Влияние условий синтеза квантовых точек сульфида кадмия на их свойства

Одним из наиболее эффективных методов получения квантовых точек является метод коллоидного синтеза [1]. Он обладает рядом преимуществ. Например, доступность контроля процесса роста квантовых точек с помощью изменения условий в реакторе. Этим методом получаются квантовые точки с высоким квантовым выходом флуоресценции. Основой этого метода является нуклеация, которая происходит спонтанно за счёт флуктационно образующихся зародышей. Скорость образования зародышей зависит от пересыщения раствора по отношению к конденсирующимся компонентам. Однако, если подобные зародыши вводятся в раствор заранее, то скорость  их образования  может измениться. Это изменение определяется соотношением свободной энергии системы в присутствии и отсутствии инородных зародышей.

Для решения проблем оптоэлектроники, солнечных элементов, преобразующих световую энергию в электрическую, а также химического катализа используются гибридные агрегаты. В частности, такие агрегаты создаются на основе   наночастиц и микрокристаллов диоксида титана и сульфида кадмия [2-5]. В данной работе проведено сравнительное  исследование свойств одиночных квантовых точек сульфида кадмия и  в составе агрегатов с наночастицами диоксида титана, формирующихся при одинаковом пересыщении реагирующих компонентов растворов.

Синтез проводился следующим способом.

• Для получения нанокристаллов CdS в реакторе производили сливание водных растворов солей металла кадмия и серы с водным раствором щелочной желатины, при постоянной температуре 40°и перемешивании реакционной смеси со скоростью мешалки 200 оборотов в минуту. Использовали растворы CdBr₂ и Na₂S, CdBr₂*4H₂O, Na₂ Кристаллизацию проводили в соответствии со следующей реакцией: СdBr₂+Na₂S → 2NaBr + CdS↓.
• TiO₂ получали путем отстаивания смеси тонкого порошка TiO₂ в воде в течение 7 суток, по истечению которых раствор разделялся на несколько фракций. Далее, отбирали верхнюю фракцию, содержащую наиболее мелкие частицы и  добавляли их  в раствор желатины, который впоследствии использовали для синтеза агрегатов. Размер полученных таким способом частиц диоксида титана оцененный по формуле Стокса [6] составлял около 145,6 нм.

Полученные таким образом желатиновые эмульсии (поливали на стекло и сушили. Далее измеряли спектры поглощения  с помощью прибора Ocean Optics 2000XR+. Измерения проводились для спектральной области 200–1030 нм. Спектры  люминесценции измеряли с помощью автоматического спектрально — люминесцентного комплекса, описание которого представлено в работе [7]. Образцы возбуждались светодиодом с длиной волны 380 нм. На рис. 1 представлены спектры поглощения образцов с одиночными квантовыми точками CdS (кривая 1) и их агрегатов с диоксидом титана (кривая 2). Вертикальной чертой показана красная граница массивного сульфида кадмия. Видно, что в спектрах образцов имеются особенности, лежащие в коротковолновой области по сравнению с этой красной границей. Это типичное проявление размерного эффекта для квантовых точек сульфида кадмия [8]. Важно отметить, что положения особенностей кривых 1 и 2 значительно отличаются.  Расстояние между ними порядка 0.5 эВ. Причём для агрегатов особенность расположена ближе к красной границе массивного сульфида кадмия, что указывает на больший размер квантовых точек  CdS, сформированных на наночастицах диоксида титана по сравнению с одиночными квантовыми точками. Этот вывод подтверждается  тем, что одиночные квантовые точки сульфида кадмия люминесцируют в более коротковолновой области по сравнению с агрегатами.

Рисунок 2. Спектры люминесценции: кривая 1- одиночные квантовые точки CdS, кривая 2 —  агрегаты CdS+TiO₂. Вертикальными линиями отмечены положения максимумов полос люминесценции массивных образцов диоксида титана и сульфида кадмия.

Заметная полуширина спектров люминесценции определяется несколькими обстоятельствами: различным расстоянием между  донорно-акцепторных пар, а также дисперсией квантовых точек по размеру.

Список литература:

1. Фенелонов В.Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002, С. 236 – 239.
2. Yu, P., K. Zhu, A.G. Norman, S. Ferrere, A.J. Frank, A.J. Nozik // Nanocrystalline TiO2 SolarCells Sensitized withInAs Quantum Dots. J. Phys. Chem. B , 2006, 110,  pp. 25451–25454.
3. K. R. Gopidas , Maria. Bohorquez, Prashant V. Kamat // Photophysical and photochemical aspects of coupled semiconductors: charge-transfer processes in colloidal cadmium sulfide-titania and cadmium sulfide-silver(I) iodide systems. J. Phys. Chem., 1990, V. 94 (16), pp. 6435–6440.
4. S. Hotchandani, Prashant V. Kamat // Charge-transfer processesin coupled semiconductor systems. Photochemistry and photoelectrochemistry of the colloidal cadmium sulfide-zinc oxide system. J. Phys. Chem., 1992, V.96 (16), pp. 6834–6839.
5. Spanhel, L., Weller, H., Henglein // Photochemistry of Semiconductor Colloids. 22. Electron Injection from Illuminated CdS into Attached Ti02 and ZnO Particles. A. J. Am. Chem. Soc., 1987, V.109, p.6632.
6. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Милковская Л.Б., Сергеев Г.П. // Курс физики. М.: Высшая школа. 1965. Т.1. 376 с.
7. M.S. Smirnov, O.V. Ovchinnikov, E.A. Kosyakova [etc.]// Low-threshold up-conversion luminescence in ZnxCd1-xS with oxidate surface. Physica B., 2009, V. 404, pp. 5013-5015.
8. O.E. Rayevska, [etc.] Synthesis and Characterization of White-Emitting CdS Quantum Dots Stabilized with Polyethylenimine. J. Phys. Chem. C., 2010, V.114(51), p. 22478.[schema type=»book» name=»Влияние условий синтеза квантовых точек сульфида кадмия на их свойства» author=»Попова Елена Вячеславовна, Латышев Анатолий Николаевич, Бутков Андрей Петрович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-24″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)» ebook=»yes» ]