族半导体纳米晶:合成,性质及应用

半导体纳米晶具有独特的量子限域效应以及新颖的尺寸和形貌依赖特性, 已被证实是在低成本高性能光伏器件、光致及电致发光二极管、生物成像、光催化等领域非常具有潜力的新型材料. 其中, Ⅱ-Ⅵ 族与 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 族半导体纳米晶由于其优异的性能在过去的数十年中引起了广泛的关注. 过去数十年对于 Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶的研究已经十分成熟, 然而几乎所有的传统 Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶都含有对环境有害的元素, 对人体和环境造成不可逆转的伤害, 从而限制了 Ⅱ-Ⅵ 族半导体纳米晶的进一步应用. 与二元Ⅱ-Ⅵ 族纳米晶相比, 大部分三元 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 族纳米晶不含镉和铅等重金属元素,因而具有低毒性的特点, 并且其带隙窄、吸光收系数大、斯托克斯位移大、自吸收小以及发光波长在近红外区,所以有望使其成为新一代荧光纳米晶材料. 例如, CuInS2的带隙为 1.53 eV, 与太阳光谱匹配且其吸光系数较大, 在 10-5cm-1左右, 从而使其成为制备太阳能电池的一种优秀材料. 另一方面, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 族纳米晶在可见光和近红外范围内呈现与尺寸相关的发光, 它们的荧光量子产率在包覆 ZnS 壳后可超过 50%, 因而在照明, 显示和生物成像领域具广泛应用的潜力. 水溶性的 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点粒径尺寸可以小于 10 nm, 可以减小纳米颗粒通过肾清除的淘汰率, 并且具有高荧光性能和耐光性的特点, 因此成为进行生物成像工作的优秀材料. 与此同时, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 族纳米晶在光催化领域也展现了巨大的发展前景.本综述主要关注 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族纳米晶的合成, 性质及应用. 首先, 我们概述了不同的化学合成方法, 并列举讨论了一些经典的工作, 根据纳米晶的种类分类统计了主要合成方法、形貌及尺寸. 第二部分, 我们讨论了它们的光物理和电子特性, 解释了纳米晶的"donor-acceptor pair"(DAP) 结合机理, 概述了 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 族纳米晶的磁光现象. 接下来, 我们概述了 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 族纳米晶主要的应用领域, 着重总结了在太阳能电池领域、半导体发光二极管领域、生物成像领域以及光催化制氢领域的研究进展. 最后, 我们会讨论半导体纳米晶的应用前景, 以及它的机遇和挑战.