青島大學Adv. Sci.: 核殼結構量子點界面的青島原子級分辨
【引言】
半導體量子點(QDs)由于其高量子產率、可調的大學的原吸收和發射光譜以及溶液加工特性，在太陽能電池、核殼太陽能聚光器、結構界面級分光催化等光電領域方面得到了廣泛的量點料牛研究。CdX (X=Se, S, Te)組成的辨材晶體可以形成兩種不同的結構，即立方型(Z)B和六方纖鋅礦(WZ)結構。青島在這兩種結構中，大學的原每個陽離子以四面體構型與四個反離子配位，核殼其局部配位和鍵長相同，結構界面級分但兩種結構的量點料牛堆疊順序不同。在ZB結構中，辨材晶格面沿[111]方向遵循ABCABC堆垛，青島而在WZ結構中，大學的原晶格面沿[0001]方向遵循ABABAB堆垛。核殼這種結構差異是微妙的，因此很難合成結晶度完美的納米晶體。此外，對于傳統的裸量子點，由于體積小、比表面積大，不可避免地會出現表面陷阱態/缺陷，影響其光學性質。在核心量子點表面涂覆殼層是一種典型的表面缺陷鈍化方法，可以減少表面對量子點光學性能的影響。與裸量子點相比，核殼量子點在太陽能電池和其他光電器件中具有更高的光致發光量子產率、更高的效率和穩定性。在所有核殼QDs中，CdSe@CdS是研究最多、開發最好的核殼系統之一。對于CdSe@CdS 核殼量子點，CdSe核和CdS殼具有相同的晶體結構，晶格失配較小(3.9%)。因此，CdS外殼可以沿CdSe核心外延生長。研究者們利用多種合成方法成功合成了CdSe@CdS量子點，并控制了量子點的尺寸和形狀，已經揭示了獨特的結構/性質關系。例如，Chen等人的報道了使用辛硫醇和油酸鎘作為CdS外殼生長的前驅體，制備了具有窄發射線寬和抑制閃爍的高質量CdSe@CdS量子點。Ghosh et al.撰寫了CdSe@CdS量子點的詳細生長過程，強調了反應參數對其形狀和結晶相的影響，并探索了結構與光學性質之間的關系。然而，由于CdSe和CdS之間晶格匹配良好，且兩種材料的正離子相同，使用傳統的透射電子顯微鏡(TEM)識別核殼之間的界面非常具有挑戰性。在CdSe@CdS核殼量子點中對核殼界面進行高質量成像是一個長期未解決的挑戰。在一個單獨CdSe@CdS量子點中，原子尺度的界面表征仍然是一個艱巨的挑戰。具體來說，人們對CdSe@CdS QD中影響能帶對齊和光學性質的原子界面仍然知之甚少
【研究進展】
近日，青島大學王乙潛課題組在Adv. Sci上發表了一篇題目為“Atomic Identification of Interfaces in Individual Core@shell Quantum Dots”的文章。研究人員通過熱注入和SILAR方法合成了CdSe@CdS 核殼量子點，利用X射線衍射(XRD)、HRTEM、高角度環形暗場(HAADF)和EDS元素映射分析了量子點的結晶度、微觀結構和核殼結構。考慮到CdSe和CdS的不同晶格參數，研究者提出了一種方法，通過測量單個納米晶體中不同區域晶格間距的變化，確定HRTEM和HAADF圖像中單個CdSe@CdS QD的核殼界面。結合EDS元素圖，可以確定CdSe核心的位置。該結果為研究具有相同陽離子和晶體結構的異質納米晶體的核殼結構界面識別提供了一種方法。
【圖文簡介】
圖1 包裹不同CdS數量的CdSe@CdS QD材料的XRD
裸CdSe、CdSe@3CdS、CdSe@6CdS、CdSe@9CdS、CdSe@12CdS量子點的XRD譜圖。
圖2 CdSe@CdS量子點的形態和尺寸分布
a)不同CdS殼層厚度的CdSe@CdS量子點的亮場TEM圖像；
b)尺寸分布圖。
圖3 CdSe@CdS量子點的HRTEM圖像和SAED圖像
a-c) CdSe@3CdS QDs；
d-f) CdSe@6CdS QDs；
g-i) CdSe@9CdS QDs；
j-l) CdSe@12CdS QDs。
圖4 不同晶體結構CdSe/CdS的界面模型
圖5 CdSe@3CdS QD的微觀結構
a) HRTEM圖像；
b)晶格間距變化；
c) HAADF圖像；
d)單個粒子CdSe@3CdS QD的晶格間距變化。
圖6 CdSe@9CdS QD的微觀結構
a) HRTEM圖像；
b)晶格間距變化；
c) HAADF圖像；
d)單個粒子CdSe@9CdS QD的晶格間距變化。
圖7 CdSe@12CdS QD的微觀結構
a) HRTEM圖像；
b) HAADF圖像；
c)個體CdSe@12CdS QD的EDS元素映射。
圖8 不同殼層厚度的CdSe@CdS量子點(10?10)和(0002)面平均間距變化趨勢
【小結】
綜上所述，研究者通過熱注射和SILAR方法合成了不同殼層厚度的CdSe@CdS核殼量子點。XRD和HRTEM結果表明CdSe量子點和CdSe@CdS量子點均是WZ結構。理論計算表明，WZ CdSe/WZ CdS結構的界面比WZ CdSe/ZB CdS結構的界面更穩定。HRTEM、HAADF和EDS元素圖直接演示了CdSe@CdS量子點核殼結構的形成。CdSe核和CdS殼具有相同的晶體取向，其晶格無縫匹配。由于CdSe和CdS的晶格參數不同，利用一個納米粒子的HRTEM和HAADF圖像中的晶格間距測量來演示CdSe@CdS 核殼結構的形成，并識別核殼界面。對于薄殼量子點(<5單分子層)，在核心和殼層之間觀察到一個理想的相干界面，沒有發現晶格間距變化。在厚殼層量子點中，芯層的晶格間距大于殼層的晶格間距，而異質結構界面仍然是相干的。通過對比晶格間距的變化，可以確定厚殼量子點的核殼界面。當進一步增加殼層厚度(>9單層)時，在核與殼層之間可以發現一個清晰的界面。。這種方法可以廣泛地擴展到其他核殼QDs的表征，例如PbSe@PbS, CdTe@CdSe, 和CdSeTe@CdS量子點，并有望可以被材料科學、物理和化學領域的廣大科學家廣泛使用。
文獻鏈接：Atomic Identification of Interfaces in Individual Core@shell Quantum Dots, Advanced Science, 2021, doi：10.1002/advs.202102784.
本文由金也供稿。
