・104・ 材料导报B:研究篇 2013年3月(下)第27卷第3期 水热法合成ZnSe纳米晶及其发光性质的研究 彭玲玲 ,王育华 (1重庆文理学院材料交叉学科研究中心,重庆市高校微纳米材料工程与技术重点实验室,重庆402160; 2兰州大学物理科学与技术学院,兰州730000) 摘要 采用水热法在低温下合成了球形的立方相ZnSe纳米晶,研究了水热过程中ZnSe纳米晶的结晶动力学 过程。通过在水热反应过程中添加不同量的C H CO0H,得到了形貌规则、不同粒径的ZnSe纳米晶。水热条件下 C H。。COOH能控制纳米晶形貌和分散性的机理为:C H。。a H分子内部的羧基提升了ZnSe纳米晶的表面完整 性,并保护了ZnSe结构内部的非极性烷基,使得ZnSe纳米晶很容易分散在非极性溶剂中,提高了溶液中ZnSe纳米 晶的分散性。光谱测试结果表明ZnSe纳米晶的发射光谱随着粒径减小发生蓝移,归因于量子限域效应的增强。 关键词 纳米晶稳定剂分散性 中图分类号:0614.24+1;O613.51;0474 文献标识码:A The Preparation of ZnSe Nanocrystals via Hydrothermal Process and Their Photoluminescent Characteristics PENG Lingling 。WANG Yuhua。 (1 Chongqing Key Laboratory of Micro/Nano Materials Engineering and Technology,Research Center for Material Interdiscip1inary Science,Chongqing University of Arts and Science,Chongqing 402160;2 School of Physical Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 7 30000) Abstract Spherical cubic ZnSe nanocrystals were prepared via hydrothermal method under low temperature. The crystallization kinetics of ZnSe nanocrystals was investigated.Regular-morphology nanocrystals with different grain size were obtained through different concentration of Cl7 H33 CO()H during the hydrothermal reaction process. The carboxyl group of Cl7 H33 COOH improved the surface integrity and protected nonpolar alkyl of ZnSe nanocrystals structure,improving the dispersibility of ZnSe nanocrystals in non-polar solvent.The emission spectra showed that the emission position of ZnSe are blueshifted with the size decreased,which attributed to the quantum confinement effects. Key words nanocrystal,stabilizing agent,dispersity ZnSe是一种重要的性能优良的Ⅱ一Ⅵ族直接带隙半导 体发光材料,它有闪锌矿和纤锌矿两种不同的结构_1],其在 室温下的带隙为2.7 eV,是直接跃迁发光的宽禁带半导体, 发光效率较高,吸收比低。ZnSe体材料的激子波尔半径为 4。5 nlTl,激子束缚能为18 meV_2],其在物理学、光化学、生物 VS(气一固)机理l1 、氧化物协助生长机理 以及单分子前 驱体分解机理1.】明等。这些不同的机理对于合成纳米材料及 其不同结构和形貌具有很重要的指导意义。在过去几十年 里,纳米晶作为荧光标记在生物领域有所应用,如CdE(E— S,Se,Te),尤其是CdSe纳米晶,是生物标记中最活跃的发 标记、光催化、传感器、光子学、光电子学、材料学等领域都已 经显示出广阔的应用前景,尤其在蓝色激光二极管、蓝绿激 光器、薄膜太阳能电池和其他光电子器件方面有很大的应用 光材料,但是含Cd重金属离子的纳米晶所具有的毒性使其 在未来的生物、医学、药学等应用中存在隐患。因此,开发新 的无Cd纳米晶作为基质材料用于生物荧光标记是解决以上 问题的关键,ZnSe纳米晶在基质选择上迎合了绿色环保的要 潜力[3 ]。纳米结构的ZnSe材料尺寸小,表现出比其相应块 体材料更优越的性能,但其具体应用又受到形貌、尺寸及物 相等因素的限制,因此长期以来对ZnSe纳米材料的形貌、 尺寸及物相的控制一直是研究的重点_6 ]。为了理解纳米材 料在不同制备方法中的微观过程以便更好地控制纳米材料 的形貌,人们提出了许多机理,如溶剂配位分子模板(SCMT) 机理l9]、 LS(溶液一液一固)机理_】 、VSL(气一液一固)机理 “]、 求,对其进行表面包覆可以提高发光稳定性和量子产率,形 成很强的荧光发射。相信ZnSe纳米晶将会在未来的生物医 学等领域具有广泛的应用。对于ZnSe纳米晶,其合成方法 有很多,如水热法l 、自组装法¨】】 、微乳液合成法l1 、溶胶一 凝胶法_1妇等。