合成半导体胶体纳米晶的新方法

半导体纳米晶由于其独特的光学和电学性质在光学器件、医疗诊断、激光等方面有了越来越重要的应用.本文介绍了胶体半导体纳米晶合成技术的一些最新进展。     

无机半导体纳米晶光学性质的设计、调控及其生物医学应用

半导体纳米晶由于其丰富的能带结构和光学性质,在光电器件和生物医学应用等领域展现出了广阔的应用前景,且在过去的几十年中得到了广泛关注.因此,对其光学性质进行理性设计和精确调控具有重要的研究意义.本文简要综述了本研究组近年来在不同能带隙的无机半导体纳米晶的可控制备技术以及利用DNA纳米技术和蛋白质自组装手段构建具有特异光学性质的纳米结构等方面的相关研究工作,最后对这些纳米晶和纳米结构的独特光学性质及其在生物医学领域的应用研究进行了总结.     

利用离子型Cd源制备ZnSe/CdSe核-壳结构纳米晶

在有机相体系中利用ZnSe前驱体纳米晶制备过程中的富Se环境,以引入Cd2+的方式在相对温和的环境下通过控制Cd2+离子的加入量及调节反应时间,成功制备了ZnSe/CdSe核-壳复合结构纳米晶.利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和荧光光谱(FL)对其结构形貌以及光学性质进行表征和分析的结果表明,CdSe以外延生长的方式包覆在ZnSe纳米晶表面从而形成具有良好结晶性的核-壳复合结构,其荧光发射始终保持良好单色性,同时实现了在500～620nm可见光范围内的连续可调.     

半导体CdTe纳米晶的合成及其光学性能

半导体CdTe纳米晶的合成及其光学性能;CdTe;纳米晶;光学性能     

晶相调控对金属纳米粒子催化性能的影响

尺寸在1–10 nm的金属纳米催化剂广泛地应用于石油化工,精细化学品合成,能源与环境保护等领域。大量研究表明,金属纳米粒子的催化性能与其微观结构,即尺寸、形貌和晶相等密切相关。近年来,对金属纳米粒子的尺寸和形貌效应已经有了较为系统深入的研究,但对晶相效应的研究则较少涉及。这主要是由于介稳晶相的金属纳米粒子在合成过程中或反应条件下极易转化为热力学稳定的晶相结构。根据金属原子密堆积形式,金属纳米粒子的晶相结构主要有立方面心(fcc)、立方体心(bcc)和六方密堆积(hcp)三种晶相;而金属合金由于d带电子存在着多种杂化方式,因而其晶相结构呈现出多样性且与单一金属有很大的不同。金属和合金纳米粒子晶相结构的调控,不仅会改变金属原子的配位环境,调控了其电子分布状态,还可影响反应物和产物的吸附、活化和脱附,进而调变催化性能。首先,我们简要总结了液相合成和固相转变调控金属纳米粒子晶相的原理和方法。纳米粒子的液相合成一般包括前驱体还原成核和晶核生长两个阶段,通过对液相合成条件的优化,尤其是表面活性剂的选择,可有效调控合成过程中的热力学和动力学因素,从而实现金属晶相的可控合成。固相转变则主要是对具有一定晶相结构的纳米粒子于一定气氛和温度条件下进行加热处理,利用金属粒子与活性气体之间(H2, CO等)的化学作用来实现晶相转变。利用上述方法,可以合成出fcc-Co、fcc-Ru、L10-AuCu等热力学介稳的金属或合金纳米粒子。在此基础之上,我们分别以Co纳米粒子(fcc和hcp晶相)催化FT合成, Fe模型催化剂(fcc和bcc晶相)活化N2和CO, Ru纳米粒子(fcc和hcp晶相)催化CO氧化和氨硼烷水解制氢, Pd纳米粒子(PdHx物种)催化加氢等为例分析了晶相对金属纳米粒子催化性能的影响;在合金催化剂方面,以Pt3Co(无序的fcc和有序的L12), AuPdCo(P3–m、Fm3–m和R3–m混合晶相)和FePt纳米粒子(fcc和fct相)催化O2电化学还原、PtRhSn (碲铂矿晶相和fcc晶相)和ZrPt3纳米粒子(hcp和fcc晶相)催化乙醇电氧化、Ag3In合金(无序的Fm3–m相和有序的Pm3–m晶相)催化对硝基苯酚加氢、PdRu纳米粒子(fcc和hcp混合晶相)催化CO氧化等为例分析了合金催化剂的晶相对催化性能的影响。上述研究进展表明,金属纳米粒子的晶相也是影响制备剂高效金属催化剂的主要因素。最后,我们结合纳米催化的发展现状,提出了金属纳米粒子的晶相调控在纳米催化和纳米材料领域可能的发展态势。第一,通过对金属纳米粒子溶液相合成机理的深入研究,有助于发展出尺寸、形貌和晶相同时可控的新合成方法。第二,金属纳米粒子在晶相转化过程中往往伴随着烧结及组分的偏析等难题。利用氧化物包覆的核壳型或蛋壳型纳米结构以及碳纳米管的空间限域效应,或许有助于解决上述难题。第三,具有亚稳晶相结构的金属纳米粒子在反应条件下极易转变为热力学稳定的结构,因此,利用原位、动态、实时的表征技术对催化剂在真实工作状态下的微观结构进行细致的分析是阐明晶相效应的前提。     

