第二章 胶体量子点材料合成与表征

2.1 引言

量子点的使用可以追溯到2000多年前的古希腊罗马时代，当时PbS纳米晶体被用作头发染色颜料，如图2. 1所示[1] 。然而，直到1981年Ekimov和Onushchenko等人发现了玻璃中半导体纳米晶体吸收峰的蓝移现象，量子点的科学研究才正式开始[2] 。一年后，Efros等人提出半导体纳米晶体的光学特性受其尺寸的影响[3] 。 1984年，Brus等人报道了胶体CdS纳米晶体的光学性质随其尺寸大小的变化[4] 。 1988年人们首次使用术语“量子点”来称呼半导体纳米晶体[5] 。量子点是其相应块状材料的纳米级碎片，由于量子尺寸效应，当量子点的尺寸小于其激子玻尔半径时，可以连续调控量子点的能带间隙，从而调谐它们的荧光发射峰[6，7] 。以CdSe胶体量子点为例，可调控的光致发光发射峰可以覆盖可见光谱的主要部分[8—10] 。此外，量子点因具有独特的光学特性，例如较宽的吸收带、窄发射峰、较高的荧光量子产率和出色的稳定性，在过去的三十年中引起了科学界和工业界的极大兴趣和关注。

20世纪90年代初期，Bawendi等人首先在配位溶剂中通过有机金属合成制备了高品质的胶体单分散CdX( X=S，Se，Te)纳米晶体。[11]这种方法可以合成直径范围从1. 2 nm到11. 5 nm的高度单分散并具有相同晶体结构和表面钝化的胶体量子点。通过进一步对未纯化的原始生长溶液进行尺寸选择沉淀和纯化，可以收集到直径尺寸分布窄且小于5%的量子点，这也可以从其清晰的荧光吸收和发射特征峰中判断。但是，这种合成方法使用了剧毒、昂贵、易爆和易燃的化学药品(比如二乙基镉)以及复杂的合成设备(比如手套箱)。因此，开发一种更环保的、通用的胶体量子点合成方法成为当时学术界的关键但非常具有挑战性的任务。庆幸的是，彭笑刚等人在2001年找到了一种完美的解决方案，并首先介绍了安全、简单、可重现且通用的制备高品质CdSe纳米晶体的替代方法。该方法可以实现范围为1. 5 nm至25 nm可调控的直径尺寸，荧光量子产率高达20% ~30% ，如图2. 2 所示[12] 。由于相对简单的晶体成核和生长方法，这种替代合成方法可以合成直径尺寸分布几乎单分散的量子点，荧光量子产率更是可以接近100% [13] ，于是这种合成方法成为后来合成胶体量子点的主流选择[14—20] 。同时，使用单分子前驱体合成胶体量子点的方法也得到了相应的发展[21—24] 。然而，由于单分子前驱体的制备过程比较复杂和耗时，后面很少广泛地采用并继续研究这种合成量子点的方法。

随着对胶体量子点合成化学的广泛研究，精确控制量子点的尺寸和形状已经成功实现，比如具有1 个(110)晶面，2个(111)晶面和3个(100)晶面的六面体CdSe量子点[25] ，如图2. 3所示;具有6个(100)晶面纳米方块形状的CdSe量子点[26] ，如图2. 4 所示。目前具有高荧光量子产率、窄荧光发射峰的高品质CdSe量子点已经应用于各种商业化案例中，例如量子点发光二极管电视机(量子点电视机)、生物成像剂、发光温室薄膜、太阳能窗户和安全油墨。三星和TCL等国际显示巨头已经投入了大量的研究人员和资金来完善量子点电视机的制造工艺，并将其商业化且全方位地改善性能。自量子点电视机首次发布以来，具有宽色域和高色纯度的超高清量子点电视机已在每年的国际消费电子展上引起广泛关注，并且在消费者中越来越受欢迎[27—29] 。我们相信量子点电视机将在未来十年内逐渐成为主流的电视机产品。另外，Nanoco、UbiQD和IQDEMY等扩展了胶体量子点在生物学、农业、太阳能收集和安全印刷中的商业应用版图。

本章将概述和讨论量子点的胶体合成方法及相关材料的表征方法。我们旨在带给读者关于胶体量子点的全面理解和基础知识，从而为进一步的研究打下坚实的基础。此外，还将提出胶体量子点未来发展的挑战和瓶颈，以激发和拓宽读者的研究思路和方法。