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量子点合成方法总结(2018)
Mer, V. K.; Dinegar, R. H., Theory, Production and Mechanism of Formation of Monodispersed Hydrosols. Journal of the American Chemical Society 1950, 72 (11), 48474854. (LaMer成核-生长模型)
(LaMer机理)
Murray, C. B., et al. J. Am. Chem. Soc., 1993, 115 (19): 8706-8715.
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2.2.非注射法
热注射法是合成高质量单分散量子点 的有效方法,然而可用的前驱体有限、剧 毒,暴露了热注射法的缺点。后来研究人 员不断努力,发展出不需要剧毒前驱体的 非热注射法。以李亚栋老师课题组2009 的JACS为例,简单介绍一下该方法。
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LSS法机理:
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参考文献(1/2):
1.Kwon, S. G.; Hyeon, T., Formation Mechanisms of Uniform Nanocrystals via Hot-Injection and Heat-Up Methods. Small 2011, 7 (19), 2685-2702.
6.Murray, C. B.; Norris, D. J.; Bawendi, M. G., Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. Journal of the American Chemical Society 1993, 115 (19), 8706-8715. (热注射法合成CdSe量子点)
3.Colvin, V. L.; Goldstein, A. N.; Alivisatos, A. P., Semiconductor nanocrystals covalently bound to metal surfaces with self-assembled monolayers. Journal of the American Chemical Society 1992, 114 (13), 5221-5230. (反相微乳法合成CdS量子点)
10.Wang, X.; Zhuang, J.; Peng, Q.; Li, Y., A general strategy for nanocrystal synthesis. Nature 2005, 437 (7055), 121-124. (LSS法合成量子点机理)
11.(a) Zhuang, Z.; Peng, Q.; Li, Y., Controlled synthesis of semiconductor nanostructures in the liquid phase. Chemical Society reviews 2011, 40 (11), 5492-5513; (b) Xia, Y.; Xiong, Y.; Lim, B.; Skrabalak, S. E., Shape-controlled synthesis of metal nanocrystals: simple chemistry meets complex physics? Angewandte Chemie 2009, 48 (1), 60-103; (c) Yin, Y.; Alivisatos, A. P., Colloidal nanocrystal synthesis and the organic-inorganic interface. Nature 2005, 437 (7059), 664-70; (d) Peng, X., An essay on synthetic chemistry of colloidal nanocrystals. Nano Research 2009, 2(6), 425-447; (e) Park, J.; Joo, J.; Kwon, S. G.; Jang, Y.; Hyeon, T., Synthesis of Monodisperse Spherical Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition 2007, 46 (25), 4630-4660.
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1.微乳法 1.1.反相微乳法
反相微乳法是利用反向微乳液作为“微反应器”合成纳米的方法。所谓的反 向微乳液是由大量的油相(如己烷)、少量的水相、适量的表面活性剂(如AOT) 和助表面活性剂(通常是中等碳链的醇,主要起改善界面柔性的作用,反向微乳 液体系中可以有也可以没有助表面活性剂)组成的热力学稳定的多相体系。
合成球形CdSe量子点的基本操作: 先将Se粉与ODE在280ºC(注意该温度需大于Se熔点以获得
反应活性的 Se 源)下加热 30 min,得到澄清黄色液体;再将 Cd(Ac)2与OA混合加热得到澄清液,快速加入Se/ODE中,调整加 热套温度,在260ºC下最终得到球形闪锌矿CdSe量子点。改变合 成温度,最终产物的形貌将得到调控,如上图所示。
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2.3.溶剂热/水热法
简单说,溶剂热/水热法是以溶剂/水为介质的 在较低温度和较高压力下合成材料的方法。
2005年,李亚栋课题组在Nature上报道了一 种合成纳米晶的通用方法——LSS法。
LSS的合成操作很简单,就是依次将一定量水 相(溶解有水溶性的反应物,如Cd2+、S2-等)和 乙醇的混合液(两者为solution,S相)、亚油酸钠 ( solid , S 相 ) 以 及 乙 醇 和 亚 油 酸 的 混 合 液 (liquid,L相)加入水热釜,搅拌后在一定温度下 水热反应一定时间,就可以得到产物。
在表面活性剂的作用下,体系中形成油包水(W/O)的“微反应器”,水相 中是前驱体,“微反应器”的尺寸就是最终获得材料的尺寸,这样就可以通过调 控各相的比例等参数调节“微反应器”的大小,从而对材料的尺寸进行控制。
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反相微乳法实例:Colvin, V. L., et al. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114 (13): 5221-5230.
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量子点的合成(Synthesis of QDs) 由于文献报道的量子点种类众多,合成方法也很多,无法一一介绍。
因此,以量子点中“资历最老”的Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族和另外一些硫属化 合物半导体作为对象,粗略可分为三类:
微乳法(反相微乳法、正相微乳法) 热分解法(热注射法、非注射方法) 水热法、溶剂热法
9.Xie, Y.; Qian, Y.; Wang, W.; Zhang, S.; Zhang, Y., A Benzene-Thermal Synthetic Route to Nanocrystalline GaN. Science 1996, 272 (5270), 1926-1927. (溶剂热法合成约30nmGaN纳 米晶,非量子点)
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2.1.热注射法 1993年,Bawendi课题组首次报道
了热注射合成单分散 CdSe量子点的方法。
以二甲基镉(Me2Cd,剧毒)为Cd 源,ห้องสมุดไป่ตู้辛基膦硒(TOPSe)为Se源,三辛 基氧膦(TOPO)为溶剂和表面活性,在 一定温度下,将Me2Cd 和TOPSe混合液 快速注射到TOPO中,得到了尺寸为 1.5~11.5 nm的单分散纤锌矿相CdSe球 形量子点,其电镜图像如右:
2.Akhavan, V. A.; Goodfellow, B. W.; Panthani, M. G.; Reid, D. K.; Hellebusch, D. J.; Adachi, T.; Korgel, B. A., Spray-deposited CuInSe2 nanocrystal photovoltaics. Energy & Environmental Science 2010, 3 (10), 1600-1606. (CIS太阳能电池照片和结构示意图)
4.Ge, J.-P.; Chen, W.; Liu, L.-P.; Li, Y.-D., Formation of Disperse Nanoparticles at the Oil/Water Interface in Normal Microemulsions. Chemistry – A European Journal 2006, 12 (25), 6552-6558. (正相微乳法合成一系列量子点)
具体操作 在烧杯A、B中分别加入500 mL己烷(油相)和
44.4 g琥珀辛酯磺酸钠(AOT,表面活性剂),搅拌 混合均匀。
在A中加入12 mL含有2.34 g Cd(ClO4)2· 6H2O 的水溶液(Cd源,水相)形成透明澄清液。
在B中加入12 mL含有0.36 g Na2S· 9H2O的水 溶液(S源,水相) 形成透明澄清液。
7.Xie, Y.; Qian, Y.; Wang, W.; Zhang, S.; Zhang, Y., A Benzene-Thermal Synthetic Route to Nanocrystalline GaN. Science 1996, 272 (5270), 1926-1927.
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参考文献(2/2):
清华大学李亚栋课题组(a)正相微乳法合成量子点的机理示意图;(b-g)正相微乳法合成 量子点的TEM图像:(b) Ag2S;(c) PbS;(d) CdS;(e)ZnS;(f) Ag2Se; (g) PbSe。
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反相微乳法的缺点
由于前驱体在水相中的直接反应相对较快,很难对尺寸均一性进行控制, 且产物的晶化程度往往不高。另外,由于反应体系中水相是少量的,因此得到 的产物量相对较少。