热点应用丨InP量子点的发射性质研究

天美公司分析仪器

2022.9.27

作者天美中国

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半导体量子点 (QD) 具有独特的可调谐的发光特性，使其可用于一系列重要的技术应用，包括固态照明、显示器、光伏和生物医学成像。磷化铟 (InP)量子点作为传统的含有镉和铅的重金属量子点的环保无毒替代品，现被广泛的应用。

仅由InP组成的量子点是不具有发射特性的，因为在 InP 表面上的缺陷会发生非辐射复合。为了获得发射量子点，InP核心有一层更高带隙的半导体，如硫化锌 (ZnS)，以形成核壳异质结构，从而钝化缺陷态并大大提高光致发光量子产率（图 1）。为了进一步提高 InP/ZnS 量子点的亮度、稳定性和颜色范围，需要建立成分与光致发光特性之间的关系。在本文中，FS5 荧光分光光度计用于对新型 InP/ZnS 量子点进行稳态和时间分辨光谱表征。

图1:InP/ZnS核壳量子点的典型结构和能带图

材料与方法

InP/ZnS QD 甲苯溶液，在 500 nm 处具有 0.15 的吸光度。使用配备 SC-05 液体支架、EPL-405 脉冲激光器、时间相关单光子计数 (TCSPC) 电子器件和 PMT-980 检测器的 FS5 分光荧光计表征吸收和光致发光特性。

图 2：配备皮秒脉冲激光器的 FS5 荧光光谱仪

结果与讨论

使用 FS5 测量吸收和光致发光光谱，如图 3 所示。FS5 包含一个标准的吸收检测器，可以使用单个仪器快速测量光致发光和吸收光谱。光谱显示，InP/ZnS 量子点在 620 nm 处具有明显的带边光致发光峰，半峰宽为 65 nm。除了主要的带边峰外，还有一个延伸到 NIR 中的宽低能量尾峰。为了检测这条尾峰，FS5 配备了一个扩展范围的光电倍增管检测器 (PMT-980)，它在 ~950 nm 范围内具有良好的灵敏度。PMT-980 比标准 PMT-900 提供额外 80 nm 的检测范围，是具有长发射尾端材料的理想选择。¹

图 3：InP/ZnS QD 溶液的吸收（黑色）和光致发光（红色）光谱。吸收光谱测试参数：Δλ ex = 2 nm。发射光谱测试参数：λ ex = 400 nm，Δλ ex = 8 nm，Δλ em = 3 nm 。

为了确认缺陷的存在，使用 FS5 的 TCSPC 功能测量光致发光的时间响应；因为缺陷发射和带边发射发生在不同的时间尺度上。使用 405 nm 皮秒脉冲激光器 (EPL-405) 来激发样品建立图 4 所示的时间分辨发射光谱 (TRES)。TRES 清楚地显示在更长的发射波长下，光致发光寿命显着增加。通过Fluoracle ®软件分析可得带边发射峰（620 nm）的平均光致发光寿命为 31.2 ns，而尾端发射（775 nm）的寿命为 348 ns。

图 4：使用 TCSPC 测量的 InP/ZnS QD 溶液的时间分辨发射光谱 (TRES)。每个波长的光致发光强度均归一化。实验参数：λ ex = 405 nm，Δλ em = 15 nm。

图 5：在 (a) 620 nm 和 (b) 775 nm 处测量的光致发光衰减。使用 TCSPC 测量衰减并拟合四个指数分量并计算强度加权平均寿命。实验参数：λ ex = 405 nm，λ em = 620 nm / 775 nm，Δλ em= 10 nm。

尾部衰减具有更长的寿命，这一事实进一步证明它是由于 InP/ZnS QD 内部俘获而产生的。图6显示了一种潜在机制，其中导带边缘的电子被俘获在InP核心的表面缺陷处，这些缺陷在带隙内具有能量。然后这些被俘获的电子缓慢地与价带中的空穴辐射复合，发出比带边发射波长更长的光。缺陷的存在表明 ZnS 壳层可能不完整，因此 InP 没有完全钝化，应调整合成过程以沉积更厚的 ZnS 壳。

图6:QD中带边发射和陷阱发射起源的示意图

结论

使用 FS5 荧光分光光度计对 InP/ZnS 量子点的光物理进行了稳态和时间分辨研究，揭示了缺陷发射的存在：可能是由于 ZnS 脱壳不完全。本文重点介绍了 FS5 荧光分光光度计在单个紧凑型仪器中表征新型量子点发射器的吸光度、发射和寿命的能力，并有助于建立结构-性能关系。

参考文献

1. R. Toufanian, A. Piryatinski, A. H. Mahler, R. Iyer, J. A. Hollingsworth & Allison M. Dennis, Bandgap Engineering of Indium Phosphide-Based Core/Shell Heterostructures Through Shell Composition and Thickness, Front. Chem 6 567 (2018)

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