一种PbS纳米立方体量子点的制备方法

技术领域

本发明涉及化合物半导体纳米材料制备技术领域，具体而言，涉及一种用于制备立方体形貌PbS量子点的方法。

背景技术

PbS量子点是一种准零维的纳米材料，具有独特的物理化学性质，可用于红外探测、太阳能电池、近红外激光器等。目前用于光电器件的PbS量子点大多为类球形，其表面晶面复杂，对缺陷态的原理分析也不明确。通过合成小尺寸的PbS纳米立方体，可以利用其干净的(100)晶面减少缺陷态分析的复杂度，有利于缺陷机理的解析。

已有报道中提及了关于PbS纳米立方体的合成，但现有方法合成的PbS纳米立方体尺寸较大，通常在10nm以上甚至更大。然而量子限域效应的强弱与量子点的尺寸密切相关，大尺寸PbS量子点的量子限域效应很弱。因此，合成小尺寸且尺寸可调的PbS纳米立方体具有重要意义，因为尺寸越小，量子限域效应越强。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备小尺寸PbS纳米立方体量子点的方法，以实现强量子限域效应，并为缺陷机理的研究提供更清晰的晶面。此外，该方法制备的纳米立方体更容易通过自组装形成超晶格，这些合成的PbS纳米立方体可以实现由纳米尺度到宏观尺度的过渡，具有更广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种PbS纳米立方体量子点的制备方法，包括步骤：

(1)铅前体制备：称取PbCl2和油胺置于三颈烧瓶中搅拌混合，其中铅的浓度为0.2-0.4mol/L；然后将三颈烧瓶真空抽气，将烧瓶加热；

(2)成核：将三颈烧瓶水浴冷却，然后将预先准备好的硫化锌量子点溶液注入到三颈烧瓶中，并立即开始计时，此时的ZnS注入用于成核；

(3)持续注射生长：当步骤(2)硫化锌量子点溶液注入至预设时间时，使用注射泵控制注射速度，持续注射ZnS量子点溶液，并调节温度、注射时间，分阶段改变注射温度、ZnS量子点的浓度，注射持续0.5h-1.5h，控制ZnS中S的物质的量与铅前体中Pb的物质的量之比应超过1.15：1；

(4)终止反应：步骤(3)的反应结束后，水浴冷却，当温度降低后，注入正己烷和油酸结束反应，将反应液均分到多个离心管中，进行离心，倒掉上层清液并收集下部沉淀溶解于四氯乙烯中再次离心，弃去底部沉淀，再加入乙腈将量子点沉淀下来，干燥后即为制备得到的PbS纳米立方体量子点。

本发明公开的立方体PbS量子点制备方法，通过对铅硫比、温度和注射速度进行精细调节，实现了在一步合成过程中制备高度均一的立方体PbS量子点。所制备的立方体PbS量子点具有干净的晶面，适用于理论和实验研究以及配体强弱的表征。相较于现有方法，通过本发明的制备方法，得到的立方体PbS量子点具有以下优点：

1.高度尺寸均一性：制备过程中精细调节反应条件，实现高度均一的立方体PbS量子点。

2.干净的晶面：所制备的PbS量子点具有干净的晶面，适用于理论和实验研究以及表面配体强弱的表征。

3.尺寸可调：相较于现有方法，本发明的制备方法能够调控纳米立方体的尺寸。

4.提升应用前景：制备的立方体PbS量子点在材料科学、光电子学等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1为不同尺寸的PbS纳米立方体吸收光谱；

图2为PbS纳米立方体的X射线衍射图；

图3为PbS纳米立方体的TEM图；

图4为PbS纳米立方体的TEM图。

具体实施方式

下面结合附图1-4，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

本实施例提供一种PbS纳米立方体量子点制备方法，包括以下步骤：

(1)称取3.336g氯化铅，量取40ml油胺，置于三颈烧瓶中，将该三颈烧瓶抽真空，加热至140℃，并保持30min；

(2)将三颈烧瓶水浴冷却至90℃并保持，然后注入0.93ml硫化锌，并立即开始计时；

(3)计时至30s时，开始通过注射泵注射硫化锌，并调节温度，分三阶段注射；

(4)反应结束后，在70℃时注入正己烷，40℃时加入油酸，等待5min；而后将反应液均分到多个离心管中，进行离心，倒掉上层清液并收集下部沉淀溶解于四氯乙烯中再次离心，弃去底部沉淀，再加入乙腈将量子点沉淀下来，干燥后得到的黑色固体粉末即为制备得到的PbS纳米立方体量子点。

优选的，所述步骤(3)中分三阶段注射，具体为：分别在温度为90℃时注射保持30min、在温度为120℃注射保持50min、在温度为160℃注射保持70min。

优选的，在所述步骤(3)中分三阶段注射过程中，三阶段中ZnS物质的量分布比例为1:5:36，ZnS溶液用量为24ml。

进一步的，对所得PbS纳米立方体的性能表征为：取量子点溶液，用光谱仪测试其光学吸收，吸收谱如图1-a所示；在X射线衍射仪上测试衍射图谱，如图2所示；取少量溶液滴在铜网上在透射电镜下成像，如图3所示，平均直径为11.7nm。

实施例2：

本实施例提供一种PbS纳米立方体量子点制备方法，包括以下步骤：

(1)称取3.336g氯化铅，量取40ml油胺，置于三口反应瓶中，将该三颈烧瓶抽真空，加热至140℃，并保持30min。

(2)将三颈烧瓶水浴冷却至90℃并保持，注入0.93ml硫化锌，并立即开始计时。

(3)计时至30s时，开始通过注射泵注射硫化锌，并调节温度，分三阶段注射；

(4)反应结束在70℃时注入正己烷，40℃时加入油酸，等待5min；而后将反应液均分到多个离心管中，进行离心，倒掉上层清液并收集下部沉淀溶解于四氯乙烯中再次离心，弃去底部沉淀，再加入乙腈将量子点沉淀下来，干燥后得到的黑色固体粉末即为制备得到的PbS纳米立方体量子点。

优选的，所述步骤(3)中分三阶段注射，具体为：分别在温度为90℃时注射保持30min、在温度为120℃注射保持50min、在温度为160℃注射保持50min。

优选的，在所述步骤(3)中分三阶段注射过程中，三阶段中ZnS物质的量分布比例为2:10:9；ZnS溶液用量为24ml。

进一步的，对所得PbS纳米立方体的性能表征为：取量子点溶液，用光谱仪测试其光学吸收，吸收谱如图1-b所示；在X射线衍射仪上测试衍射图谱，与图2类似；取少量溶液滴在铜网上在透射电镜下成像，如图4所示，平均直径为8.6nm。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。