电沉积Ni81.32Mo18.68非晶/纳米晶镀层的晶化动力学

在碱式碳酸镍为主的盐溶液中用电沉积法制备出含Mo原子分数为18.68%的Ni-Mo合金镀层.X射线衍射(XRD)表明该镀层为非晶/纳米晶混合结构;用差示扫描量热法(DSC)对这种非晶/纳米晶混合结构的合金进行了晶化动力学研究,测得其晶化激活能(E)为3.84x105 kJ·mol-1;晶化开始温度约为440℃,与非晶态结构Ni-Mo合金镀层相比,晶化温度提高了约13℃.热处理过程发现,非晶/纳米晶混合结构镀层中少量纳米晶的存在阻止了非晶态相转变的可能性,提高了混合结构镀层的热稳定性和晶化温度;镀层在450℃热处理过程中有新相产生,其不仅提高了镀层的密实度,同时也阻止了非晶态相的转变,提高了镀层的热稳定性.     

淀粉的胶体特性与调控

淀粉是由葡萄糖缩聚而成的一种天然高分子化合物,作为自然界来源非常丰富的一种多糖,是人体的主要能量来源与工业加工的重要原辅料.淀粉分子中含有的丰富羟基使其具有较强的亲水性,成糊后具有增稠稳定、黏接等作用,胶体特性显著.但是,天然淀粉因自身结构的局限性、分子链易重排,其应用范围和效果受到一定限制.因此,本文综述了淀粉颗粒结构和分子结构对其胶体特性的影响,阐述了通过物理、化学、生物改性及植物遗传育种等方式精准设计淀粉结构的原理和方法,实现淀粉胶体性能的调控,以期为淀粉胶体的科学应用提供参考.     

Fe3O4纳米晶的简单调控合成、表征及磁性能

采用醋酸铵作保护剂在200℃下制备了单分散的400 nm粒径的Fe3O4空心纳米球.通过改变实验条件,对产品的形貌、内部结构和粒径进行了调控合成,得到了粒径范围在100～200 nm的实心纳米球和片形结构的Fe3O4纳米材料.采用SEM、TEM和XRD等对样品进行了表征.结果表明,所得尖晶石型Fe3O4纳米晶粒径均匀,分散度好.利用振动样品磁场计检测了不同形貌样品的磁性能.结果显示,Fe3O4纳米空心球的饱和磁化强度和矫顽力均大于Fe3O4纳米片的对应值.     

纤维素纳米晶的空间受限自组装: 从胶体液晶到功能材料

作为最有前途的生物衍生材料之一, 纤维素纳米晶体(CNCs)具有来源广泛、 生物相容性好和可形成光子结构等优点, 在能源、 生物医学和光子材料领域具有重要的应用价值. 本文总结了CNCs的制备、 CNCs形成的胆甾型胶体液晶及CNCs衍生的光子材料的研究进展, 重点评述了CNCs在液滴和毛细管中的自组装和基于CNCs空间受限组装的功能材料研究进展, 并讨论了空间受限CNCs自组装研究面临的挑战和未来的发展方向.     

Zn_xCd_(1-x)S∶Ag纳米晶的合成及其光学性质研究

以巯基丙酸(MPA)为稳定剂,利用共沉淀法制备了水溶性的Ag掺杂的ZnxCd1-xS合金型纳米晶.Ag掺杂后ZnxCd1-xS纳米晶产生新的发射峰,并且发光效率得到了有效提高.通过改变纳米粒子中Zn/Cd比例可有效地调控ZnxCd1-xS∶Ag纳米晶的吸收带隙宽度,同时可以在425~603 nm之间实现对ZnxCd1-xS∶Ag纳米晶发射峰位的连续调控.     

半导体纳晶能级结构与电子性质的电化学研究

了解半导体纳晶能级结构特征和电子特性是其在光电子器件中应用的基础,电化学循环伏安技术提供了一种获取上述关键信息的有效途径。本文系统介绍了利用循环伏安技术探测纳晶能级结构与电子性质的原理、方法以及局限;在此基础上,着重从纳晶能级结构与电子性质的影响因素及规律、纳晶电荷输运性质、纳晶电化学反应机理等方面,综述了该方向近年来取得的研究进展;最后指出了目前研究中存在的问题,并预测了今后的发展方向。     

Shape Control of Colloidal Semiconductor Nanocrystals

Shape control of inorganic nanocrystals is important for understanding basic size- and shape-dependent scaling laws, and may be useful in a wide range of applications. Methods for controlling the shapes of inorganic nanocrystals are evolving rapidly. This paper will focus on how we currently control the shape of semiconductor nanocrystals using CdSe as example.     

