本文介绍了一种合成In37P20(O2C14H27)51团簇并将其转化为磷化铟量子点的实验方案。
本文介绍了一种合成In37P20(O2C14H27)51团簇并将其转化为磷化铟量子点的实验方案。
本文介绍了一种合成 In37P20(O2C14H27)51 簇合物并将其转化为磷化铟量子点的方法。In37P20(O2CR)51 簇合物是在以分子前驱体(In(O2CR)3、HO2CR 和 P(SiMe3)3)合成 InP 量子点过程中观察到的中间体,可被分离为纯品试剂,用于后续研究或作为单源前驱体使用。当在无额外前驱体条件下于 200 °C 以上进行热解时,这些簇合物可迅速转化为结晶性良好且相对单分散的准球形 InP 量子点。通过紫外-可见光谱、光致发光光谱、透射电子显微镜和粉末 X 射线衍射对簇合物及量子点的光学性质、形貌和结构进行了表征。此外,溶液相 31P 核磁共振谱进一步确认了簇合物的分子对称性。本实验方案展示了原子级精确的 InP 簇合物的制备与分离,及其向 InP 量子点可靠且可放大的转化过程。
胶体半导体量子点在过去三十年中因其在多种光电应用领域的潜力而加速了合成技术的发展,这些应用包括显示器1、固态照明2,3、生物成像4,5、催化6,7以及光伏器件8,9,10。鉴于其在广色域显示技术领域最近取得的商业成功,预计到2028年量子点市场规模将超过160亿美元11。近年来,随着对低毒性、无镉和无铅替代材料在广泛分布式电子器件中应用的探索,研究材料的重点已显著从II-VI族(以及IV-VI族)转向III-V族。其中,磷化铟(InP)已被确定为CdSe最具前景的直接替代材料之一12。然而,人们逐渐认识到,基于InP的量子点优化更为困难,并不总是能够受益于此前在更成熟的硫族化合物材料上所采用的相同方法。这主要是因为InP纳米粒子的成核与生长过程遵循一种非经典的两步机制13。该机制的出现是由于存在局部稳定、原子级精确的中间体,即所谓的“魔数尺寸”团簇14,15,16。特别是,在以P(SiMe3)3、羧酸铟和羧酸为前驱体制备InP的过程中,In37P20(O2CR)51已被确认为一个关键的、可分离的中间体17。
该中间体在反应坐标中的存在对InP纳米结构的生长具有诸多显著影响。簇状中间体本身的出现使得基于La Mer模型的经典成核与生长理论不再适用,这意味着优化浓度、温度和前驱体等反应条件可能无法获得足够均匀的系综性质。相反,已有研究表明,使用InP簇作为单源前驱体可制备出光学特征窄且高度单分散的量子点13。近期文献指出,单分散性并非限制InP与其他光电材料性能相当的唯一因素18。表面缺陷、氧化以及合金化仍是当前深入研究的关键问题,优化InP结构仍需重大创新19,20,21,22,23,24。诸如In37P20(O2CR)51等原子级精确的簇合物,是研究多种合成后表面修饰效应的理想平台。通常情况下,纳米粒子系综的非均一性使得表面和组分效应难以确定,但由于InP簇在组成和晶体结构上均具有原子级精确性,因此它是一个理想的模型体系。
In37P20(O2CR)51 纳米团簇的合成难度并不高于 CdSe、PbS 或 ZnO 等更常用的纳米粒子。该合成仅需标准玻璃器皿、易得的化学试剂以及对无水无氧 Schlenk 技术和手套箱操作的基本掌握。该方法本身可在克级规模上进行,产率超过 90%。正如我们将展示的,InP 团簇的成功合成并非“魔法”,而是对基础操作的实践。只需使用高纯度试剂、干燥的玻璃器皿、正确的无水无氧操作技术并注重细节,即可获得这种原子级精确的纳米团簇。此外,我们还详细阐述了将其转化为具有窄尺寸分布的高结晶性 InP 量子点的理想方法。
警告:应始终穿戴适当的个人防护装备,使用每种化学品前应阅读其材料安全数据表(MSDS)。所有步骤均需在无空气条件下进行,因为将团簇暴露于空气和/或水中会导致团簇降解或阻碍其正常形成。反应瓶任何暴露于空气的时刻,都应持续通入氮气(N2),以在反应瓶内的试剂上方形成保护气层。所用氮气(N2)纯度应达到99.9%或更高。
1. 分子前体的制备
2. In37P20(O2CR)51的合成
3. In37P20(O2CR)51的后处理
注意:纯化步骤中使用的所有溶剂均为无水溶剂,并在氮气环境中保存于4 Å分子筛中2充满气体的手套箱
4. 使用 In37P20(O2CR)51 作为单源前驱体制备 InP 量子点
注意:磷化铟量子点可通过热注入或升温法,由纯化的 InP 簇合成。
5. In37P20(O2CR)51 和 InP 量子点的表征
InP 纳米团簇和量子点通过紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱、X射线衍射、透射电子显微镜以及核磁共振波谱进行表征。对于 InP 纳米团簇,观察到一个不对称的吸收特征,其峰值最大值位于 386 nm图1a)。尽管样品具有真正的单分散性,该最低能量峰仍表现出较宽的线宽,并在温度降低时变窄。这归因于一组特定的电子跃迁,这些跃迁与低对称性纳米团簇晶格的振动运动相关17在298 K下,尽管不存在明显的因配位不足的铟或磷离子引起的陷阱态,但仍未观察到明显的光致发光量子产率(PL QY)。
这种非化学计量比、富铟(In)的团簇(其中In相对于磷的原子比为1.85:1)形成的结构既不符合块体InP的闪锌矿结构,也不符合纤锌矿XRD衍射图谱(图1b)。相反,InP团簇呈现出一种低对称性的伪-C2v结构,该结构最好用一组相交的多扭烷(polytwistane)单元来描述25。团簇的核心直径在1–2 nm范围内,具体数值取决于观测所选取的轴向(图1c)。这种低对称性结构在团簇的溶液相31P核磁共振(NMR)谱图中得以体现。31P NMR谱图显示,月桂酸盐封端的InP团簇呈现出11个不同的信号峰(位于C2轴上的2个P原子各自产生一个独特的信号峰,其余18个P原子各自具有对称等价性,从而产生另外9个信号峰),化学位移范围为-187至-242 ppm(图1d)26。在31P NMR谱图中观察到的峰展宽程度随溶剂、浓度以及纯化方法而变化,这一点已在近期关于相关纳米体系的研究中有所描述27。
采用本方法从团簇合成的InP量子点(QDs)的光学光谱在564 nm处显示出最低能量激子跃迁(LEET),相应的光致发光(PL)发射峰位于598 nm,半高全宽为52 nm,且在更长波长区域可见明显的陷阱态发射(图2a)。值得注意的是,尽管两种合成方法(加热升温法与热注入法)所得InP量子点的光学质量相当,但由于高温下快速成核,热注入法通常可获得单分散性更高的样品13。通常在未经进一步表面处理(如壳层包覆、氟刻蚀或路易斯酸配位)的情况下,直接从合成中获得的光致发光量子产率较低,这被认为是由这些纳米晶体表面存在的空穴和电子陷阱态共同导致的18,28。所得InP量子点的X射线衍射(XRD)图谱证实其为闪锌矿相(图2b)。XRD数据中的峰展宽源于高度结晶结构的有限尺寸效应,在InP量子点的情况下,其直径为3.1 nm +/- 0.5 nm(图2c,尺寸分布直方图见参考文献13)。

图1. InP团簇的代表性表征数据。 (A)InP团簇的紫外-可见吸收光谱。 (B)纯化后InP团簇的XRD图谱,显示其与预期的体相闪锌矿(黑色迹线)和纤锌矿(灰色迹线)InP图谱的偏离。 (C)孤立InP团簇的透射电子显微镜(TEM)图像。 (D)InP团簇在298 K、C6D6中以202 MHz采集的31P核磁共振(NMR)谱图。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2. 由InP团簇制备的InP量子点的代表性表征数据。(A)采用热注入法由月桂酸盐包覆的InP团簇制备的InP量子点的紫外-可见吸收光谱(实线)和光致发光光谱(虚线)。(B)纯化后InP量子点的X射线衍射图谱,显示其与体相闪锌矿结构InP图谱一致。(C)采用热注入法由团簇生长的InP量子点的透射电子显微镜图像。请点击此处查看该图的高清版本。
InP魔数尺寸团簇的合成及其向量子点的转化遵循简单直接的步骤,已被证明能够稳定地制备出高质量的样品。将InP团簇作为中间体进行合成与分离,具有显著优势,可对这些纳米结构进行充分表征的修饰,并进而将其特性整合到最终的量子点中。由于团簇具有原子级精确的结构特征和高度可重复性,为InP体系的表面修饰、缺陷研究及合金化等创新性研究提供了平台,并为显示技术、固态照明、催化和光伏等领域广泛应用打开了新的可能。
在InP团簇的合成过程中,所有试剂必须高纯度且充分干燥,因为合成的成功依赖于无水无氧的实验条件以及前驱体的纯度,以实现高产率下的均匀生长。此外,操作P(SiMe3)3时应采取充分的预防措施,该试剂对光敏感且具有自燃性。该试剂应储存在避光、无空气和无水的环境中,并在反应前及反应过程中谨慎防止接触空气和水分。为实现团簇的高效生长,反应温度应控制在100–110 °C范围内;在室温下生长极为缓慢,而温度过高则会导致生成不同尺寸的量子点,具体尺寸取决于反应温度。本方案具有高度可扩展性和灵活性,可通过调节多种参数实现合成过程的精确控制与修饰。作为InP团簇及其后续量子点配体使用的肉豆蔻酸,可替换为苯乙酸、油酸或其他长短链羧酸。在合成后向InP团簇溶液中加入P(SiMe3)3,若团簇的吸收特征出现轻微扰动(如红移和/或展宽),可观察到尺寸聚焦效应,过量的肉豆蔻酸铟被消耗,导致吸收光谱发生约3 nm的蓝移29。
