本文介绍了一种用于合成由CdS和CdSe组成的棒状和四足状多组分纳米结构的种子诱导生长法。
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本文介绍了一种用于合成由CdS和CdSe组成的棒状和四足状多组分纳米结构的种子诱导生长法。
我们展示了一种合成多组分纳米结构的方法,该纳米结构由具有棒状和四足状形貌的CdS和CdSe组成。该方法采用种子生长策略,首先通过热注入技术制备球形CdSe种子。通过控制种子的晶体结构为纤锌矿或闪锌矿,随后在种子上进行CdS的热注入生长,分别得到棒状或四足状的纳米晶体。利用X射线衍射和透射电子显微镜对所合成纳米晶体的相结构和形貌进行表征,结果表明纳米晶体具有单一相结构且形貌均一。通过紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱计算所合成纳米晶体的消光系数和量子产率。棒状和四足状纳米晶体的消光系数和量子产率均高于未包覆的种子。该合成方法展示了通过种子法在纳米尺度上实现材料精确排列的能力。
近年来,多组分纳米结构的合成迅速发展1。已成功合成了多种II-VI族半导体纳米异质结构,包括球形核壳颗粒2,3、种子诱导的纳米棒4,5以及种子诱导的四足结构6。这些异质结构可在纳米尺度上实现对光子和载流子的复杂调控,并展现出许多有趣的物理现象,如极高的消光系数、偏振发射4 以及高量子产率2,7。
多组分纳米结构的合成需要对每个组分的成分、相态、形貌、尺寸和连接方式实现精确控制。对这些因素的调控在很大程度上依赖于独立调节成核与生长速率的能力8,9,10。实现成核与生长独立控制的一种策略是将这两个过程分步进行。本文将展示如何在优化球形纳米晶体成核与生长的反应条件下生成CdSe小种子,随后将其转移至第二个反应瓶中,在有利于棒状臂各向异性生长的反应条件下进行CdS的生长6。通过调节CdSe种子的晶体结构,从纤锌矿相转变为闪锌矿相,我们将演示在相似条件下生长的CdSe/CdS异质结构的形貌如何从纳米棒转变为四足体,从而突出当前先进纳米颗粒合成方法在相态、形貌和尺寸方面的精确调控能力。镉基硫族化合物的纳米结构一直是发展新型合成技术的有用模型体系,因为该材料体系已被广泛研究;尽管本视频实验方案展示的是特定纳米结构的合成,但这些技术同样适用于多种其他纳米结构的合成。
纳米粒子合成过程中所采用技术与试剂的微小差异,已被证明会对最终产物产生显著影响。例如,合成过程中的升温速率11以及存在的杂质12-14,均被证实会显著影响纳米晶体的尺寸和形貌。通过识别合成工艺中高度敏感的具体因素,纳米晶体合成的可重复性正在不断提高。本详细的视频实验方案旨在帮助该领域的新手避免在纳米粒子合成过程中常见的诸多陷阱。
使用前请查阅所有相关的材料安全数据表(MSDS)。这些合成中使用的多种化学品具有急性毒性和致癌性。与块体材料相比,纳米材料可能具有额外的危害。进行纳米晶体反应时,请采用所有适当的安全操作规范,包括使用工程控制措施(通风橱、手套箱)和个人防护装备(护目镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋)。以下部分操作步骤涉及标准的无水无氧操作技术15。
1. 分子前体的制备
2. CdSe 量子点的合成

3. CdSe/CdS 异质结构的合成
对种子(图 1)和最终的异质结构(图 2)测定了吸收光谱、光致发光(PL)光谱、X射线衍射(XRD)图谱和透射电子显微镜(TEM)图像。吸收光谱和PL光谱用于计算纳米结构的消光系数和量子产率。XRD和TEM用于确定纳米结构的物相和形貌。

图1. 具有纤锌矿和闪锌矿晶体结构的CdSe纳米晶体种子。(a, b)纤锌矿和闪锌矿CdSe纳米晶体的吸收光谱(黑色)和光致发光光谱(红色),插图为相应的透射电子显微镜(TEM)图像。(c, d)纤锌矿和闪锌矿CdSe纳米晶体的X射线衍射图谱,图中同时提供了相应块体材料的参考谱线图案。点击此处查看高清图像。

图 2. 棒状和四足状形貌的 CdSe/CdS 种子异质结构。(a, b)分别为 CdSe/CdS 纳米棒和 CdSe/CdS 四足状结构的透射电子显微镜(TEM)图像。(c, d)CdSe/CdS 纳米棒和四足状结构的 X 射线衍射(XRD)图谱。仅观察到纤锌矿 CdS 的衍射峰。(e, f)CdSe/CdS 纳米棒和四足状结构的吸收光谱(黑色)和光致发光光谱(PL,红色)。绿色线表示放大后的吸收光谱,以突出 CdSe 种子引起的吸收特征。点击此处查看高清图像。
w-CdSe 和 zb-CdSe 种子的光谱显示出明显的激子吸收峰(图 1a 和1b),这是由于种子具有高度单分散性;第一激子的能量分别对应于 w-CdSe 和 zb-CdSe 的直径为 3.3 nm 和 3.6 nm。这些种子还表现出强烈的光致发光,量子产率范围约为 3–30%,具体数值取决于样品的制备方法;例如,更多的清洗步骤往往会去除表面配体,从而导致量子产率降低6。光致发光峰的半高宽较窄(w-CdSe 和 zb-CdSe 纳米晶体分别为 31 nm 和 33 nm),与粒径分布为 5–10% 的结果一致21。
对种子收集的X射线衍射图谱(图1c和1d)证实了其具有目标相结构。纤锌矿相在41.1°和53.8°处具有明显的衍射峰,而闪锌矿相则无此峰。峰的展宽源于晶体尺寸有限导致的谢乐展宽。
CdSe种子晶体结构的差异导致最终异质结构形貌显著不同(图2a和2b)6。w-CdS在w-CdSe的(001)面和(00
) 面上成核并生长,由于为单轴生长,最终形成棒状颗粒。相比之下,w-CdS在zb-CdSe的{111}晶面上成核并生长。在八个{111}晶面中,有四个晶面的配位饱和度较低;因此,我们观察到w-CdS在这四个晶面上生长更快,从而形成四足状结构22。所制备的棒状和四足状纳米晶均表现出高结晶性,X射线衍射(XRD)分析证实其为纤锌矿结构的CdS(图2c和2d)。
由于异质结构中的CdS部分远大于CdSe种子,种子引起的吸收仅占总吸收的一小部分。因此,在波长大于500 nm时,异质结构的吸收较弱,该区域的大部分吸收来自CdSe种子(图2e和2f)。在波长小于500 nm时,吸收显著增强,因为带隙更大的CdS开始强烈吸收。种子的消光系数约为105 M-1cm-1,而棒状和四足状结构的消光系数则显著提高,分别达到107 M-1cm-1和108 M-1cm-16。对于棒状和四足状结构而言,异质结构的第一激子跃迁相对于裸露的种子发生红移(图2e和2f),这是因为电子和空穴分布在更大的颗粒上。
根据异质结构组分的特定尺寸及其相应的能带结构,空穴往往更倾向于局限在种子区域,而电子则能在整个颗粒中更自由地移动23。因此,复合发光发生在颗粒内部而非表面,导致棒状结构的量子产率超过75%,四足状结构的量子产率介于35%-70%之间,显著高于裸露的CdSe种子6。此外,CdSe种子表面包覆的CdS无机钝化层提供了更高的环境稳定性。
我们展示了一种通过调控晶种的晶体结构来控制纳米级异质结构最终形貌的方法。这种基于晶种生长的方法已被应用于多种结构,我们预计通过该方法可合成的异质结构类型将继续拓展。
我们没有需要披露的内容。
本工作由美国能源部合同号 DE-AC02-05CH11231 支持,隶属于能源部科学办公室基础能源科学办公室的无机纳米结构物理化学项目(KC3103)。阿贡国家实验室纳米材料中心由美国能源部科学办公室基础能源科学办公室用户设施资助,合同号为 DE-AC02-06CH11357。K.M. 和 B.J.B. 感谢美国能源部科学办公室研究生奖学金项目(DOE SCGF)的支持,该奖学金部分由2009年美国复苏与再投资法案资助,并由橡树岭联合大学(ORISE-ORAU)根据合同号 DE-AC05-06OR23100 管理实施。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氢氧化钠,98% | Fisher | BP359 | |
| 肉豆蔻酸,99% | Sigma Aldrich | M3128 | |
| 甲醇,99.8% | Fisher | A412 | |
| 四水合硝酸镉,99% | Sigma Aldrich | 20911 | 剧毒 |
| 氧化镉(CdO),99.99% | Sigma Aldrich | 202894 | 剧毒 |
| 1-十八碳烯(ODE),90% | Sigma Aldrich | O806 | 工业级 |
| 硒(Se),100目,99.99% | Sigma Aldrich | 229865 | |
| 三正辛基膦(TOP),97% | Strem | 15-6655 | 对空气敏感 |
| 硫(S),99.9995% | Alfa Aesar | 10343 | |
| 三辛基氧化膦(TOPO),99% | Strem | 15-6661 | |
| 正十八烷基膦酸(ODPA),99% | PCI Synthesis | 104224 | |
| 无水甲醇,99.8% | Sigma Aldrich | 322415 | |
| 无水甲苯,99.8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| 无水氯仿,99% | Sigma Aldrich | 288306 | |
| 丙酮,99.9% | Fisher | A949 | 经4Å分子筛干燥 |
| 无水正己烷,95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| 无水2-丙醇,99.5% | Sigma Aldrich | 278475 | |
| 二氧化硒,99.999% | Sigma Aldrich | 204315 | |
| 油酸,90% | Sigma Aldrich | 364525 | 工业级 |
| 油胺,70% | Sigma Aldrich | O7805 | 工业级 |
| 丙基膦酸(PPA),95% | Sigma Aldrich | 305685 | |
| 无水乙醇,99.5% | Sigma Aldrich | 459836 | |
| 辛胺,99% | Sigma Aldrich | O5802 |