圖一 PbS-OA和PbS-PbI2的TEM圖、示意圖以及兩者的典型循環(huán)伏安圖。

 

作為零維半導(dǎo)體納米粒子，量子點（QDs）具有廣泛的尺寸可調(diào)性、易于溶液工藝制造以及良好的抗?jié)駳夂涂寡醴€(wěn)定性，這些特性使得量子點在光電應(yīng)用方面，如光伏發(fā)電、發(fā)光二極管、光電探測器、激光等，顯示出了巨大的潛力。其中，硫化鉛量子點（PbS QDs）憑借其較高的能量轉(zhuǎn)換效率成為一種極具前景的光伏材料。目前，大部分合成的硫化鉛量子點都被不同種類的有機(jī)長鏈配體（尤其是油酸）鈍化，以保持其穩(wěn)定性，但長鏈配體不利于提高量子點的載流子遷移率，在實際應(yīng)用中需要通過配體交換過程將有機(jī)長鏈替換成較短的配體。另一方面，光電器件的大規(guī)模制造要求配體交換過程在液體中快速完成，以獲得通過單步沉積得到的可直接使用的量子點墨水，從而最大限度地減少材料的浪費。以銨鹽和鹵素配體為基礎(chǔ)的改進(jìn)方法已經(jīng)取得了進(jìn)展，但其實現(xiàn)的具體機(jī)理和最優(yōu)配體比例尚不清楚。

 

本研究利用電化學(xué)方法研究量子點的液相配體交換過程。實驗所得的循環(huán)伏安圖顯示，配體交換后的硫化鉛量子點表面的碘化鉛的Pb(II)和核心硫化鉛的Pb(II)有著不同的還原峰。這是第一個直接證據(jù)表明經(jīng)過配體交換的硫化鉛量子點形成了核-殼結(jié)構(gòu)。和其他傳統(tǒng)的表征方法相比，普通透射電鏡沒有足夠的分辨率來區(qū)分如此薄的配體層，XPS顯示的是間接的內(nèi)軌道結(jié)合能，其他成分分析手段只能給出平均結(jié)果。而本文提出的電化學(xué)方法將成為研究和調(diào)整量子點表面電化學(xué)的有力工具。

 

對于受靜電平衡影響的液相配體交換過程，配體/量子點的比例被認(rèn)為是確保高質(zhì)量和穩(wěn)定量子點墨水的關(guān)鍵。本文采用循環(huán)伏安法（CV）、X射線光電發(fā)射光譜（XPS）和紫外-可見吸收光譜（UV-vis）對PbS-OA量子點和在不同濃度PbI2下制備的PbS-PbI2量子點進(jìn)行了研究。研究表明，當(dāng)配體交換過程中的配體濃度低于一定值，量子點的鈍化質(zhì)量隨著配體濃度的增加而提高。而超過此特定值，過高的配體濃度會導(dǎo)致多余配體通過陰離子交換過程侵蝕量子點，導(dǎo)致量子點的穩(wěn)定性下降，甚至進(jìn)一步導(dǎo)致量子點的分解。通過此項研究確定的最佳配體/量子點比例有助于提高量子點墨水的穩(wěn)定性，這不僅有利于降低量子點應(yīng)用成本，擴(kuò)大量子點應(yīng)用范圍，更有望提高相關(guān)應(yīng)用中太陽能光子的轉(zhuǎn)換效率或熒光效率。更重要的是，這項工作為拓展量子點的應(yīng)用開辟了新的途徑，如制備具有廣泛的應(yīng)用前景的水性量子點墨水。

 

此項研究得到了深圳大學(xué)自然科學(xué)基金項目、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金項目和國家自然科學(xué)基金項目的資助，深圳大學(xué)為第一完成單位。

本文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c03423