我们实验室已通过经验优化了团簇的纯化方法,以避免氧化并分离出尽可能高的产率。选择乙腈作为反溶剂,并确定其与甲苯的体积比,可实现上述目标。最后,将团簇重新悬浮于最小量的甲苯中,并通过离心去除合成过程中可能产生的固体杂质。从最终溶液中除去甲苯后得到黄色糊状物,可在无空气和无水条件下至少保存36个月。此外,在制备核磁共振(NMR)样品以表征纯化产物时需注意,31P NMR谱图中11个不同共振信号的化学位移精确值会因铟前体的种类不同而有所变化。此外,纯化不充分或团簇浓度的波动可能导致谱线展宽。为了获得具有清晰尖锐峰形的谱图,建议将至少40 mg的团簇溶解于最小量的无水C6D6中(约0.7 mL)。
类似地,通过团簇合成InP量子点(QDs)必须在无水无氧条件下进行。先前的研究表明,铟前驱体中存在水或加入痕量水或氢氧根离子会导致InP量子点生长过程及最终产物表面化学性质发生显著变化25。当反应规模与本方案所述不同时,需注意:对于热注入法,用于注射的团簇溶液应具有足够高的浓度,且其体积应明显小于烧瓶中加热溶剂的体积,以尽量减少注入时温度的骤降,因为反应温度曲线在合成过程中具有重要影响。关于InP团簇转化为量子点的转化机制,近期已有详细研究报道,其中探讨了不同前驱体(如羧酸、羧酸铟)、温度和浓度等因素的影响30。这些研究表明,要获得高产率且质量最优的量子点,热解温度必须> 220 °C。InP量子点的纯化逻辑和步骤与上述团簇的纯化类似,但建议将纯化后的量子点保存在甲苯等溶剂中。以固态形式储存时,量子点会随时间推移形成聚集体,从而难以实现均匀的胶体分散。关于本方案的最后一点说明:在InP量子点合成后,建议通过真空蒸馏去除1-十八烯(ODE),而非仅通过沉淀-再溶解法,这应作为量子点纯化的第一步。这样做可减少后续处理所需的溶剂体积,同时避免残留的ODE与长链羧酸盐配体壳层发生链间交错,从而影响样品表征及后续应用时的制样效果。
我们已展示了原子级精确的InP“幻数尺寸团簇”In37P20(O2CR)51的合成与表征,并展示了其作为单一前驱体,通过加热升温法和热注入法合成InP量子点的应用。所报道的InP团簇合成方法具有良好的普适性,可推广至多种烷基羧酸酯配体体系。由该团簇制备InP量子点的方法为这些难以合成的纳米结构提供了高度可重复的合成路径,在粒径分布和结晶性方面均表现出优异的质量。该方法尚有广阔的发展空间,例如对团簇进行合成后修饰,以及优化团簇向量子点转化的工程策略。正因如此,我们认为这些方法在InP及相关发光材料的合成中具有实用价值和潜在的技术意义,适用于显示与照明应用。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们衷心感谢美国国家科学基金会(项目编号 CHE-1552164)对本文所介绍的原始合成与表征方法开发工作的资助。在撰写本文期间,我们感谢以下机构对学生及博士后薪资的支持:Nayon Park(美国国家科学基金会,CHE-1552164)、Madison Monahan(美国能源部科学办公室基础能源科学办公室,作为能源前沿研究中心计划的一部分:CSSAS——跨尺度合成科学中心,资助编号 DE-SC0019288)、Andrew Ritchhart(美国国家科学基金会,CHE-1552164)、Max R. Friedfeld(华盛顿研究基金会)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 乙腈,无水,99.8% | Sigma Aldrich | 271004 | 使用 4Å 分子筛干燥 |
| 适配器,Airfree,14/20 接口,0 - 4 mm Chem-Cap(T 型适配器) | Chemglass Life Sciences LLC | AF-0501-01 | |
| 进样适配器,14/20 内接口 | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1014-14 | |
| Bio-Beads S-X1,200-400 目 | Bio-Rad Laboratories | 152-2150 | |
| Cary 5000 UV-Vis-NIR | Agilent | ||
| 层析柱,24/40 外接口,内径 3/4 英寸 × 长度 10 英寸,2 mm 填料高度 | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1188-06 | |
| 直形冷凝管,185 mm, 上端外接口 14/20,下端内接口 14/20,夹套长度 110 mm | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1218-A-20 | |
| 短程蒸馏头,带夹套 | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1240 | |
| Eppendorf Microcentrifuge 5430 | Fisher Chemical | 05-100-177 | |
| Falcon 15 mL 圆锥形离心管 | Fisher Chemical | 14-959-49B | |
| 圆底烧瓶,50 mL,厚壁,14/20 - 14/20,三颈,倾斜 20° | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1524-A-05 | |
| ImageJ | 由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health) 和光学与计算仪器实验室开发 | 开源 Java 图像处理程序 | |
| 乙酸铟,99.99% | Sigma Aldrich | 510270 | |
| 肉豆蔻酸,99% | Sigma Aldrich | M3128 | |
| 温度控制器 | Fisher Chemical | 50 401 831 | |
| 非汞温度计,10/18 | Chemglass Life Sciences LLC | CG-3508-N | |
| 测温套管,14/20 内接口,接口上方外径 1/2",接口下方为外径 6 mm 的圆底管,适用于 25 mL 圆底烧瓶 | Chemglass Life Sciences LLC | UW-1205-171JS | 定制订购 |
| 甲苯,无水,99.8% | Sigma Aldrich | 244511 | 使用 4Å 分子筛干燥 |
| 三甲基铟,98% | Strem | 49-2010 | 对热和湿气敏感 |
| 三(三甲基硅基)膦 | 参考文献 #31, 32 | 自燃性 | |
| 超薄碳膜负载于 lacey 碳支持膜上,400 目,铜网 | Ted Pella Inc. | 1824 | |
| 真空计 1-STA 115VAC 60Hz | Fisher Chemical | 11 278 | |
| 真空泵 115VAC 60Hz | Fisher Chemical | 01 096 | |
| 1-十八烯(ODE),90% | Sigma Aldrich | O806 | 工业级,经蒸馏并使用 4Å 分子筛干燥 |
An erratum was issued for: Synthesis of In37P20(O2CR)51 Clusters and Their Conversion to InP Quantum Dots. The Representative Results were updated.
The fifth sentence in the second paragraph of the Representative Results was updated from:
The 31P NMR spectrum of myristate-capped InP clusters shows 11 distinct peaks (2 P atoms on the C2 axis that each give a unique peak and the remaining 18 P each have a symmetry equivalent, resulting in an additional 9 peaks) ranging from -256 to -311 ppm (Figure 1d)26.
to:
The 31P NMR spectrum of myristate-capped InP clusters shows 11 distinct peaks (2 P atoms on the C2 axis that each give a unique peak and the remaining 18 P each have a symmetry equivalent, resulting in an additional 9 peaks) ranging from -187 to -242 ppm (Figure 1d)26.
Figure 1 in the Representative Results was updated from:

to:
