铜基金属硫化物量子点的可控制备及形成机理研究

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太阳能电池的快速发展为解决能源危机和环境污染问题提供了可行方案。选择合适的太阳能电池材料有利于得到高性能太阳能电池器件。铜基金属硫化物量子点材料具有合适的禁带宽度和较高的光吸收系数,是一类极具应用潜力的太阳能电池材料。目前,铜基金属硫化物量子点的高效可控合成仍然是研究难点之一,其形成机理还有待进一步深入研究。本论文采用热分解法制备多种铜基金属硫化物量子点材料,通过控制制备工艺实现量子点高质量、高产率、多尺寸等方面的可控合成,深入分析研究铜基金属硫化物量子点材料的形成机理,为该类量子点材料的广泛应用和进一步研究提供可能。  采用十二硫醇作为有机耦合剂制备CuInS2量子点,深入研究反应温度、反应时间、十二硫醇含量对于量子点成核生长动力学的影响。采用油胺作为有机耦合剂研究不同有机耦合剂对CuInS2量子点可控制备的影响。对目前常用的单质硫硫源前驱体的优点与不足进行分析,并选取N,N’-二苯基硫脲作为硫源前驱体制备CuInS2量子点,实现量子点的高质量、高产率可控制备。选择不同种类铜盐前驱体,实现CuInS2量子点的物相可控制备。  采用多步热分解法,以油胺和N,N’-二苯基硫脲分别作为有机耦合剂和硫源前驱体,对Cu2ZnSnS4量子点的低温、高产率可控制备方法进行探索研究。选择CuI或Cu(ac)2作为铜盐前驱体,实现四方或六方结构Cu2ZnSnS4量子点的物相可控制备。  对Cu-Sb-S量子点的制备方法进行探索,并最终选定多步热分解法进行可控制备。选择十二硫醇作为有机耦合剂,控制反应动力学过程,可实现Cu12Sb4S13量子点的多尺寸、高质量可控制备,并观测该量子点的量子尺寸效应。采用油胺作为有机耦合剂、N,N’-二苯基硫脲作为硫源前驱体,成功制备了多物相、多尺寸的Cu-Sb-S量子点,并对所得到的CuSbS2、Cu12Sb4S13和Cu3SbS4量子点的量子尺寸效应进行研究。  在可控制备多元铜基金属硫化物量子点基础上,对该类量子点的形成机理以及物相调控机理进行深入分析。探讨La Mer经典成核生长理论以及量子点成核生长热力学、动力学过程,提出量子点成核生长过程的主要影响因素;分析目前常见的铜基金属硫化物量子点形成机理,发现其存在的主要问题,在此基础上对这一形成机理进行补充完善。研究发现,不同种类多元铜基金属硫化物量子点均可以通过相应二元金属硫化物之间的反应而得到,而阳离子交换反应仅在特定情况下才能得到预期产物;对该类量子点的物相调控机理进行研究,在多元铜基金属硫化物量子点制备过程中,不同金属盐前驱体相对反应活性差异的大小,对相应二元金属硫化物晶核的尺寸差异产生明显影响,最终导致相应量子点以各向同性或各向异性方式进行生长,从而得到四方结构或六方结构量子点产物。
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