由于水热法容易控制晶粒的生长过程,有利于 形成颗较小的纳米晶和形成较好的形貌,且反应过程绿色环 *重庆市教委科学技术研究项目(KJ121205);重庆文理学院校内项目(R2012CJ17) 彭玲玲:女,1982年生,博士,主要从事纳米发光材料和新型功能材料的研究E-mail:pengl108@126.corn 水热法合成ZnSe纳米晶及其发光性质的研究/彭玲玲等 ・ 1O5 ・ 保。因此本研究的主要工作是采用水热法制备ZnSe纳米 晶,通过对其颗粒尺寸和形貌的控制,合成了形貌规则、颗粒 较小、分散性好的液相样品,并研究在紫外激发下ZnSe纳米 晶的发光性质与其颗粒尺寸和形貌的关系。 1 实验 采用水热法制备液相ZnSe纳米晶系列样品。反应容器 采用内加压式高压釜,釜体内加有聚四氟乙烯内衬。初始原 料为Na2SeO3、ZnC12、N2H4・H2O、C17H33COOH。将一定 量的N H ・H。O倒人H O中,使其充分溶解,然后加人一 定量的C H OH,搅拌均匀,得到透明溶液。再称取ZnC1。、 NaSeO。滴入上述溶液,搅拌0.5 h让原料充分融入溶液中, 得到乳白色溶液。然后用滴管移取C H。。CO0H,边搅拌上 述溶液边逐滴滴入C H。。COOH,直到溶液由乳白色变为橙 色,最后将溶液移人反应釜中,150 oC反应8 h得到反应前驱 物。反应釜随炉自然冷却到室温后,将上层的透明液体倒 掉,取透明液体下层的白色油状物沉淀,然后在油状物中加 入C。H。OH,萃取,得到浅绿色的液体,该液体就是溶在酒精 中的ZnSe纳米晶。 2结果与讨论 制备ZnSe液相纳米晶的反应进程是:碱性条件下, SeO。 在N。H ・H O和C H CO0H的作用下与溶液中 的ZnO抖或ZnO 卜结合形成ZnSe纳米晶,C H。。CO0H的 用量越大,Se 越难与Zn2 结合,因此晶粒就不容易长大,而 且容易分散,但是需要足够的时间来使反应进行完全,因此, 在制备液相ZnSe纳米晶的反应中,保温时间至少要10 h才 能反应完全。整个反应过程可表示为: 2ZnO2 +2SeO3。一+3N2 H4-- ̄2ZnSe十3N2+ 2H2O+8OH一 (1) SeO3。一+ZnO。 +2N2H4— ZnSe+2N2+4H2O (2) 2.1 物相分析 图l为采用水热法在180℃保温10 h,加人不同用量的 形状控制剂(C H。。COOH)得到的ZnSe纳米晶液体的XRD 衍射图,其衍射数据经指标化后均为ZnSe单相,与标准ZnSe (PDF卡片8O一0021)的XRD图谱一致,表明ZnSe纳米晶为 面心立方晶系结构。 20/(。) 图1 ZnSe纳米晶的XRD图谱 Fig.1 XRD patterns of ZnSe nanocrystals 从图l中可以看到,所得产物的衍射峰值分别出现在 27.37。、46.03。和53.96。,分别对应于(111)、(220)和(311)三 个晶面。在图l中衍射峰均有不同程度的宽化现象,是由 ZnSe粒径变小所致。 从图1中还可以看出,随着C H。。C00H用量的增加, 衍射峰的强度逐渐降低,表明样品的结晶性能变差,说明 c H。。COOH的加入能够改变样品的结晶性能,侧面反映出 C H COOH控制了ZnSe纳米晶晶粒的长大,导致结晶性 能变差。由图1中衍射峰的半高宽,利用Debye-Scherrer公 式d一坝/( ̄cos0)( 是X射线的波长,为1.54056 A;志一 0.89; 是半高宽; 是Bragg角),可以计算出ZnSe纳米晶的 平均粒径,见表1。 表1不同用量的C。 H33COOH得到的ZnSe 纳米晶样品的粒径 Table 1 Diameters of ZnSe nanocrystals with different content of C17 H33COOH 2.2形貌分析 图2为不同C H。。COOH用量下系列样品的TEM照 片和SAED图,可以看出所得到的样品均为球形。图2(a)是 没有加C H3。COOH的样品,可以看出大部分样品颗粒较大 且分布不均匀;图2(b)是滴加了4 mL C H。。COOH后得到 的样品,与图2(a)相比,样品的颗粒尺寸和分散性得到了很 好的控制;当滴加C H。。CO0H的量为5 mL时,如图2(c) 所示,样品能够很均匀地分散,而且颗粒分布很均匀,颗粒较 小;滴加更多的C H。。C00H后,如图2(d)所示,ZnSe纳米 晶的分散性和颗粒尺寸不再变化,说明滴加的C H COOH 达到一定量或者在溶液中达到某种饱和后,就不再对颗粒的 尺寸控制和分散起作用。从TEM照片可以得到样品的颗粒 尺寸为5~6 nm,样品分散很均匀。图2(a)中插图为样品的 SAED照片,3个衍射环从内到外依次代表ZnSe的(III)、 (220)和(311)晶面,说明所制备的样品为立方相结构,与 XRD得到的结果基本一致。 2.3 UV光谱 图3为ZnSe纳米晶监控418 nm发射波长得到的激发 光谱图,激发光谱中共有4个高激子态跃迁l2 ,参照有效质 量近似公式,图中4个激发峰分别归属于1Se一1S 、1P 1P呈,2、 1Se一2s ,2、Se一1s /2电子跃迁_2 匏]。从图3可以看出,1P 1P 2 和1S 一2S /:是2个比较强的跃迁;而1 Se—IS 和1 se一1sah/ 属于 较弱的跃迁。图4为在波长为365 nm的紫外光激发下系列 样品的发射光谱图,可以看出样品的发射峰位于418 nm,归 属于ZnSe的激子发射,发射峰的位置与体材料相比均发生 了蓝移,这是由ZnSe纳米晶的带隙变宽引起的。当添加 C H∞COOH后,与没有添加C H COOH得到的样品相 水热法合成ZnSe纳米晶及其发光性质的研究/彭玲玲等 2.303A/d,A是样品的吸收率,d是样品的厚度。通过外推 Lett,2002,8O(21):4024 9 Deng Z,Wang C,Sun X,et a1.Structure-directing coordina— tion template effect of ethylenediamine in formations of ZnS 吸收系数到零点可以得到样品的带隙宽度为3.2 eV。一 昌。.N ∞Ro × 《 and ZnSe nanocrystallites via solvothermal route[J].Inorg Chem,2002,41(4):869 10 Wagner R,In W.Whisker technology[M].New York:Wi— ley,1970 ¨Trender T,Hickman K,Goel S,et a1.Solution-liquid-solid growth of crystallineⅢ一V semiconductors:An analogy to vapor-liquid-solid growth__J].Science,1995,270(5243): 179l 12 Wagner R,Ellis W.The vapor-liquid-solid mechanism of hvleV crystal growth and its application to silicon EJ].Trans Me- 图6 ZnSe纳米晶的外推法计算带隙宽度图 tall Soc AIME,1965,233:1053 Fig.6 The plots of(ahv) vs hv of ZnSe nanocrystals 1 3 Lee S,Wang N,Zhang Y,et a1.Oxide-assisted semiconduc— 3 结论 tor nanowire growth口].Mater Bull,1999,24(8):36 1 4 I ee S,Zhang Y,Wang N,et a1.Semiconductor nanowires 通过水热法在较低的水热温度即可合成形貌规则的球 from oxides[J].J Mater Res,1999,14(12):4503 状立方相ZnSe纳米晶。研究了水热过程中ZnSe纳米晶的 15 Monteiro O,Trindade T,Park J,et a1.The use of bismuth 结晶动力学过程,发现水热过程中添加C H。。C00H可以作 (1/I)dithiocarbamato complexes as precursors for the low 为稳定剂和形状控制剂,控制纳米晶的颗粒尺寸,提高了纳 pressure MOCVD of Bi2 I-J].Chem Vapor Deposit,2000,6 米晶的均匀性和分散性,ZnSe纳米晶的颗粒尺寸随着 (5):230 16 Chen M,Gao I .Synthesis and characterizatiOn of wurtzite C H。。COOH用量的增加而减小。同时,C H。。CO0H分子 ZnSe onerdimensional nanocrystals through molecular pre— 中的羧基提高了ZnSe纳米晶的表面完整性,保护其结构内 cursor decomposition by solvothermal method[J].Mater 的非极性烷基,提高非极性溶剂中ZnSe纳米晶的分散性。 Chem Phys,2005,9l(2-3):437 发射光谱表明随着纳米晶的粒径减小光谱发生了蓝移,归因 1 7 Peng L I ,Wang Y H.Effects of the template composition 于量子限域效应的增强。 and coating on the photoluminescence properties of ZnS: 参考文献 Mn nanoparticles rJ].Nanoscale Res I ett,2010,5(5):839 18 Lei Z,Wei X,Bi S,et a1.Reverse micelle synthesis and eha- l Yeh C,I u Z,Froyen S,et a1.Zine-blende-wurtzite polytyp— racterization of ZnSe nanoparticles[J3.Mater Lett,2008,62 ism in semiconductors EJ].Phys Rev B,1992,46(16):10086 (21—22):3694 2 Nurmikko A,Gunshor R.Optical properties and device pros— 19 Lokhande C,Patil P,Ennaoui A,et a1.Chemical bath ZnSe pects of ZnSe-based quantum structures EJ].J Lumin,1992, thin films:Deposition and charaeterisation EJ].Appl Surf 52(1—4):89 Sci,1998,123(1):294 3 Hines M,Guyot-Sionnest P.Bright UV lue luminescent co- 2O Nikesh V,Lad A,Kimura S,et a1.Electron energy 1evels in lloidal ZnSe nanocrystals[J].J Phys Chem B,1998,102 ZnSe quantum dots IJ].J Appl Phys,2006,100(11):113520 (19):3655 21 Norris D,Bawendi M.Measurement and assignment of the 4 Morkoc H,Strite S,Gao G,et a1.Large-band-gap SiC。 size-dependent optical spectrum in CdSe quantum dots l-J]. 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