一種新型的多用途發(fā)光量子點(diǎn)
——InP

尉紫冰 馬皓天 李 旭 關(guān) 麗(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗室 河北 保定 071002)(收稿日期：2017-08-08)

一種新型的多用途發(fā)光量子點(diǎn)
——InP

尉紫冰 馬皓天 李 旭 關(guān) 麗
(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗室 河北 保定 071002)
(收稿日期：2017-08-08)

InP量子點(diǎn)是一種典型的Ⅲ-V族半導(dǎo)體納米材料，由于其在禁帶寬度、電子遷移率等方面的獨(dú)特性能而受到廣泛關(guān)注.研究人員通過控制反應(yīng)條件、表面修飾以及進(jìn)行摻雜等對InP材料的性能進(jìn)行調(diào)控，使之更廣泛地應(yīng)用于通信、材料、傳感、能源及照明等領(lǐng)域.

InP量子點(diǎn) 電子遷移率 照明

物理學(xué)諾貝爾獎獲得者 Richard P. Feynman于1959年12月在加州理工學(xué)院做了題名為《Plenty of Room at the Bottom》的著名演講，這次在美國物理學(xué)會年會時的演講揭開了納米材料研究的序幕.隨著研究的不斷深入，納米材料的小尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)以及量子遂穿效應(yīng)等不同于體材料的特性被發(fā)現(xiàn)，這也使得這些材料呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)體材料不同的光、電、熱和磁等物理化學(xué)性能.功能材料是納米材料學(xué)中研究最為廣泛的一類材料，涉及到信息、生物、環(huán)境、能源以及航天等領(lǐng)域.

InP是一種典型的Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體功能材料，該材料除了具有納米材料的特征外，還具有獨(dú)特的性能.

(1)其晶格結(jié)構(gòu)與金剛石結(jié)構(gòu)相仿，屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)，是一種直接禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為1.35 eV；

(2)激子玻爾半徑為αB=14 nm，較大的玻爾半徑使其顯示出更強(qiáng)的量子限域效應(yīng)；

(3)由于自由電子躍遷不需要聲子的參與，所以躍遷幾率很高，對于大于禁帶寬度的光子具有較高的吸收率；

(4)具有較高的電子遷移率(～4 000 cm/V·S)；

(5)較高的熱導(dǎo)率、高抗輻射阻抗.這使得InP廣泛應(yīng)用于光纖通信、生物傳感、太陽能電池以及量子點(diǎn)LED領(lǐng)域.

InP材料的廣泛應(yīng)用也使得研究人員更加關(guān)注其性能優(yōu)化.可以通過幾種方法實(shí)現(xiàn)該材料的發(fā)光強(qiáng)度、量子效率的提高和顏色的調(diào)控.

(1)通過改變量子點(diǎn)的粒徑調(diào)控InP材料的激發(fā)和發(fā)射光譜.A. Zunger等人研究了粒徑在2.6～6 nm范圍的InP量子點(diǎn)的發(fā)光之間的關(guān)系.隨著粒子尺寸的減小，發(fā)射光譜和激發(fā)光譜都發(fā)生藍(lán)移[1].

(2) 通過選擇合適的反應(yīng)原料及合成工藝條件控制合成樣品的發(fā)光強(qiáng)度和量子效率.Natalia Mordvinova等選用氣態(tài)的磷化氫作為磷源，豆蔻酸和TOP作為穩(wěn)定劑制備了性能優(yōu)良的InP材料，材料的量子產(chǎn)率可以達(dá)到20%[2].

(3)對InP材料表面的處理.Arnaud Cros-Gag-neux等通過紅外光譜的研究證明了InP量子點(diǎn)的外部有一層氧化殼層和一層由長鏈非配位溶劑ODE構(gòu)成的殼層[3].Shanshan Tian等利用(NH4)2S處理InP表面的氧.結(jié)果表明，當(dāng)處理時間小于10 min時，InP發(fā)光強(qiáng)度隨著S處理時間的延長而逐漸增加；而超過10 min以后發(fā)光強(qiáng)度隨著處理時間的增加而降低.這是因為開始時表面懸掛鍵隨著S-In鍵的形成逐漸減少，使發(fā)光增強(qiáng)；而超過10 min以后，InP材料的表面生成了一層較厚的S覆蓋層，從而影響了發(fā)光[4].Waleed E. Mahmoud等利用6-巰基乙酸作為InP量子點(diǎn)的表面包覆劑，降低了材料表面缺陷，提高了其發(fā)光強(qiáng)度近10倍[5].

(4)在InP量子點(diǎn)核的外邊包覆不同殼層調(diào)制發(fā)光.Jun Yin等在InP表面包覆一層poly(3-hexylthiophene-2, 5-diyl)-P3HT有機(jī)物，可以實(shí)現(xiàn)對InP發(fā)光的調(diào)制[6].Peter Reiss等利用十二硫醇為表面活性劑十八烯為溶劑，利用“一鍋法”合成了InP/ZnS量子點(diǎn).由于穩(wěn)定性高，帶隙較寬的ZnS包覆在InP外邊，使得InP/ZnS量子點(diǎn)穩(wěn)定性有了很大程度的提高.與純ZnS相比，殼層中的In使InP的電導(dǎo)降低，從而得到了InP/ZnS量子點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射的紅移和高達(dá)70%的量子效率[7].

(5) 通過對InP納米材料的摻雜實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控.通過對InP材料中摻入過渡金屬離子Mn或者對In(P)進(jìn)行同族元素取代以及非金屬元素S等的取代，實(shí)現(xiàn)對材料性能的調(diào)控.InP納米材料的性能受摻雜材料的影響，不同的摻雜材料會造成InP性能不同程度的改變.研究的最終目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)按照人類自己的意愿設(shè)計、合成InP納米材料，加速該系列材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用.

目前，關(guān)于InP納米材料的研究主要集中在對其形貌、尺寸、晶體結(jié)構(gòu)等的控制合成，合成方法的簡單化以及如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量合成等方面.這些是對其進(jìn)行組裝和構(gòu)建納米器件，并得到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的前提.同時，研究InP納米材料的可控生長還可幫助人們認(rèn)識和理解原子或分子水平上晶體的成核與生長規(guī)律，進(jìn)一步探索雜質(zhì)和缺陷對InP納米材料性能的影響.InP納米材料定將在以后的生物科學(xué)、新能源、電子器件和固態(tài)照明等領(lǐng)域大放異彩.

1 O. I. Mic′ic′, H. M. Cheong, H. Fu, et al. Size-Dep- endent Spectroscopy of InP Quantum Dots. J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 4904～4912

2 Natalia Mordvinova, Alexander Vinokurov, Sergey Dorofeev, et al. Phosphine synthetic route features and postsynthetic treatment of InP quantum dots. J. Alloy. Compd., 2014,582: 43～49

3 Arnaud Cros-Gagneux, Fabien Delpech, Ce′ line Nayral, et al. Surface Chemistry of InP Quantum Dots: A Comprehensive Study. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 18147～18157 9

4 Shanshan Tian, ZhipengWei, YongfengLi, et al. Surfa- ce state and optical property of sulfur passivated InP. Mater. Sci. Semicon. Proc., 2014, 17:33～37

5 Waleed E. Mahmoud, Y.C. Chang, A.A. Al-Ghamdi, et al. 6-Mercaptohexanoic acid assisted synthesis of high quality InP quantum dots for optoelectronic applications. Superlattice. Microst., 56 (2013) 86～91

6 Jun Yin, Manoj Kumar, Qiong Lei, et al. Small-Size Effects on Electron Transfer in P3HT/InP Quantum Dots. J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 26783～26792

7 Liang Li, Peter Reiss. One-pot Synthesis of Highly Luminescent InP/ZnS Nanocrystals without Precursor Injection. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 11588～1158