научная статья по теме О ВЛИЯНИИ РАСТВОРИТЕЛЯ НА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СЕЛЕНИДА КАДМИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «О ВЛИЯНИИ РАСТВОРИТЕЛЯ НА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СЕЛЕНИДА КАДМИЯ»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 3, с. 221-226

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ И МАТЕРИАЛЫ

УДК 544.774.4:544.523.2

О ВЛИЯНИИ РАСТВОРИТЕЛЯ НА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СЕЛЕНИДА КАДМИЯ

© 2015 г. М. Г. Спирин, С. Б. Бричкин, В. Ф. Разумов

Институт проблем химической физики РАН 142432, Московская обл., Черноголовка, просп. Академика Семенова, 1 E-mail: max2004@icp.ac.ru Поступила в редакцию 21.11.2014 г.

Исследования показали, что синтез КТ CdSe с использованием смеси ODPA и ТОРО в качестве стабилизирующих лигандов позволяет получить наночастицы с высокими люминесцентными характеристиками без наращивания дополнительной полупроводниковой оболочки. Показано, что и-окта-децилфосфоновая кислота, используемая в качестве стабилизирующего лиганда в смеси с триок-тилфосфин оксидом при синтезе квантовых точек CdSe, может способствовать получению частиц с высокими спектрально-люминесцентными свойствами. Установлено, что интенсивность люминесценции этих частиц увеличивается при их выдерживании в органическом растворителе в диспергированном состоянии. Величина квантового выхода люминесценции зависит от диэлектрической проницаемости среды, среднего размера квантовых точек и времени выдерживания в растворителе.

DOI: 10.7868/S0023119315030146

Полупроводниковые квантовые точки (КТ) находят широкое применение в солнечных батареях [1, 2], светоизлучающих устройствах [3, 4], лазерах [5, 6] и в различных биомедицинских приложениях (иммунология [7], клеточная визуализация [8, 9], гибридизация ДНК [10], диагностика и лечение онкологических заболеваний [11, 12] и т.д.). Это обусловлено тем, что спектрально-люминесцентные свойства таких частиц зависят от их размера, и они могут быть использованы в широком спектральном диапазоне от УФ-до ближней ИК-области. Кроме того эти КТ обладают симметричной узкой полосой люминесценции с шириной пика на полувысоте до 30 нм и значительно более высокой фотостабильностью по сравнению с традиционными органическими люминофорами [13].

Одним из современных способов получения КТ, в том числе Сё8е, с узким распределением частиц по размерам (5—7%) является высокотемпературный коллоидный синтез в присутствие фосфорсодержащих органических соединений [14]. Однако образующиеся КТ Сё8е обычно имеют невысокий квантовый выход люминесценции (ф), который составляет 5—10% вследствие того, что на их поверхности присутствуют дефекты, служащие центрами безызлучательной рекомбинации для электронов и дырок. Для повышения ф необходимо блокировать эти центры. Часто это достигается за счет формирования вокруг частиц оболочек из более широкозонного полупроводника, например, Сё8, ZnS, ZnSe [15].

В [16] улучшение люминесцентных свойств наблюдалось при покрытии КТ CdSe полистироль-ными и силикатными оболочками, а в [17] — при использовании УФ-излучения, ультразвуковой обработки и модификатора поверхности ((амино-алкил)триалкоксисилана). Таким образом, квантовый выход люминесценции КТ можно увеличить, если применить подходящий стабилизирующий лиганд, способный эффективно блокировать поверхностные центры безызлучательной рекомбинации. Среди реагентов, часто применяемых в высокотемпературном коллоидном синтезе (фос-фины, оксиды фосфинов, амины, карбоновые кислоты и т.д.), наиболее прочные связи с CdSe характерны для фосфоновых кислот [18—20]. Согласно [21], это обусловлено образованием связи между анионными формами фосфоновых кислот и поверхностными Cd2+-ионами, а не между соответствующими молекулами. В [20] на примере я-октадецилфосфоновой кислоты (ОЭРЛ) показано, что это соединение является монодентант-ным лигандом (ОЭРЛ), причем стабилизирующая оболочка, формирующаяся вокруг КТ, на 55% состоит из ОЭРЛ и на 45% из молекул окта-децилфосфонового ангидрида.

В то же время на люминесцентные свойства КТ, наряду с лигандной оболочкой, влияют и другие факторы, одним из них является природа растворителя, в котором диспергированы частицы полупроводника. В [22, 23] исследовались свойства как индивидуальных КТ CdSe, так и КТ CdSe@ZnS типа "ядро@оболочка". Авторы отме-

5

221

тили, что дисперсионная среда сильнее взаимодействует с индивидуальными КТ, не имеющими экранирующих полупроводниковых оболочек, однако в этих работах не сделано однозначного вывода о том, как зависит квантовый выход люминесценции от полярности растворителя.

Цель настоящей работы заключается в изучении влияния природы органического растворителя на люминесцентные свойства диспергированных в нем КТ CdSe разного размера, полученных высотемпературным коллоидным методом в присутствии ODPA.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