多级复合半导体纳米材料的制备

金属氧化物、Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等半导体纳米材料由于其独特的功能性质已广泛应用于光学、电子、太阳能转化、催化等领域,是当今先进材料领域的研究前沿与热点。随着科技的发展,人们对材料的高效、多功能要求已成为必然,对半导体材料发展要求亦如此。多组分复合、多层次结构协同是实现半导体纳米材料多功能化与高效化的有效途径。构筑多级结构组合纳米半导体,不但可以调控其能带结构而提高半导体材料的光电与催化性能,而且由于多级低维纳米结构聚集时形成的空间位阻效应可以有效克服纳米晶“易团聚”难题。本文提出多级结构组合纳米晶的概念、分类,结合近年来该领域的研究实践,较系统地综述了多级复合半导体纳米结构制备的最新研究进展。首先简要介绍了多级复合半导体纳米材料的概念与典型结构; 其次对典型多级复合半导体纳米材料的制备方法进行了重点评述,分别综述了液相法、气相法以及最新发展起来的静电纺丝等方法在多级结构半导体复合纳米材料制备中的应用实践。再其次,对以具有半导体特性的石墨烯及其功能化衍生物为基体的新型多级复合半导体纳米材料的制备做了综述。最后对半导体/半导体多级结构复合纳米材料的发展方向做了展望。     

胶体自组装法形成光子带隙材料

光子带隙晶体使人们可以有效地控制和操纵光子,但是构建光子晶体,尤其是近红外及可见光区域的光子晶体是一个困难的工作,它对材料提出了很高的要求.本文从化学的角度,利用自组装方法,对胶体晶体和反蛋白石等类光子带隙材料包括半导体、金属、金属氧化物、聚合物、染料等进行较全面的介绍,同时介绍了如何从这些材料获得光子带隙.     

Luminescence,Plasmonic, and Magnetic Properties of Doped Semiconductor Nanocrystals

Introducing a few atoms of impurities or dopants in semiconductor nanocrystals can drastically alter the existing properties or even introduce new properties. For example, mid-gap states created by doping tremendously affect photocatalytic activities and surface controlled redox reactions, generate new emission centers, show thermometric optical switching, make FRET donors by enhancing the excited state lifetime, and also create localized surface plasmon resonance induced low energy absorption. In addition, researchers have more recently started focusing their attention on doped nanocrystals as an important and alternative material for solar energy conversion to meet the current demand for renewable energy. Moreover, the electrical and magnetic properties of the host are also strongly altered on doping. These beneficial dopant-induced changes suggest that doped nanocrystals with proper selections of dopant–host pairs may be helpful for generating designer materials for a wide range of current technological needs. How properties relate to the doping of a variety of semiconductor nanocrystals are summarized in this Review.     

CdS:Mn/ZnS核壳结构纳米晶体的场致发光性质

锰掺杂的核壳结构CdS:Mn/ZnS纳米晶体由胶体化学方法制备,并将该纳米晶体所形成的薄膜夹在两层Ta₂O₅薄膜中间,形成交流薄膜电致发光器件。该器件的电致发光强度随着环境温度的升高呈现先增强后减小的变化规律,并且Mn杂质的位置会影响其电致发光谱。     

CdS:Mn/ZnS核壳结构纳米晶体的场致发光性质

锰掺杂的核壳结构CdS:Mn/ZnS纳米晶体由胶体化学方法制备,并将该纳米晶体所形成的薄膜夹在两层Ta₂O₅薄膜中间,形成交流薄膜电致发光器件.该器件的电致发光强度随着环境温度的升高呈现先增强后减小的变化规律,并且Mn杂质的位置会影响其电致发光谱.     

Basic Principles and Current Trends in Colloidal Synthesis of Highly Luminescent Semiconductor Nanocrystals

The principal methods for the synthesis of highly luminescent core–shell colloidal quantum dots (QDs) of the most widely used CdSe, CdS, ZnSe, and other A^IIB^VI nanocrystals are reviewed. One‐pot versus multistage core synthesis approaches are discussed. The noninjection one‐pot method ensures slow, controllable growth of core nanocrystals starting from magic‐size seed recrystallization, which yields defect‐free cores with strictly specified sizes and shapes and a high monodispersity. Subsequent injection of shell precursors allows the formation of gradient core–shell QDs with a smooth potential barrier for electrons and holes, without strains or interfacial defects, and, as a consequence, a luminescence quantum yield (QY) approaching 100 %. These general approaches can also be applied to semiconductor core–shell QDs other than A^IIB^VI ones to cover the broad spectral range from the near‐UV to IR regions of the optical spectrum, thus displacing fluorescent organic dyes from their application areas.