ZnO量子点的合成及光学性质评估

的半导体材料称之为量子点。量子点主要以 II-VI 族、III-V 族、IV-VI 族半导体
居多，每一个量子点通常含有数百到上万个原子，在外界光子的激发下，量子点
吸收光子在内部形成激子，激子中电子和空穴的再复合产生荧光发射。
量子点光学性能与尺寸关系：
量子点的尺寸根据“有效质量”模型可以由下面公式进行描述：
样品 9
课后作业及思考题：
① 量子点的定义。 ② 第一波尔激子吸收峰和波尔激子半径。 ③ 熟悉掌握 Origin 系列作图、Matlab 等软件工具。
④ 为什么利用“有效质量”模型估算出的量子点尺寸会比 TEM 直接观察的会大些，除去 “有效质量”模型可以估算量子点或纳米晶尺寸，你还知道有哪些模型？
Eg∗
≅
Egbulk
+
ℏ2π2 2r2
1 �meme∗
+
1 memh∗ �
−
1.8e2 4πεε0r
−
0.124e2 ℏ2(4πεε0)
1 �meme∗
+
1 −1 memh∗ �
公式中Eg∗是量子点对应的禁带宽度，Egbulk是半导体对应的块体材料（ZnO
的为 3.4 eV），ℏ2是普朗克常数，r 是量子点的半径，me∗是电子的有效质量（对 于 ZnO，为 0.24me），mh∗ 是空穴的有效质量（对于 ZnO，为 0.59me），me是自 由电子的有效质量，ε0是真空介电常数而ε是相对介电常数。可以看出量子点的 禁带宽度随着尺寸的减小是逐渐增大的，用专业术语描述是呈现“蓝移”趋势。
量子点的定义：
量子点其实是一种纳米级别的半导体材料，随着半导体材料的尺寸的不断减
小一直到一定的纳米尺寸之后，当材料的尺寸在 x, y, z 三个维度与电子的德布罗
意波或者是平均自由程相当或者是更小的时候，电子在材料中的运动会受到限制，
而电子的能量在三个维度上都是量子化的，人们把这种电子在三个维度上都受限
通过紫外可见吸收光谱测试，运用公式 Eg=1240/λcuttoff （eV）可算出 ZnO 颗粒 的禁带宽度。再结合上述公式即可算出所合成的 ZnO 纳米颗粒的半径。
实验过程：
① 0.5 g 乙酸锌+20 ml 甲醇在 60℃下搅拌溶解（保鲜膜密封）； ② 0.24g KOH+10ml 的甲醇室温条件下搅拌溶解； ③ 待温度稳定至 60℃，将溶解 KOH 的甲醇溶液用注射器以缓慢的加入乙 酸锌溶液中，当滴加完毕后开始计时，任意计量取出的时间，反应时间不超过 2 h（取不少于 4 组样品完成后续光学性能测量）；
#1
B1
0.0053 3.818000
Aging time (s)
表格 1 随着时间演化样品 Eg 及尺寸的变化趋势
样品标号 样品 1 样品 2 样品 3 样品 5 样品 6 样品 7 样品 8 间隔时间 禁带宽度 计算尺寸
注：间隔时间单位取 min，禁带宽度取 eV，而计算尺寸取 nm。
ZnO 量子点的合成及光学性质评估
实验目的：
（1） 了解量子点的基本定义和应用领域； （2） 熟悉量子点五大效应； （3） 掌握量子的合成工艺及理论光学的尺寸依赖性； （4） 测量量子点的光学吸收并证实理论光学的尺寸依赖性； （5） 理论计算量子点的尺寸；
实验背景：
纳米技术是利用单个原子或者分子来制备物质的科学技术。1959 年，“纳米 科学”这一概念最初是由著名物理学家费曼在加州理工大学中的一次演讲中提出 的。上世纪 80 年代，自从 Bell 实验室成功制备出 CdS 纳米晶以后，便拉开了量 子点的研究序幕。其独特的物理化学特性，潜在的应用前景引起人们广泛的研究 兴趣。经过多年的研究，随着合成、测试与表征手段的不断提高，纳米科学技术 得以迅速发展，己经成为一个集前沿性、交叉性和多学科交叉的的新兴研究领域， 研究对象涉及物理学、光学、化学、材料学、机械学、微电子学、生物学和医学 等多个不同的学科。
将测试的数据按照下面表格形式填写并形成对应的实验报告，将表格数据用 Origin 作图（如下列给出版式）。
Absorbance (a. u.)
1.5
0 min
1.2
1 min 3 min
5 min
0.9
30 min
90 min
120 min
0.6
0.3
Radius Cubed (nm3)
0.0 260 280 300 320 340 360 380 400
5. 紫外可见吸收光谱的原理？
荧光量子点是材料的尺寸与与其激子波尔半径相当或者是更小的荧光纳米 材料。由于其在尺寸上的特殊性，使其具有其对应的体材料和单个以及分子所不 具备的特殊性质，导致其物理性质，化学性质即不同宏观的体材料物质也不同于 微观的原子分子，而是介于两者之间，如量子尺寸效应、表面效应、介电限域效 应、量子隧道效应以及库伦阻塞效应。随着纳米技术的发展，荧光量子点己经在 太阳能电池、发光二极管、光电探测器、生物荧光成像等领域发挥了重要的应用 作用。21 世纪纳米技术的主要任务就是利用所制备的纳米材料的新颖的物理或 者化学特性，并以此设计发展材料新型的应用以及制造出各种各样的器件;通过 不断优化纳米材料的制备方法，进一步推动其实际应用。
光学吸收测量过程：
利用 TU-9010 紫外可见分光光度计测试 ZnO 的吸收光谱，以甲醇作为分散 溶剂。 尺寸计算过程：
1 首先在电脑上装好 Origin 8.0 软件，将紫外可见吸收光谱数据直接拖入 [book 1]列表栏中；
2 鼠标左键单击 B(Y)列选定使其变黑，单击线性作图按钮做出吸收对波长 的变化关系图；
Wavelength (nm)
图 2 ZnO 量子点的吸收光谱虽时间的演变图
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
0
#1 Polynomial Fit of #1
Model
Polynomi
Adj. R-Squa 0.96009
Value Standard Err
#1
Intercept 6.9030 1.25832
3 在图中直线部分段（即吸收截止带边）外延直线，与(y=0)的坐标横轴交 为吸收截止带边对应的截止波长，利用 Eg=1240/λcuttoff （eV）可算出 ZnO 颗粒 的禁带宽度。
图 1 ZnO 量子点的禁带宽度的求法
4 将上面所得的 Eg 带入禁带与尺寸关系公式，将 1/r 作为自变量求解关于 自变量的一元二次方程，即可得到 r 半径值（自行查找 ZnO 的相关参数，可参 照刘恩科半导体物理学书后附表所列的数据，主要包括电子和空穴的有效质量， 介电常数等相关信息，计算过程可以通过 Matlab 或 Mathematics 等相关软件）。 实验表格处理：