氧化硅稳定的氧化锡量子点薄膜的制备及其光学性能

　　由于量子尺寸效应、表面效应等各种物理机制,半导体量子点材料在电、光、磁等各个领域表现出许多新颖的特性,受到了广大科研工作者的重视。氧化锡(SnO2)是一种典型的直接带隙宽的半导体材料,其体带隙约为3.6 eV,激子束缚能130 meV,激子玻尔半径约为27 nm,有望成为短波长发光器件、激光器、固态平面显示、光存储、气敏等方面的重要应用材料[1-2]。目前,制备量子点薄膜的方法有很多种,如离子注入法[3],射频磁控溅射[4]等。溶胶-凝胶法具有成膜均匀性好、与衬底附着力强、易于原子级掺杂、可精确控制掺杂水平且不需要大型设备等优点,成为广大薄膜科研工作者的重要制膜方法。但是这种方法制备的量子点薄膜一般是无定型的,需要进行后期高温热处理进行晶化,而高温过程往往伴随着量子点团聚长大的问题。本实验首先采用溶胶-凝胶-水热法制备了氧化硅稳定的、具有良好晶型的氧化锡量子点,因为氧化锡被氧化硅稳定,所以可以实现很好的分散,将氧化锡量子点重新分散于氧化硅溶胶中,再通过旋转涂膜的方法,制备性能良好的氧化锡量子点薄膜,从而避免了后期高温热处理过程中碰到的量子点团聚和颗粒长大问题。本实验采用该思路制备了不同氧化锡含量的量子点薄膜,通过X射线衍射仪(XRD)和高分辨透射电镜(TEM)对其进行了表征,并结合电子能级结构研究了该薄膜的光致发光性质。室温下测试了薄膜的透射谱,并根据透射谱拟合得到了薄膜的光学禁带宽度。

　　1　实　验

　　1.1　制备氧化硅稳定的SnO2量子点

　　首先,将5.95 mL正硅酸乙酯加入到55 mL的0.01 mol·L-1HCl的溶液中,45℃下,磁力搅拌30 min形成溶胶。在磁力搅拌下SnO2和SiO2按3∶1的质量比称取SnCl4·5H2O加入上述溶胶中,搅拌水解1 h,形成凝胶。室温下老化0.5 h,将此凝胶转移到聚四氟乙烯衬底的水热釜中,150℃下反应10 h。即得到氧化硅稳定的SnO2量子点。

　　1.2　配置分散有氧化锡量子点的氧化硅混合胶体

　　将13.1 mL无水乙醇和10 mL正硅酸乙酯混合搅拌30 min。将13.1 mL无水乙醇、1.6 mL去离子水和0.1 mL的盐酸混合搅拌30 min。将搅拌好的两种溶液再混合搅拌30 min,所得到的透明溶胶即为SiO2溶胶。然后加入一定量的SnO2凝胶,混合搅拌2 h形成不同SnO2含量的混合凝胶。

　　1.3　镀膜

　　用旋转涂膜的方法镀膜。选择转速为3 000 r/min,每次滴加溶胶2滴,镀膜一次以后,在恒温干燥箱中60℃下干燥10 min,重复上述步骤至成膜为合适厚度。

　　2　测试表征

　　所得样品采用Rigaku D/max-2400型X射线衍射仪得到XRD图谱,管电压为40 kV,管电流为60 mA,CuKα靶;用JEOL 2010F场发射电子枪高分辨透射电镜仪来观察量子点的结晶度和晶粒尺寸,加速电压200keV。高分辨透射电镜场发射电子枪加速电压为200 keV。样品光致发光谱和紫外-可见光区透射谱分别由Shimadzu RF-5301PC和Shimadzu UVP probe获得。