20克级的水溶性Mn-Cu-In-S磁/光双功能量子点的制备

This project deals with the 20-gram synthesis of Mn-Cu-In-S magnetic-optical bifunctional quantum dots by an aqueous approach in an 25 litres electric pressure cooker. We utilize two types of hydrophilic organic ligands glutathione and sodium citrate to balance the reactivity of Mn, Cu and In cations, and prepare homogeneously alloyed and water-soluble Mn-Cu-In-S diluted magnetic quantum dots. By changing the sizes of quantum dots and the ratios of Mn/Cu/In, a wider color emission (520-800nm) will be achieved; by optimizing reaction conditions, such as changing the reaction time, pH value and the type of ligands etc. , the photoluminescence quantum yields can be improved to 30-50%. The advantages of this project are as follows: 1. The experimental equipment maneuverable and cheap. Multigram scale quantum dots can be directly obtained which greatly reduces production cost; 2. Our water-soluble magnetic-optical bifunctional quantum dots do not contain highly toxic Cadium and Mercury cations with good biocompatibility, and they can be directly utilized for bio-imaging in the absence of tedious ligand exchange process; 3. Our magnetic-optical quantum dots with a certain magnetism can be recycled of external magnetic fields and reused.

本项目主要是利用25升电压力锅制备20克级的水溶性Mn-Cu-In-S/ZnS核壳磁/光双功能量子点。同时使用两种水溶性的有机配体谷胱甘肽和柠檬酸钠，来消除Mn、Cu和In离子三者间反应活性的差异，制备均相的水溶性Mn-Cu-In-S磁/光双功能量子点。通过改变Mn、Cu、In之间的比例及控制半导体纳米晶的尺寸，实现量子点的发光可调(520-800 nm)；通过对实验条件的优化，例如改变反应时间、溶液的pH值及配体比例等，提高量子点的荧光量子产率到30-50%，同时具有一定的顺磁性。本项目具有如下优点：1.合成设备电压力锅操作简单，价格便宜，可一次性制备多克级的量子点，大大降低制备成本；2. 合成的水溶性磁/光双功能量子点不含有Hg和Cd等剧毒金属离子，具有良好的生物相容性，不需要经过配体交换，可直接应用于生物标记；3.我们合成的磁/光双功能量子点具有一定的磁性，可回收并且重复使用。

近年来为满足在太阳能电池、发光二极管以及生物应用等各领域的发展要求，纳米晶的制备技术得到广泛发展，从简单的一元与二元纳米晶过渡至三元及多元复杂纳米晶，以及从单一成份纳米粒子扩展到掺杂型杂化纳米粒子体系，从而完成材料的功能强化与功能集成化要求。在这些半导体材料中，I-III-VI与II-VI族半导体纳米晶，尤其是Ag-In-S和ZnxCd1-xS纳米晶因其具有价格低廉，潜在广泛应用等优良性质而被广泛研究。本项目工作主要内容如下：.1. 采用绿色环保的水相法，在水溶液中一锅法95℃条件下成功地合成了Ag-In-S/ZnS 核/壳量子点。通过改变投料比中Ag/In的比例，得到的核壳结构掺杂型纳米晶的发光范围在可见光内可调(507-580 nm)，并且最高的荧光效率可以达到50%。这些水溶性纳米晶具有较长的荧光衰减寿命，表明其在离子探针以及生物成像中具有很大潜在的应用价值。.2. 一步法制备水溶性金属硫化物的沉积半导体薄膜是一个绿色且低成本的方法。很难找到一个系统的水溶液方法来沉积各种各样的高质量的金属硫化物的量子点薄膜。通过使用金属阳离子制备硫化物前体来制备发光量子点薄膜，光致发光量子产率可达到24.6%，可应用在发光透明导电薄膜上。.3. 针对目前p型透明导电薄膜材料种类少且性能普遍不佳的情况，我们利用金属氧化物作为原料，使用提拉镀膜法使其在玻璃基底上成膜，并通过不同加热温度获得具有不同光学及导电性能的p型CuS透明导电薄膜。在保证良好透过率的情况下，电阻率最优可以达到商用ITO的级别。