CuInS2量子點的制備及應用進展

張研,華杰,李海波（吉林師范大學,功能材料物理與化學教育部重點實驗室,長春130012）

CuInS2量子點的制備及應用進展

張研,華杰,李海波
（吉林師范大學,功能材料物理與化學教育部重點實驗室,長春130012）

摘要:綜述目前CuInS2量子點的制備方法及在發(fā)光器件、太陽能電池和生物熒光標識等領域的應用現(xiàn)狀。并對其發(fā)展的前景與潛力進行了展望。關鍵詞:核殼;制備;應用

0引言

CuInS2納米晶是直接帶隙三元半導體材料，禁帶寬度為1.50eV、吸收系數(shù)為105cm-1；與當前的主流的半導體熒光納米材料CdSe相比，CuInS2量子點既不含A類元素（Cd、Pb、Hg等），又不含B類元素（Se、As、P等），不會對環(huán)境和生物體造成負擔，而且光譜可以覆蓋更廣泛的波段--近紅外區(qū)，在生物醫(yī)學[1]，太陽能電池[2]、光電器件[3]等領域都有著廣泛的應用前景。

1CuInS2/ZnS核殼量子點的制備方法

目前合成CuInS2半導體量子點的方法主要有溶劑熱合成法、熱注入法及共前驅體熱分解法等。

1.1溶劑熱合成法

溶劑熱合成法依據(jù)水熱法發(fā)展起來的合成方法，是指在一定溫度（100-1000oC），一定壓強（1MPa-1GPa）下，利用在溶劑中物質的化學反應進行合成的方法。2010年，yue[4]研究組利用此方法合成了閃鋅礦結構的CuInS2量子點其半徑為2-4nm。但目前還沒有有效的手段能很好的控制粒子的成核與生長，粒子還不具備熒光性質，并且反應一般在高溫高壓下進行，反應周期比較長，限制了此法的發(fā)展。

1.2有機相熱注入法

有機相熱注入法是最常用的一種合成膠體量子點的化學方法，其為目前最有效的合成高質量納米粒子的方法。1993年，Bawendi[5]研究組首次利用這種方法合成了高質量的Ⅱ-Ⅵ族半導體量子點。2007年，Li[6]小組采用熱注入的方法首次合成了黃銅礦和纖鋅礦結構的三元CuInS2納米晶。Xie[7]等人通過調節(jié)陽離子前體相對反應活性，利用綠色的熱注入方法合成了尺寸可調的三元CuInS2量子點。

1.3有機相共前驅體熱分解法

有機相共前驅體熱分解法指將反應所需的金屬前驅體、陰離子前驅體、配體以及添加物均放入反應瓶中，將溫度升高到反應溫度，反應適當時間即可。2011年，美國國家實驗室Klimov研究組利用此法，制備了紅光CuInS2量子點，在包覆CdS和ZnS殼層后，其發(fā)光的量子效率令人吃驚地高達90%。

2CuInS2/ZnS核殼量子點的應用

2.1太陽能電池的應用

CuInS2的優(yōu)點：

（1）體相CuInS2的禁帶寬度為1.5eV，接近太陽能吸收的最佳禁帶寬度；

（2）吸收系數(shù)大可以在幾微米的厚度范圍內實現(xiàn)對太陽光的基本全吸收，且在制備電池時吸收層的厚度薄，成本低；

（3）CuInS2是直接能隙半導體，可以減少對少數(shù)載流子擴散的要求；

（4）熱和電的穩(wěn)定性好；

（5）與CdTe、PbS和CuInSe2等其他太陽能電池相比，CuInS2不含任何有毒成分，不會對環(huán)境造成負擔。CuInS2的優(yōu)點使其成為制備未來太陽能電池的最佳材料。目前，利用CuInS2制備的太陽能電池的最大效率為7%。

2.2生物醫(yī)學領域的應用

CuInS2量子點作熒光探針在細胞和活體成像，生物分析領域取得了令人鼓舞的進展。Peter[8]小組首先將其制備的高質量的CuInS2/ ZnS核殼量子點應用白鼠體內各，并在白鼠體內可以清楚的看見量子點的分布，量子點熒光強度在一天內沒有明顯的消弱，成功的實現(xiàn)CuInS2/ZnS核殼量子點活體成像標記這標志著量子點在做為新型熒光標記物占有一席重要的地位。Tomas[9]研究組對比CuInS2/ZnS量子點與含鎘的CdTeSe/CdZnS量子點在小鼠體內的毒性實驗。注入CuInS2/ZnS量子點的組織與參比組織相比沒有什么明顯變化；而注入含鎘量子點的組織出現(xiàn)明顯炎癥。這表明CuInS2/ZnS量子點是良好的近紅外活體成像材料。

2.3發(fā)光器件的應用

由于CuInS2的激子波爾半徑為4.1nm，因此可以通過制備粒徑小于8.1nm的納米晶，并調控其粒徑來實現(xiàn)同一種材料的發(fā)光從可見到近紅外的可調，使其可應用到照明及顯示器件中。zhong[10]等人將高發(fā)光效率的CuInS2/ZnS核殼納米晶用到傳統(tǒng)有機LED結構中，成功制備了紅光和黃光二極管，另一篇文獻報道利用CuInS2/ZnS核殼納米晶制備了紅色、黃色和綠色的LED。

3結語

總之，CuInS2/ZnS核殼量子點具有毒性較低，合成環(huán)境友好，適合的禁帶寬度，高的吸收系數(shù)以及良好的光電穩(wěn)定性等優(yōu)點，在生物醫(yī)學、太陽能電池、發(fā)光二極管(LED)等領域展現(xiàn)了極大的應用潛能，使其成為制備未來太陽能電池，以及生物醫(yī)學應用上的最佳材料。

參考文獻:

[1]JinS,HuYX.etal,JNanomater,2011:1-13.

[2]HuynhWU,DittmerJJ,AlivisatosAP.Science,2002.

[3]ColvinVL,SchlampMC.L.Nature,1994,370:354-357.

[4]YueW,HanS,Peng.JMaterchem.,2010.

[5]MurrayCB,NorrisDJ.JournaloftheAmericanChemicalSociety.1993.

[6]LiTL,LeeUL,TengHS.Energy&EnvironmentalScience,2012.

[7]XieRG,RutherfordM,PengXG.Chem.Mater.2009.