Chem. Eur. J. :电化学法测定ZnO量子点的电子结构

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深圳大学李秀婷课题组结合循环伏安技术和光谱技术,测量了带有不同配体的ZnO量子点的电子结构。研究发现没有配体的ZnO量子点主要存在氧间隙缺陷,而带有醇胺类配体的ZnO量子点主要含有氧空位,为检测宽带隙量子点的电子结构提供了一种有效的技术手段。



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量子点(Quantum dots),简称QDs,是指半径小于本体材料的激子玻尔半径(1-10nm)的半导体纳米材料,其直径常在2-20 nm之间。由于其具有优异且可控的光电特性,比如调节的发射光谱和宽的激发光谱等,被广泛应用在在光电器件、太阳能电池等领域。而在这些应用中,量子点的电子结构对量子点所表现出的优越光电特性至关重要。例如,量子点光伏中不同层之间的能级排列情况对器件的性能起到非常关键的作用。因此,需要发展有效的技术去测量量子点的电子结构,包括带边能级和缺陷态。


目前用来检测量子点能带位置的技术非常有限,主要包括紫外光电子能谱技术(UPS),扫描隧道技术(STS)和电化学技术(如循环伏安法)。前两种技术对比循环伏安法(CV)都有共同的缺点,比如设备昂贵和相对苛刻的测试环境。而CV需要的设备成本低,并且实验方法也相对简单。CV曲线上电子注入、导出(还原或氧化)所对应的电位与其导带底、价带顶或者缺陷态等位置相关。因此,近些年来,已经有不少的研究者使用CV去检测量子点的能级位置。但是,目前大部分相关的研究主要集中在测量窄带隙的量子点上,而关于宽带隙的量子点能级的电化学测量非常少,可能的原因主要是宽带隙材料常常带有的缺陷态能级,而且检测也受到有限电化学窗口的限制。


深圳大学李秀婷课题组选择被广泛应用于量子点发光二极管(QLEDs)中的电子传输层的ZnO量子点进行电子结构的电化学检测。首先合成了带有不同配体(乙醇胺和三乙醇胺)的ZnO量子点。结合光谱技术,发现ZnO量子点的CV曲线图中的第一个还原峰的起始电位与导带底有关,而第一个氧化峰的起始电位与缺陷态有关。测定的缺陷态能级表明,没有表面配体的ZnO量子点主要具有氧间隙缺陷,而被配体覆盖的ZnO量子点含有氧空位,这意味着乙醇胺和三乙醇胺等表面配体可能有助于消除氧化锌量子点中的氧间隙。该工作创新性地使用 CV 来确定具有不同表面配体的 ZnO 量子点中的氧相关缺陷,展示了CV能够作为一种有效的手段去检测量子点的电子结构,包括带边能级和缺陷态,这将有利于推动ZnO量子点相关器件的应用。

文信息

Electrochemically Determining Electronic Structure of ZnO Quantum Dots with Different Surface Ligands

Longbin Xian, Nanlin Zhang, Zufu Luo, Xiaolin Zhang, Chonglin Yuan, and Prof. Xiuting Li


Chemistry – A European Journal 

DOI: 10.1002/chem.202201682




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