“反胶团法”合成的CdS半导体纳米粒子的光谱性质研究

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2024年3月17日发(作者:工作情况报告)

“反胶团法”合成的CdS半导体纳米粒子的光谱性质研究

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第28卷,第7期 

光谱学与光谱分析 Vo1.28,No.7,pp1573—1577 

2 0 0 8年7月 

Spectroscopy and Spectral Analysis July,2008 

“反胶团法"合成的CdS半导体纳米粒子的光谱性质研究 

李恒达 ,王庆伟 ,翟宏菊 ,李文连 

1.吉林师范大学化学学院,吉林四平136000 

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033 

摘要反相胶束是指由介于油和水界面的表面活性剂分子,稳定、且均匀分散于连续油介质中的微液滴。 

它可以作为“微反应器”合成性能优良的CdS粒子。文章研究了反相胶束的w值(w一[水1/E表面活性剂])、 

ECd2 ]与Es2一]的比例和Cd 和s2一离子的起始浓度对CzlS纳米粒子发光特性均有明显影响。回流处理可 

以对CzlS纳米粒子的表面进行修饰,可以使CzlS粒子的缺陷发光减弱并消失而显著增强激子发射,同时可 

增大粒径使激子发射峰位红移,体现了明显的量子限域效应;所得材料的室温最大荧光量子效率高达ll 。 

关键词CzlS纳米颗粒;反胶团;微反应器;光谱性质 

中图分类号:TN3O4.2;0472+.3 文献标识码:A 文章编号:i000—0593(2008}07—1573—05 

引 言 

1 CdS纳米粒子的光谱性质 

由于受量子限域效应等影响,半导体硫属化合物纳米材 

1.1 W对CdS纳米微粒光谱性质的影响 

料所呈现的不仅与尺寸相关的光电性质引起了人们极大的研 不同w值(w一[水]/E表面活性剂]),所得CdS纳米粒 

究兴趣[】 ],而且它们在有机光发射二极管、光电池、传感 

子吸收和发射光谱分别如图l(a)和图1(b)所示,峰位变化 

器、光催化、非线性光谱和激光等光电器件诸多领域显示了 

见表1。可见,随w值增大,吸收峰发生红移,说明纳米粒 

巨大的应用潜力[4 ,其中CdS半导体纳米材料更引起了人 

子的尺寸逐渐增加。根据有效质量近似原理【_11_对不同w时 

们的特别重视[7_ ]。由于CdS纳米粒子的量子尺寸和表面效 

制备的CdS纳米粒子的粒径进行估算,其结果与透射电镜表 

应使得它的光谱性质与体相材料存在很大的区别。随着CdS 

征结果吻合 吸收光谱中吸收肩峰的存在,说明纳米粒子的 

纳米粒子的尺寸减小,其吸收和发射光谱均发生蓝移,这种 尺寸分布较窄,这与电镜观察到的结果完全一致。发射光谱 

蓝移是量子尺寸效应的直接体现。同时,由于颗粒表面积增 呈现较宽的发射带,体现了较大的表面效应,说明颗粒表面 

加,颗粒表面的空位和悬空键这样的缺陷也显著增加,这样 

存在大量的缺陷,从而使处于激发态的电子在回到基态的过 

既可俘获电子和产生缺陷发射,又可增加无辐射跃迁途径, 程中,未与空穴复合形成激子发射,而是被表面缺陷俘获、 

抑制了纳米粒子的本征激子发射,结果是大大影响了CdS纳 产生了如图所示的表面缺陷发射[】 。该发射带随w值的增 

米粒子的光谱性质。 

大呈红移趋势。 

Table 1 Effect ofW[Cdz ]toES2一]ratio on the absorptino and emission peaks 

收稿日期:2008-02—10。修订日期:2008—05—20 

基金项目:国家自然科学基金项目(10604054)资助 

作者简介:李恒达,女,1964年生,吉林师范大学化学学院副教授 e-mail:lhdwd@163.com 

*通讯联系人 e-amil:Wqw61 1223@1 63.com 

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第7期 

2.1回流处理过程 

光谱学与光谱分析 1575 

回流以后,微液滴内层的水分子被赶出,保证了修饰分子与 

纳米粒子表面的直接作用,两者相互作用增强,导致表面修 

饰作用更加有效、缺陷减少;其次,CTAB是阳离子表面活 

性剂,且极性基团较大,回流前与纳米粒子表面结合作用不 

够强,其在纳米粒子的表面排列松散而不致密,使CdS纳米 

将W=24.45时所合成的CdS纳米微粒样品用相同组成 

但不含反应物的反相胶束稀释一倍,在氮气保护、保持96 

℃条件下,分别回流10 rain,1,2,3 h。对不同时间回流后 

含有CdS纳米粒子的反相胶束样品进行荧光光谱的表征。 

2.2回流对CdS纳米粒子光谱特性的影响 

粒子表面仍然存在大量的缺陷。回流过程中,由于正己醇分 

子的羟基极性基团较小,可以嵌入CTAB分子之间的空隙, 

使修饰分子排列更为致密和修饰更为有效。另外,正己醇与 

CdS微粒表面的相互作用较CTAB强r2 ,回流过程中由于 

界面刚性重新调整,可能使与CdS纳米粒子表面结合作用较 

回流处理前后CdS纳米粒子的发射光谱如图4所示。由 

图可见,CdS纳米粒子回流前后的发射光谱发生了很大改 

变。与回流前相比,回流后的CdS纳米粒子位于450 nln处 

的激子发射峰显著增强,而570 nln处的缺陷发射峰消失。 

这主要是回流使CdS纳米微粒的晶化程度提高,减少了纳米 

粒子表面缺陷,完善了纳米粒子表面态,有效地提高了电子一 

空穴复合的概率,减少了带间激发的电子被空穴俘获的可能 

性,从而使缺陷发射减弱、激子发射得到增强。随着回流时 

间的增加,激子发射强度不断增强,发射峰位置发生红移。 

这归因于回流时间加长后,纳米粒子表面逐渐完善,使激子 

发射得到增强;同时,回流也使纳米粒子尺寸不断增大,导 

致发射峰发生红移。当回流时间大于3 h后,表面态对发射 

光谱的影响已经很小,CdS纳米粒子激子发射强度不再增 

加。以硫酸奎宁为标准物质,根据文献r2。。的方法对回流3 h 

的CdS纳米粒子进行了室温下荧光量子产率测定,其最大荧 

光量子产率为l1 。由此可见,回流处理是一种提高CdS纳 

米粒子激子发射强度和量子产率的有效手段。 

强的正己醇分子部分取代原有的CTAB分子,也将导致表面 

修饰分子排列更为致密,CdS纳米粒子的表面态更趋完善, 

使表面缺陷大大减少。当然,回流处理使CdS纳米粒子晶化 

程度提高也是造成激子发射增强的原因之一。通过XRD、红 

外光谱和XPS表征对所提出的回流修饰机理进行了验证。 

从CdS纳米粒子回流前后的XRD图可见(图6),回流后六 

方相CdS的(110)和(103)晶面的衍射明显增强,并消除了回 

流前因衍射峰宽化而导致的重叠现象。同时,(100)晶面衍 

射的增强导致原来中心位置位于27。的衍射峰向低角度移 

动。这些变化均源于CdS纳米粒子晶化程度的提高。 

兽_ u1 

辩毒幕 

 ̄, 一、,、 Hcxartol●、一、一 

墨 

§ 

蓦 

ig.5 SchematFic diagram f thoe enhanced surface bedeck of 

the CdS nano-partic by circumfluene treatment 

一 。~ 一 ∞。 一

Wavelength/nm 

Fig.4 Emission spectra of the CdS nano-partic at different 

circ ̄llence times(W=24.45).Insert: nIe emis- 

sion specta orf the CdS nano-partide without circum- 

fluence process 

lO 2O 3O 4O 5o 60 70 8o 

20/(。) 

2.3 CdS纳米粒子表面修饰增强光谱性质的机制 

基于对回流处理增强CdS激子发射现象的系统研究,我 

们提出了表面活性剂和助表面活性剂协同修饰机理。图5为 

回流前后CdS纳米粒子表面修饰示意图。回流前后CdS纳 

米粒子表面都应被CTAB和正己醇分子所包覆,但回流后位 

于CdS纳米粒子表面的正己醇分子较回流前明显增多,且 

CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)和正己醇排列得更为整齐、 

Fi蛋6 XRD peaks of CdS nano-partide(W--24.45)with(口) 

and without( )circmnfluenc treatment 

将w=24.45时制得的CdS纳米粒子进行回流,比较回 

流前后的红外光谱,可以表征纳米微粒表面的修饰情况。由 

中红外图谱(图7)可见,由于CdS纳米粒子的表面同时存在 

CTAB和正己醇,因此回流前后的红外光谱中均可发现两者 

致密,两者的协同修饰作用使它们对CdS纳米粒子的表面修 

饰更为有效。下面分析这一修饰作用增强的原因。首先,回 

流前微液滴内层除了纳米粒子以外,还有一部分水分子,水 

的特征振动峰,但回流前后红外光谱的峰形和峰位明显不 

同。回流前,中红外区域振动峰的位置和形状与CTAB的峰 

位及形状类似,位于2 852和2 923 cIn_1的红外振动峰是由 

分子的存在干扰了表面活性剂和纳米粒子表面的相互作用。 

CTAB分子中CHz的对称和反对称伸缩振动引起;回流后, 

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1576 光谱学与光谱分析 第28卷 

仔红外区域的振动峰位置和形状与正己醇的相近,位于 

己醇分子中CHz和cH3对称和反对称伸缩振动。这一变化 

2 853,2 869,2 923和2 955 cIn 的红外振动峰分别源自正 

说明,回流前后包覆在CdS微粒表面的CrAB与正己醇的 

相对比例发生了变化,回流后CdS颗粒表面的正己醇量提 

高。 

3结论 

研究发现,反相胶束的W值、[cd ]与Es2一]的比例和 

Cd。。}和S2一的起始浓度对CdS纳米粒子发光特性均有明显影 

响。吸收和发射光谱表明,在w一24.45,ECd2}。-liESz-]一1 

时所得cds为最均一尺寸。在此条件下,选择起始Er ̄l2 ]和 

4 o(10 3600 320O 2 8()o 2 4()o 

ES2一]为4.23×10 tool・L 时所得CdS纳米粒子呈现最 

Wavenumber/cm一 

强的激子发射。通过回流处理可以对纳米粒子的表面进行修 

№7 FIIR s0 ̄tra of CdS nano-particle th and without 

饰和纳米微粒的表面态优化,从而可很好地调控其发光特 

cil 珈nlIl蛐treatment,n:without circundluenc treat— 

性。修饰可减弱并消失CdS粒子的缺陷发射而显著增强激子 

ment,6:by drQiln ̄nenc treatment for 3 h;c: 

发射,修饰可增大粒径使激子发射峰位红移,体现了明显的 

CI'AB;d:n-hexyl aleolol 

量子限域效应,所得材料的室温最大荧光量子产率高达 

11% 

参 考 文 献 

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第7期 光谱学与光谱分析 1577 

Properties of Synthesized CdS Nanoparticles by Reverse Micelle Method 

LI Heng-da1,WANG Qing-weih,ZHAI Hong-ju1,LI Wen-lian1’。 

1.School of Chemistry in Jilin Normal University,Siping 136000,China 

2.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China 

Abstract Micelle system with reverse phase(water/CTAB/whexyl laoholc/wheptne)ias a weenie liquid-globelet of surface ac— 

tive agent molecule which can be stably and uniormly difspersed in continuous oil medium.The micelle system ith reverse wphase 

can work as a“micro-reactor”tO synthesize CdS nano-particle iwth excellent performance.In the present article considering the 

effcets ofW value(W=[-water ̄/[surface agent])of the imcelle systme iwth reverse phase,we observed that the ratio of[-Cd2 ] 

nad[s2一]ions tO the original ocncentrations of the Cd2+and Sz—ions can affcet the luminescent properties of CdS nano-particle_ 

Using regurgitant treatment process the surface of CdS nano-particle Can be modifide。and as a result the defect emission waLs re— 

duced and even disappeared,but exciton emissions markedly increased.On the other hand,a red-shift of the exciton emission 

peak with the increase in the particle size was observed,indiactign considerable quantum confinement effect.A maximum quart— 

tum efficiency of 11 for the synthesized CdS nano-material was achieved. 

Ke ̄,otCs CdS nanoparticles;Reversemicelle+Micro-reactor;Spectral property 

(Received Feb.10,2008;accepted May 20,2008) 

*Corresponding author 

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