及其荧光性能测定

一、实验目的

1、了解纳米材料及量子点的基本知识

2、了解量子点光致发光的基本原理

3、熟悉荧光光谱仪的结构、原理和应用

4、了解Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点的合成方法

5、掌握CdTe半导体量子点的合成方法

二、实验原理

（1）纳米材料及半导体量子点纳米材料是尺度约为1~100nm且所含原子或分子数为10²-105个的材料是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质。半导体量子点又称为半导体纳米晶具有窄带隙而表现出优异的荧光特性。

（2）激子在固体中，由于库伦作用使电子和空穴结合在束缚状态中，这种束缚状态称为激子。

（3）量子点的发光原理处于高能级的电子不稳定，通过不同形式经中间的激发态能级跃迁回基态而发光。

（4）荧光量子点产率荧光量子产率是指产生荧光发射的光子数与其所吸收的激发光子数之比。

（5）合成原理 CdE(E=S,Se,Te)量子点可以使用多聚磷酸盐或巯基化合物为配体在水相中直接合成。巯基化合物既可以作为稳定Cd2+的良好配体，同时也与生物体中的氨基酸、蛋白质等物质有较好的亲和性，可以在合成后不经表面修饰直接应用于生物标记领域，其中巯基乙酸（TGA）和巯基丙酸（MPA）等被广泛应用于量子点的合成。本实验采用巯基乙酸为配体来合成水溶性的CdTe量子点。(6）化学化学方程式

①NaHTe制备反应方程式 4NaBH4+2Te+7H2O=2NaHTe+Na2B4O7+14H2 ②CdTe合成反应方程式 Cd2++RSH=Cd（RS）++H+ Cd(RS)++THe-+OH-+H+=CdTe(RSH)+H2O

三、实验步骤

1、CdTe量子点的合成

（1）NaHTe前驱体的制备称取0.12g硼氢化钠和2mL去离子水于50mL小锥形瓶中，用氮气吹扫5min，然后加入0.06gTe粉，热水浴反应（60-70℃），有气泡产生，直至黑色Te粉完全消失，溶液颜色由紫色变成无色（5-10min），得到无色透明的NaHTe水溶液。

（2）CdTe量子点的合成称取0.23g的CdCl2·2.5H2O和240ml去离子水于500mL三口烧瓶中，通氮气搅拌15min，滴加8滴巯基乙酸，然后用2M的NaOH 调节溶液的pH=9，在强磁力搅拌下通氮除氧15min，然后在氮气保护下快速一次性加入新制的NaHTe水溶液1mL,继续搅拌下加热溶液至沸腾，回流反应不同的时间，得到颜色各异的透明溶液。在回流时间分别为0h（溶液刚开始沸腾回流时），0.5h，1.0h，2.0h，3.0h时，取出约5mL反应液，置于相应的比色皿中，待测。在暗处，采用365nm的紫外灯对所取样品进行辐照，观察其荧光颜色。

2、量子产率的计算（测量3h合成的量子点）在400nm下测1×10-6M的罗丹明溶液的吸光度和荧光光谱，调整CdTe溶液的浓度，在400nm下测其吸光度小于0.1，之后测试该浓度下的荧光发射光谱，计算CdTe的荧光量子产率。

3、CdTe量子点荧光光谱的测定按照老师操作示范开荧光光谱仪，在计算机上打开测量软件。将所制备的量子点溶液放入样品池中，在软件上设置测量所需要的参数，然后设置测定样品的激发光谱和发射光谱所需要的测量范围、激发波长、监测波长、扫描速度等参数，开始测定样品的荧光光谱。

四、结果与讨论

由实验所得数据经Origin软件处理作图如下：

P L i n t e n s i t y

emission wavelength/(nm)

P L i n t e n s i t y

excitation wavelength/(nm)

300350400450500550600650

700

150

300

450

600

750

900

P L i n t e n s i t y

emission spectra/(nm)

CdTe sample

I X =750

D X =29860

A X =0.082

2

4

6

8

1002

4

6

8

10

300400500600700

150

300

450

600

750

P L i n t e n s i t y

Emission spectra/(nm)

A r =O.007

I r =720

D r =9138

RB sample

02

4

6

8

100

2

4

6

8

10

五、实验现象观察

1、制备NaHTe 时有气泡产生，所以需要用手把瓶盖按住，不然瓶盖会被气体冲起，但同时也要放气，黑色Te 粉逐渐消失，溶液颜色5-10min 时由紫色变成无色，得到无色透明的NaHTe 水溶液。

2、新制备NaHTe 的溶液遇空气会迅速变成紫红色。

3,、量子点合成时CdCl2通氮气沸腾，加入新制的NaHTe时溶液立即变红色，继续搅拌加热后沸腾，回流时间不同颜色逐渐变深的透明溶液。

六、及数据分析讨论

数据分析

由处理后的发射光谱图可观察得到，随着反应时间的推迟谱峰向波长增大的方向移动，且峰高有逐渐增高的趋势。根据荧光量子产率的计算公式可计算得Ar=0.007,Ax=0.082,Ix=750,Ir=720,nx=1.333,nr=1.359,Dx=29860,Dr=9138,∮r=95%,则计算所得产品的荧光量子产率为24.5%.

结果讨论

1、NaHTe制备时需用氮气吹扫除净空气，并控制温度，且在制备过程中极易产生大量的氢气而使瓶内气压变大，散气过程中可能部分被氧化。为防止NaHTe被氧化添加时量比较少，降低了量子点的产率。

2、量子点合成前一定控制液体环境pH在9左右；装置不漏气，氮气吹扫，并持续沸腾；加入新制NaHTe水溶液时需要在氮气保护下快速一次性加入，防止NaHTe与空气接触氧化。而操作时由于有空气进入，使新制NaHTe水溶液被氧化，所以产率降低。

七、实验心得

1、实验需要认真谨慎，否则会使实验结果很不好。就像我们这次实验，由于在往CdCl2中加新制NaHTe水溶液时，由于两位操作者配合不严密，使空气进入，导致新制NaHTe水溶液被氧化，是结果降低。

2、了解纳米材料的定义及半导体量子点的基本知识，纳米材料是尺度约为1~100nm且所含原子或分子数为10²-105个的材料是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质。

3、对实验要有深入的评价和分析，总结实验结果，分析实验误差，并找寻克服误差的方法，对于系统误差要尽量降到最小；

4、半导体量子点具有以下的荧光特性：（1）具有很宽的激发光谱；（2）可以制备荧光光谱各异的量子点；（3）量子点用于生物标记时，荧光光谱易识别，更利于分析；（4）量子点比有机染料稳定，可以经受长时间、反复多次的光激发，不易发生荧光漂白现象。因此量子点有望代替传统的有机染料分子探针，促进生物学研究的发展

5、熟练掌握荧光光谱仪的使用方法和Origin软件的操作,并学会分析光谱图，处理数据。提高数据处理能力，提高作图技巧。