КТ CdSe заданного размера, стабилизированные ODPA (КТ-ODPA), синтезировались на основе методики, изначально предложенной для получения наностержней [24]. Для данного синтеза использовались реагенты: CdO (99.99%, "Sig-ma-Aldrich"), Se (порошок, 99.99%, "Sigma-Ald-rich"), ODPA ("Alfa Aesar"), триоктилфосфин (TOP, 90%, "Sigma-Aldrich"), триоктилфосфин оксид (TOPO, 99%, "Sigma-Aldrich"), трибутилфос-фин (97%, "Aldrich"), толуол (99.99%, "Fisher Scientific"). Смесь CdO (0.64 ммоль), ODPA (1.2 ммоль) и TOPO (3 ммоль) помещали в реакционный сосуд, нагревали в атмосфере аргона до 320°С и выдерживали при этой температуре до образования прозрачного раствора. В другом сосуде смесь Se (0.32 ммоль), трибутилфосфина (0.38 ммоль), триоктифосфина (1.6 ммоль) и толуола (0.14 мл) перемешивали с помощью магнитной мешалки при температуре 60°C до полного растворения Se. Полученный раствор быстро впрыскивали в реакционный сосуд с прекурсором кадмия, в результате чего температура в нем уменьшалась до 300°С, при которой проводился синтез. Средний размер КТ определялся продолжительностью процесса. Для получения частиц сферической формы это время не превышало 1 мин. Спек-трально-люминенсцентные исследования проводились в растворах КТ, не отмытых от компонентов синтеза, в хлороформе, стабилизированном этанолом (ХЛ-эт, 0.6 мас. % этанола, "х. ч.", "Химмед"), в хлороформе, стабилизированном амиленом (ХЛ-ам, >99.5%, "Sigma-Aldrich", амилена 100—200 ppm), в н-гексане (Lab-scan, 99%), в толуоле и ^^диметилформамиде (ДМФ, >99.8%, "Sigma-Aldrich").

Для сравнительных исследований использовались КТ CdSe без ODPA (КТ-HDA), синтезированные согласно методике [25]. В этом случае смесь ТОРО (5 ммоль), гексадециламина (HDA, 90%, "Sigma-Aldrich", 8.3 ммоль), CdO (0.2 ммоль) и стеариновой кислоты (98%, "Alfa Aesar", 0.8 ммоль) загружали в реакционный сосуд и прогревали в инертной атмосфере при 200°С до полного растворения CdO, затем температуру поднимали до 280°С.

В отдельной колбе получали комплекс ТОР-Se путем смешения ТОР (2 ммоль) и Se (1 ммоль) и полученный раствор впрыскивали в реакционный сосуд. Синтез проводили при 260°С до достижения КТ необходимого размера.

Спектры поглощения исследуемых растворов записывали на спектрофотометре "Shimad-zu UV-3101PC". По этим спектрам на основании данных [26] оценивались размеры КТ. Спектры люминесценции регистрировались на оптоволоконном спектрофлуориметре "Ocean Optics USB2000-FLG" при длине волны возбуждающего света 400 нм. Квантовые выходы люминесценции определяли для разбавленных растворов КТ (с концентрацией частиц ~10-7 М, оптическая плотность на длине волны возбуждения менее 0.1) относительно родамина 6Ж (квантовый выход в воде — 0.96 [27]). При вычислении квантового выхода люминесценции КТ учитывались показатели преломления соответствующих растворителей [28]:

ф = 0.96

Арод 1

род J КТ

Акт IP

^КТ 1 род V.Пвод J

где Арод и АКТ — оптические плотности водного раствора родамина 6Ж и КТ в органическом растворителе на длине волны 400 нм, /род и 1КТ — площади полос люминесценции растворов родамина 6Ж и КТ, n и пвод — показатели преломления растворителя и воды.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены спектры поглощения (1) и люминесценции (2, 3) КТ CdSe в ХЛ-ам, синтезированных в присутствии стеариновой кислоты, HDA и TOPO (а) и ODPA и TOPO (б). Из кривых 1 следует, что первые экситонные пики расположены при 565 нм и, согласно [26], средний размер КТ в обоих случаях одинаков и составляет 3.4 нм. Спектры люминесценции этих КТ представляют собой узкие полосы с пиком около 575 нм, интенсивности которых после диспергирования частиц в хлороформе изменяются во времени противоположным образом. Для КТ-HDA наблюдается обычное поведение люминесценции: сразу после растворения в хлороформе они демонстрируют высокий квантовый выход (в данном случае — 0.52), который постепенно уменьшается, и через 15 ч амплитуда полосы падает более чем в два раза и ф становится равным 0.22 (рис. 1а, кривые 2, 3). Интенсивность полосы КТ-ODPA за это же время увеличивается в 1.7 раза, квантовый выход люминесценции частиц возрастает от 0.14 до 0.23. При использовании других органических растворителей (ХЛ-эт, н-гексана или толуола) в качестве дисперсионной среды также наблюдается аналогичное разнонаправленное поведение интенсивности люминесценции —

(1)

О ВЛИЯНИИ РАСТВОРИТЕЛЯ НА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА

223

Рис. 1. Спектры поглощения (1) и люминесценции (2, 3) КТ CdSe в ХЛ-ам, синтезированных без ОЭРЛ (а) и в присутствие ОЭРЛ (б) сразу после растворения (2) и через 15 ч (3).

уменьшение величины ф во времени для КТ-НЭЛ и к ее росту для КТ-ОЭРЛ.

Кинетика изменения квантового выхода КТ-ОЭРЛ существенно зависит от природа органического растворителя, в котором растворены наночастицы. В таблице приведены значения квантового выхода люминесценции для КТ-ОЭРЛ с размером 2.8 нм, измеренные сразу после диспергирования в органических средах с различным значением диэлектрической проницаемости е. Из таблицы видно, что для данных КТ квантовый выход люминесценции растет с уменьшением е, при этом самые высокие значения ф частицы достигают в н-гексане (е = 1.89), а самые низкие — в ДМФ (е = = 36.7). На рис. 2 показано изменение ф в этих растворителях во времени на протяжении 14 сут. Во всех средах, за исключением ДМФ, ф увеличивается со временем, причем наибольшая скорость роста наблюдается в течение первых 24 ч после диспергирования. Из рис. 2 следует, что ф в н-гек-с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком