深圳大学李秀婷团队：利用电化学方法研究量子点的液相配体交换过程
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近日，深圳大学高等研究院李秀婷研究员课题组在国际知名期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》（影响因子：6.795，中科院JCR一区）上发表一篇题为“Probing Dynamics of Lead(II) Sulfide Quantum Dots in Solution Ligand Exchange by Voltammetry” 的研究论文。高等研究院的李秀婷研究员是该论文的唯一通讯作者，第一作者为深圳大学高等研究院本科生陈婕。
图一 PbS-OA和PbS-PbI2的TEM图、示意图以及两者的典型循环伏安图。
作为零维半导体纳米粒子，量子点（QDs）具有广泛的尺寸可调性、易于溶液工艺制造以及良好的抗湿气和抗氧稳定性，这些特性使得量子点在光电应用方面，如光伏发电、发光二极管、光电探测器、激光等，显示出了巨大的潜力。其中，硫化铅量子点（PbS QDs）凭借其较高的能量转换效率成为一种极具前景的光伏材料。目前，大部分合成的硫化铅量子点都被不同种类的有机长链配体（尤其是油酸）钝化，以保持其稳定性，但长链配体不利于提高量子点的载流子迁移率，在实际应用中需要通过配体交换过程将有机长链替换成较短的配体。另一方面，光电器件的大规模制造要求配体交换过程在液体中快速完成，以获得通过单步沉积得到的可直接使用的量子点墨水，从而最大限度地减少材料的浪费。以铵盐和卤素配体为基础的改进方法已经取得了进展，但其实现的具体机理和最优配体比例尚不清楚。
本研究利用电化学方法研究量子点的液相配体交换过程。实验所得的循环伏安图显示，配体交换后的硫化铅量子点表面的碘化铅的Pb(II)和核心硫化铅的Pb(II)有着不同的还原峰。这是第一个直接证据表明经过配体交换的硫化铅量子点形成了核-壳结构。和其他传统的表征方法相比，普通透射电镜没有足够的分辨率来区分如此薄的配体层，XPS显示的是间接的内轨道结合能，其他成分分析手段只能给出平均结果。而本文提出的电化学方法将成为研究和调整量子点表面电化学的有力工具。
对于受静电平衡影响的液相配体交换过程，配体/量子点的比例被认为是确保高质量和稳定量子点墨水的关键。本文采用循环伏安法（CV）、X射线光电发射光谱（XPS）和紫外-可见吸收光谱（UV-vis）对PbS-OA量子点和在不同浓度PbI2下制备的PbS-PbI2量子点进行了研究。研究表明，当配体交换过程中的配体浓度低于一定值，量子点的钝化质量随着配体浓度的增加而提高。而超过此特定值，过高的配体浓度会导致多余配体通过阴离子交换过程侵蚀量子点，导致量子点的稳定性下降，甚至进一步导致量子点的分解。通过此项研究确定的最佳配体/量子点比例有助于提高量子点墨水的稳定性，这不仅有利于降低量子点应用成本，扩大量子点应用范围，更有望提高相关应用中太阳能光子的转换效率或荧光效率。更重要的是，这项工作为拓展量子点的应用开辟了新的途径，如制备具有广泛的应用前景的水性量子点墨水。
此项研究得到了深圳大学自然科学基金项目、广东省区域联合基金项目和国家自然科学基金项目的资助，深圳大学为第一完成单位。
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