МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Л.Н. ГУМИЛЕВ АТЫНАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ
УНИВЕРСИТЕТI
ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Л.Н. ГУМИЛЕВА L.N. GUMILYOV EURASIAN
NATIONAL UNIVERSITY
ХАБАРШЫ
1995 жылдың қантарынан жылына 6 рет шығады
I бөлiм
№ 6 (97) · 2013
ВЕСТНИК
выходит 6 раз в год с января 1995г.
I часть
HERALD
Since 1995
I part
Астана
УДК 544.522.12
Т.Н. Нурахметов, К.А. Кутербеков, Н.И. Темиркулова, А.Ж. Кайнарбай, Б.
Садыкова, Д.Х. Дауренбеков, А.А. Губаева, К. Ташкалиев, О. Тлеугабылов, Ш.Дюненбаева, Ж. Туркумбаев, А. Бiрлес
Оптические характеристики люминесцентных концентратов на основе квантовых точек для полупроводниковых преобразователей
(Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан)
В данной статье приведены результаты спектрального исследования квантовых точек. Синтезированные нами квантовые точки в специальных растворах или полимерной основе исследовались на предмет применения их для преобразования УФ и видимой части солнечного излучения в красное свечение. Результаты исследования показали, что квантовые точки в растворе или на полимерной основе поглощают видимый и УФ спектр солнечного излучения и излучает в красной области спектра, которые в ФЭПе создают дополнительные электронно-дырочные пары для увеличения КПД фотоэлектронных преобразователей. Излучение квантовых точек с оболочкой 5-6 раз интенсивнее, чем в квантовых точках без оболочки.
Ключевые слова:квантовые точки, ФЭП, люминесцентный преобразователь, нанокристаллы.
1. Введение
Общеизвестно, что фотоэлектронные преобразователи (ФЭП) чувствительны только для дальней красной области солнечного излучения. В связи с этим 70% солнечного излучения (не активная часть излучения для ФЭП) приходится на видимую или ультрафиолетовую область спектра. Для эффективного использования видимого и ультрафиолетового диапазона солнечного излучения, предлагается использовать люминесцентные преобразователи. С помощью люминесцентных преобразователей можно преобразовать УФ и видимое солнечное излучения в красное свечение, которое эффективно преобразуется в ФЭП в электрическую энергию.
В последние годы в качестве люминесцентных преобразователей предлагается использовать коллоидные квантовые точки (КТ), внедренные в органические полимеры или пористые оксиды металлов. К известным квантовым точкам относяться широкозонные полупроводники CdS, CdSe, CdTe, PbS и др. Эти квантовые точки растворяются в специальном растворе, наносятся на пластины или внедряются в полимерные основы. Спектр поглощения и излучения квантовых точек по спектральным положениям отличаются от моно- или поликристаллического массивного образца.
Например, в работе [1] было показано, что ширина запрещенной зоны (Eg) квантовой точки (КТ) кристалла CdS отличаются от массивного кристалла (2.4 эв) и зависит от размера КТ.
При изменении диаметра квантовой точки от 3,97 нм до 6,1 нм, Eg меняется от 3,02 эВ до 2,66 эВ и соответственно полосы излучения сдвигаются от 600 нм до 450 нм.
Квантовые точки типа ядро-оболочка обладают новыми свойствами и являются привлекательными как с экспериментальной, так и с практической точки зрения. Было показано, что покрытие ядра квантовой точки оболочкой более широкозонного полупроводника приводит к увеличению квантового выхода люминесценций.
В работе [2] сообщается о синтезе хорошо люминесцирующих квантовых точек CdSe/ZnS с размерами ядер CdSe от 2,3 до 5,5 нм. Полученные квантовые точки обладают полосами излучения, которые покрывают большую часть видимого излучения (от 470 до 625 нм), а также высокими квантовыми выходами (30-50% при 300 К).
Таким образом, матрица с квантовыми точками поглощает УФ и видимую часть солнечного излучения и преобразуют его в красное свечение, которое в ФЭПе создают дополнительные электронно-дырочные пары для увеличения КПД преобразователей. Меняя размер ядра в квантовых точках можно будет подобрать необходимую длину волны излучения, для конкретного ФЭПа.
В настоящей работе нами синтезированы и проведены исследования полупроводниковых квантовых точек CdS, CdSe в растворе или внедренного в полимерные матрицы как люминесцентные покрытия для ФЭП.
2. Синтезирование объектов исследования, методика эксперимента
Варьируя условия синтеза, можно получать нанокристаллы CdSe в различной форме. В работе [3] описано получение кристаллов в виде стержней (rod) и тетраподов (кристаллов в форме тетраэдра). Используя одни и те же источники кадмия и теллура (Cd(CH3)2 и 3- н-бутилфосфин селена) и варьируя при этом скорость добавления их смеси в разогретый растворитель 3-н-октилфосфиноксид можно получать как стрежни, так и тетраподов. При введении в реакционную смесь всего рассчитанного объема прекурсоров можно получить частицы в форме стержней, а при постепенном введении образуются частицы тетраподов.
Для улучшения оптических характеристик получаемых коллоидных кристаллов, в литературе широко используется метод синтеза кристаллов типа «ядро-оболочка». Такие частицы можно получить, используя вышеописанные реагенты, а также диметилцинк [4].
Последовательное введение в нагретой 3-н-октилфосфиноксид смеси источников кадмия и селена, а затем цинка и селена позволяет получить кристаллы, ядром которых является CdSe, а оболочкой ZnSe. Было показано, что такой метод позволяет получить сплошное покрытие ZnSe толщиной 6±3 Е, а квантовый выход полученных композитных частиц составил 50%.
В работе [5] описан метод получения квантовых точек теллурида кадмия, в котором теллурсодержащий прекурсор образуется электрохимический. Синтез проводится в электрохимической ячейке, рабочим электродом которой служит теллуровый диск. В качестве ПАВ была использована меркаптоуксусная ксилота. Такой метод позволил получить кристаллические частиц CdTe с размером от 2.0 до 3.5 нм, варьируя время синтеза от 1 до 20 часов. Полученные частицы обладали квантовым выходом (79%), а так же достаточно высокой степенью монодисперсности.
Так же, как и CdSe, нанокристаллы CdTe можно получить не только в виде точек, а также в виде протяженных частиц – стержней и тетраподов. Форму кристаллов можно варьировать, изменяя состав прекурсоров. Частицы CdTe могут быть получены не только в органическом растворителе, как было описано в предыдущих примерах, но также и в водной среде. Для этого в качестве ПАВ необходимо использовать органические молекулы, терминированные полярными группами с обеих сторон. В работе описан метод синтеза квантовых точек CdTe с использованием тиогликолиевой кислоты. Размер полученных частиц составил 3-4 нм, который увеличивался при увеличении времени синтеза [6].
3. Экспериментальные результаты и их обсуждения
Синтезированные нами квантовые точки в специальных растворах или полимерной основе исследовались на предмет применения их для преобразования УФ и видимой части солнечного излучения в красное свечение.
На рисунке 1 представлены спектры поглощения нанокристаллов PbS (кривые 1 и 2), CdTe ( кривая 3 и 4), CdSe (кривая 6). Фундаментальные полосы поглощения для измеренных квантовых точек начинаются от 1,9-2,0 эв до ультрафиолетовой области спектра. Квантовые точки в растворе или на полимерной основе поглощают видимый и УФ спектр солнечного луча и излучает в красной области спектра.
В качестве люминесцентных преобразователей можно использовать различные квантовые точки в растворе, внедренные в полимерные матрицы или пористые оксиды металлов.
Как отмечалось выше, ширина запрещенной зоны квантовой точки CdS, CdSe и CdTe зависит от размера квантовой точки. В основном, квантовые точки излучают в красной или инфракрасной области спектра. При введении квантовых точек в матрицу, где спектр собственного излучения совпадает со спектром возбуждения собственной люминесценции
квантовых точек, энергии эффективно передаются от матрицы к квантовым точкам. Такие системы могут работать, как люминесцентные преобразователи солнечного излучения для полупроводниковых преобразователей на основе кремния.
Рисунок 1.– Спектры поглощения изученных квантовых точек
Нами измерены спектры люминесценции квантовых точек CdS возбужденных ультрафиолетовыми фотонами с длиной волны 320 нм при комнатной температуре. Из рисунка 2 видно, что появляется полоса излучения с максимумом при 638 нм.
Рисунок 2.– Спектр люминесценции квантовых точек CdS
Для этих квантовых точек CdS измерен спектр возбуждения полосы люминесценции 638 нм при комнатной температуре. Из рисунка 3 видно, что максимум широкой полосы возбуждения располагается в ультрафиолетовой и видимой области спектра.
Рисунок 3.– Спектр возбуждения полосы люминесценции 638 нм квантовых точек CdS
На рисунке 4 показан спектр люминесценции квантовых точек CdSe при комнатной температуре при возбуждении ультрафиолетовыми фотонами с длиной волны 380 нм. Из рисунка 4 можно заметить интенсивную полосу свечения с максимумом при 605 нм.
На рисунке 5 приведен спектр возбуждения полосы люминесценции при 605 нм квантовых точек CdSe, внедренного в полимерную основу.
Рисунок 4.– Спектр люминесценции квантовых точек CdSe
Рисунок 5.– Возбуждения полосы люминесценции квантовых точек CdSe внедренного в ПММА
Для сравнения на рисунке 6 показан спектр возбуждения полосы люминесценции при 605 нм квантовых точек CdSe, растворенных в гептане.
Рисунок 6.– спектр возбуждения полосы люминесценции квантовых точек CdSe в гептане
Таким образом, измерен спектр излучения и возбуждения квантовых точек в растворе и полимере. Спектр собственной люминесценций CdS и CdSe находиться в красной области спектра с максимумами при 638 нм и 605 нм, соответственно. Спектр возбуждения системы CdS+гептан, CdSe+гептан и CdSe+полимер, т. е излучения с максимумами 638 нм и 605 нм, находиться в ультрафиолетовой и видимой области спектра. Излучения 638 нм и 605 нм возбуждаются в спектральном диапазоне солнечного излучения, т. е красное излучение с максимумами 638 нм и 605 нм может эффективно возбуждаться солнечным светом.
Мы предполагаем, что система CdS, CdSe+ гептан или CdSe+полимер могут работать в качестве люминесцентного преобразователя солнечного излучения для полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей.
Заключение
В облученных светом квантовых точках CdSe и CdS спектральной области солнечного излучения (УФ и видимой спектральной области) возникает свечение в красной области спектра, которое фотоэлектронным преобразователем создает дополнительные электронно- дырочные пары для увеличения КПД солнечного элемента. Излучение квантовых точек с оболочкой 5-6 раз интенсивнее, чем в квантовых точках без оболочки.
ЛИТЕРАТУРА
1 Фам Тхи Хан Мьен, В. Г Клюев, Нгуен Тхи Ким Чунг Конденсированные среды и межфазные границы, том 13, № 4 . С 515-510. 2011
2 B. O Dabbousi, I. Dpriouer-Viejo, G. V Mikulee, placeI. R. Heine, H. Mattoussi, R Ober, K.
F Iensen, M. A Bawendi. I. Phys Chem b 1997 v.101. p 9463-9475
3 L. Manna, E. C. Sher, and A. P. Alivisatos, “Synthesis of Soluble and Processable Rod-, Arrow-, and Tetrapod-Shaped CdSe Nanocrystals,” J. Am. Chem. Soc.,pp. 1-7, Sep. 2013.
4 M. A. Hines and P. Guyot-Sionnest, “Synthesis and Characterization of Strongly Luminescing ZnS-Capped CdSe Nanocrystals,” J. Phys. Chem.,pp. 1-4, Sep. 1996.
5 Cunwang Ge and H. Ju, “Facile synthesis and application of highly luminescent CdTe guantum dots with an electrogenerated precursor, ” Chemical Communications, pp. 1-3, Jan. 2008.
6 J. Liu, Z. Shi, Y. Yu, R. Yang, and S. Zuo, “Journal of Colloid and Interface Science,” Journal of Colloid And Interface Science vol. 342, no. 2, pp. 278-282. Feb. 2010.
REFERENCE
1 Fam Thi Han M’en, V. G Kljuev, Nguen Thi Kim chung kondensirovannye sredy i mezhfaznye granicy, tom 13, № 4 . S 515-510. 2011
2 B. O Dabbousi, I. Dpriouer-Viejo, G. V Mikulee, placeI. R. Heine, H. Mattoussi, R Ober, K.
F Iensen, M. A Bawendi. I. Phys Chem b 1997 v.101. p 9463-9475
3 L. Manna, E. C. Sher, and A. P. Alivisatos, “Synthesis of Soluble and Processable Rod-, Arrow-, and Tetrapod-Shaped CdSe Nanocrystals,” J. Am. Chem. Soc., pp. 1-7, Sep. 2013.
4 M. A. Hines and P. Guyot-Sionnest, “Synthesis and Characterization of Strongly Luminescing ZnS-Capped CdSe Nanocrystals,” J. Phys. Chem., pp. 1-4, Sep. 1996.
5 Cunwang Ge and H. Ju, “Facile synthesis and application of highly luminescent CdTe guantum dots with an electrogenerated precursor, ” Chemical Communications, pp. 1-3, Jan. 2008.
6 J. Liu, Z. Shi, Y. Yu, R. Yang, and S. Zuo, “Journal of Colloid and Interface Science,” Journal of Colloid And Interface Science vol. 342, no. 2, pp. 278-282. Feb. 2010.
Нурахметов Т.Н., Кутербеков К.А., Темиркулова Н.И., Кайнарбай А.Ж., Садыкова Б., Дауренбеков Д.Х., Губаева А.А., Ташкалиев К., Тлеугабылов О., Дюненбаева Ш., Туркумбаев Ж., Бiрлес А.
Кванттық нүктелердiң негiзiнде жартылайөткiзгiштi түрлендiргiштерге люминесценттi концентраттарының оптикалық сипаттамалары
Мақалада кванттық нүктелердi спектiрлiк әдiспен зертетеу нәтижелерi көрсетiлген. Синтезделген канттық нүктелер ерiтiндiде немесе полимерге енгiзiлген қабыршақ түрiнде зерттеледi. Осындай ораны күн сәулесi шығаратын ультракүлгiн немесе көрiнетiн жарық сәулесiмен қозщдырғанда орта оны түрлендiрiп қызыл жарық түрiнде шығарады. Қызыл жарық фототүрлендiргiште қосымша электрон-кемтiктондық жұп түздiрiп күн элементiнiң пайдалы әсер коэффициентiн жоғарлатады. Кванттық нүктелердiң қабықршақпен сәулеленуi, қабыршақсыз сәулеленумен салыстырғанда 5-6 рет қарқындырақ болатыны тағайындалды.
Түйiндi сөздер:кванттық нүктелер, ФЭТ, люминесценттi түрлендiргiш, нанокристаллдар
Nurakhmetov T.N., Kuterbekov K.A., Temirkulova N.I., Kainarbay A. Zh., Sadykova B., Daurenbekov D.H., Gubayeva A. A., Tashkaliev K., Tleugabylov O., Dyunenbayeva Sh., Turkumbayev Zh., Birles A.
Optical characteristics of fluorescent concentrates based on quantum dots for semiconductor converters This article presents the results of spectral research of quantum dots . Quantum dots synthesized by us in special polymer- based solutions or studied for their application to convert the UV and visible part of the solar radiation in the red glow. The results showed that quantum dots in solution or polymer-based absorb visible and ultraviolet solar radiation spectrum and emits in the red region of the spectrum, which FEPe create additional electron- hole pairs to increase the efficiency of photoelectric converters. The emission of quantum dots coated with 5-6 times more intense than in quantum dots without the shell.
Keywords:quantum dots, photoelectric converters, fluorescent converter, nanocrystals.
Поступила в редакцию 15.10.13 Рекомендована к печати 30.10.13
Об авторах:
Нурахметов Т. Н. - д.ф.-м.н., профессор кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Кутербеков К. А.- д.ф.-м.н., профессор международной кафедры ядерной физики новых материалов и технологии, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Темиркулова Н.И.- к.п.н., доцент кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Кайнарбай А. Ж. - к.ф.-м.н., и.о доцент кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Садыкова Б.- старший преподаватель кафедры технической физики, физико-технического факультета ЕНУ им.
Л. Н. Гумилева
Дауренбеков Д. Х. - докторант 1 курса кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Губаева А. А.- магистрант 2 курса кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Ташкалиев К.- магистрант 1 курса кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Тлеугабылов О. - магистрант 1 курса кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Дюненбаева Ш. - магистрант 1 курса кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Туркумбаев Ж. - магистрант 1 курса кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
Бiрлес А. - магистрант 1 курса кафедры технической физики, физико-технического факультета Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева
