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日本电气通信大学:GO/PbS量子点墨水提升胶体量子点太阳能电池性能
nanomicrolett 2020-8-7 19:24
Surface ‑ Modified Graphene Oxide/Lead Sulfide Hybrid Film ‑ Forming Ink for High ‑ Efficiency Bulk Nano ‑ Heterojunction Colloidal Quantum Dot Solar Cells Yaohong Zhang, Guohua Wu*, Chao Ding, Feng Liu, Dong Liu, Taizo Masuda, Kenji Yoshino, Shuzi Hayase, Ruixiang Wang*, Qing Shen* Nano‑Micro Lett.(2020) 12:111 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00448-8 本文亮点 1. 首次将丁胺修饰的氧化石墨烯(BTA@GO)用于PbS胶体量子点(CQDs)油墨中,制备 胶体量子点太阳能电池的活性层 。 2. BTA@GO提高了CQDs活性层的 载流子迁移速率 ,实现了11.7%的转换效率。 研究背景 半导体胶体量子点(CQDs)因其随尺寸变化的带隙可调性、易于解决的可制造性和多激子产生效应,在下一代光伏应用中备受关注。胶体量子点太阳能电池(CQDSCs)的光伏性能通过CQDs表面配体修饰、器件结构优化、活性层沉积工程在过去几年得到了显著改善。为了获得稳定的高性能硫化铅基CQDSCs,需要在PbS胶体量子点活性层中有高的载流子迁移率和低的非辐射复合中心密度。 内容简介 日本电气通信大学沈青教授课题组等首次将丁胺修饰氧化石墨烯(BTA@GO)用于PbS-PbX 2 (X = I – ,Br – )胶体量子点(CQDs)墨水,采用一步旋转涂覆法沉积制备胶体量子点太阳能电池的活性层,有效提高了PbS胶体量子点层的载流子迁移率。这种表面处理既保持了氧化石墨烯固有的优良的孔转移特性,又降低了氧化石墨烯的亲水性,使其在油墨溶剂中具有良好的分散性能。在CQDs层中引入BTA@GO可以构建块状纳米异质结结构,提供顺畅的载流子传输通道,从而提高载流子迁移率和电导率,延长载流子寿命,降低PbS-PbX 2 的复合中心密度。最后,基于BTA@GO/PbS-PbX 2 复合CQDs薄膜的大面积(0.35 cm 2 ) 胶体量子点太阳能电池的功率转换效率为11.7%,比对比装置提高了23.1%。 图文导读 I BTA@GO/PbS-PbX 2 混合胶体量子点墨水的制备 为了有效分散氧化石墨烯薄片,首先使用丁胺对氧化石墨烯薄片表面进行化学修饰,得到分散均匀的BTA@GO/PbS胶体量子点墨水。如图1a所示,GO表面含羧基和羟基等官能团,其中羧基很容易与丁胺中的氨基单元反应,生成稳定的BTA@GO溶液。图1c中FTIR光谱可以观察到GO与丁胺之间发生的化学变化。通过样品的TEM图像对比可以看出,与PbS-OA CQD相比,溶液态配体交换后PbS-PbX 2 CQD的CQD-CQD距离变窄。 图1.(a)GO的化学结构及BTA@GO形成机理;(b)BTA@GO溶液照片;(c)FTIR光谱;(d-f)PbS-OA胶体量子点,BTA@GO和PbS-PbX 2 胶体量子点与BTA@GO复合后的TEM照片。 II 光产生载流子BTA@GO/PbS-PbX 2 混合CQDs薄膜上的迁移 为研究BTA@GO与PbS-PbX 2 CQDs和PbS-EDT CQDs的能级匹配度,利用PYS法测量PbS-PbX 2 CQDs和BTA@GO的最高占据分子轨道(HOMO)位置。用BTA@GO溶液沉积的薄膜呈深棕色,这主要是氧化石墨烯表面官能团变化引起的。经丁胺化学处理后,GO上原有的羧基可以转化为新的酰胺类基团,这红外光谱结果相符。这种变化不仅影响颜色,同时也影响它的HOMO位置。H 2 O@GO和BTA@GO的HOMO位置值分别为−5.22 eV和−5.19 eV。PbS-PbX 2 CQDs和PbS-EDT CQDs的HOMO位值分别为−5.49 eV和−5.04 eV。这意味着靠近BTA@GO层的PbS-PbX 2 CQDs中的光生空穴倾向于从PbS-PbX 2 CQDs注入到BTA@GO中,并最终通过GO层快速传输到PbS-EDT CQDs。而在远离BTA@GO的PbS-PbX 2 CQDs层中的光生空穴在层中缓慢扩散最终迁移到PbS-PbX 2 /PbS-EDT的界面。BTA@GO的光带隙约为1.85 eV,计算出的BTA@GO的LUMO能级为−3.34 eV,远高于PbS-PbX 2 CQDs的LUMO位置。这种高能势垒可以抑制光生电子从PbS-PbX 2 CQDs向BTA@GO注入。在太阳能电池器件内内置电场的驱动下,PbS-PbX 2 CQDs层中的电子向电子收集层移动。然后,通过使用时间分辨光谱法证实PbS-PbX 2 和BTA@GO/PbS-PbX 2 CQD固体薄膜的光激发载流子转移。 图2.(a)BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs薄膜的电荷传输过程示意图;(b)TiO 2 ,PbS-PbX 2 CQDs, BTA@GO, PbS-EDT CQDs和Au的能级示意图。 从PbS-OA,PbSPbX 2 和BTA@GO/PbS-PbX 2 CQD薄膜的时间分辨光谱和基态吸收光谱中可以明显地观察到,在PbS-OACQDs的930 nm (1.33 eV)附近,时间分辨光谱漂白峰和基态吸收峰都对应于CQDs中的最低能激子。使用CQD油墨溶液配位体交换后制备的CQD薄膜,由于薄膜中CQD-CQD间距缩小且PbSCQD之间的耦合效应增强导致PbS-PbX 2 CQDs和BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs的时间分辨光谱漂白峰和基态吸收峰略有红移到970 nm。图3d中,与PbS-OA CQDs进行比较PbS-PbX 2 CQDs和BTA@GO薄膜可以观察到明显快速的时间分辨光谱漂白信号衰减,快速的时间分辨光谱漂白信号衰减表明CQD薄膜中发生了载流子迁移。 图3.PbS-OA CQDs膜、PbS-PbX 2 CQDs膜和BTA@GO/PbS-PbX 2 混合CQDs膜的时间分辨衰变比较. (a-c)PbS-OA, PbS-PbX 2 和BTA@GO/PbS-PbX 2 CQD薄膜的时间分辨光谱和基态吸收光谱;(b)PbS-OA, PbS-PbX 2 和BTA@GO/PbS-PbX 2 CQD薄膜的归一化吸收变化。 此外,采用空间电荷限制电流(SCLC)方法对CQDs膜的载流子迁移率和陷阱密度进行了评估。如图4a、b所示,SCLC测量得到典型的暗电流密度-电压( J-V )曲线可分为三个区域:高偏置电压下的Child区( J ∝ V 2 ),低偏置电压下的欧姆线性区( J ∝ V ),以及介于两者之间的非线性陷阱填充区。BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs膜的空穴迁移率为0.0030 cm 2 /V/s相比PbS-PbX 2 CQDs薄膜的空穴迁移率0.0023 cm 2 /V/s提高了约30%。引入BTA@GO可以更有效地提高CQDs膜中的空穴迁移率。由于BTA@GO可以引入额外的电荷传输通道,BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs薄膜表现出比PbS-PbX 2 CQDs薄膜更高的载流子迁移率,与时间分辨光谱测量结果一致。 图4. 基于PbS-PbX 2 CQDs薄膜的单孔器件的暗 J – V 曲线. (a)不含BTA@GO,(b)含BTA@GO;(c)PbS-PbX 2 CQDs薄膜和BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs薄膜的归一化μ-PCD衰减曲线。 III BTA@GO/PbS – PbX 2 CQDs薄膜太阳能电池的光伏性能 在BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs薄膜中,有效的载流子转移、增强的载流子迁移率和电导率,以及延长的自由载流子寿命,有助于深入了解CQDSCs的光伏性能。如图5a所示,使用BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs墨水设计制备块体纳米异质结器件FTO/TiO 2 /BTA@GO@PbS-PbX 2 /PbS-EDT/Au。图5b为该装置的扫描电镜横截面图。使用BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs薄膜装置的PCE为11.7%, J SC 、 V OC 和FF分别为33.9 mA cm −2 ,0.622 V和55.5%,且器件中没有磁滞现象。与用PbS-PbX 2 CQDs薄膜的装置进行了比较,该对比装置PCE为9.5%,BTA@GO/PbS-PbX2CQDs薄膜的 J SC 、 V OC 和FF性能参数均增长23%。因此,相比基于PbS-PbX 2 CQDs薄膜,BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs薄膜具有更快的电荷传输速率、更大的载流子迁移率和更高的载流子提取效率。 图5. (a)基于BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDs的块体纳米异质结器结构示意图;(b)CQDSCs装置的横截面SEM图像;(c)CQDSCs的 J – V 曲线;(d)BTA@GO/PbS-PbX 2 CQDSCs的IPCE谱图和 J SC 曲线;(e)不同GO含量的PbS-PbX 2 CQDSCs器件PCEs的统计分布;(f)不同CQD墨水浓度的PbS-PbX 2 CQDSCs器件PCEs的统计分布。 作者简介 Prof. Shen Qing 本文通讯作者 日本电气通信大学 情报理工学研究科 ▍ 主要研究领域 金属氧化物衬底和半导体量子点;提升量子点太阳能电池的光电转换效率的原理。 ▍ Email: shen@pc.uec.ac.jp 撰稿:《纳微快报》编辑部 编辑:《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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氢碘酸添加剂:提升PbS量子点光伏器件性能
nanomicrolett 2020-3-18 21:24
Hydroiodic Acid Additive Enhanced the Performance and Stability of PbS‑QDs Solar Cells via Suppressing Hydroxyl Ligand Xiaokun Yang, Ji Yang, Jahangeer Khan, Hui Deng, Shengjie Yuan, Jian Zhang, Yong Xia, Feng Deng, Xue Zhou, Farooq Umar, Zhixin Jin, Haisheng Song*, Chun Cheng*, Mohamed Sabry, Jiang Tang Nano-Micro Lett.(2020)12:37 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0372-z 本文亮点 1 将 氢碘酸作为添加剂 引入硫化铅量子点墨水工艺中,极大地抑制了量子点表面的羟基基团,提升了碘配体的表面钝化效果,同时改善了器件稳定性。 2 摸索了氢碘酸添加剂处理硫化铅量子点电池的 最适条件 ,实现了0.65 V和10.78%的开路电压和光电转换效率。 3 探究了氢碘酸添加剂提升硫化铅量子点光伏器件性能的物理机制,定量计算了氢碘酸处理前后器件的 缺陷浓度 。 研究背景 硫化铅胶体量子点是一种新兴的第三代光伏电池材料,具有制备工艺简便,制作成本低廉,光电特性优异且灵活可调的优势,其在光电器件规模化应用中具有巨大潜能。硫化铅胶体量子点合成过程中会在其表面引入大量的羟基(OH)基团,相关研究证明该基团会在硫化铅量子点能隙中引入缺陷能级,形成载流子复合中心,从而限制其光电器件性能的充分发挥。因此,如何消除或抑制硫化铅量子点中该固有缺陷基团十分重要。 内容简介 华中科技大学宋海胜教授团队和南方科技大学程春副教授团队系统地研究了将氢碘酸作为添加剂引入到硫化铅量子点墨水法中的化学过程,发现氢碘酸中的氢离子(H + )可以与其表面的羟基基团(OH – )发生中和反应,同时氢碘酸中的碘离子(I – )与量子点表面未成键的铅原子结合形成配位键,从而实现了量子点表面抑制羟基基团和增强碘配体钝化的双重效果。 通过材料表征发现,添加了氢碘酸的硫化铅量子点( E g = 1.4 eV),所制得的量子点荧光强度更强(量子点溶液中PLQY从13.79%提升到17.94%),薄膜的载流子迁移率得到提升(从1.9×10 -3 提升到5.27×10 -3 cm 2 V -1 )。通过器件物理表征发现,添加氢碘酸后,硫化铅量子点的体内缺陷被抑制,氧化锌-硫化铅的异质结质量得到改善,采用变温电容-电压和驱动能级电容测试手段对处理前后的缺陷浓度进行了定量计算(从~5×10 15 降低到~1.5×10 15 )。发现进一步抑制硫化铅量子点表面缺陷,增强表面碘钝化,减少载流子复合损失,可以有效提升光伏器件性能和稳定性。 本工作可以有效解决硫化铅量子点表面固有缺陷基团——羟基带来的不利影响,且该方法与现有墨水法工艺相互兼容,对其它量子点体系中的相关问题和产业化应用提供了有价值的指导。 图文导读 I 硫化铅量子点液相交换示意图和材料表征 如图1,在常规的量子点墨水工艺中,初始的硫化铅量子点(PbS-QDs)分散于正辛烷中,而碘化铅(PbI 2 )配体溶解于DMF溶剂中,将两种溶液混合后,会发生液相分层现象,将混合溶液振荡数分钟后,完成液相交换。此时,PbS-QDs会从正辛烷中转移到DMF相中,形成PbI 2 -PbS QDs,量子点表面的配体由初始大量的油酸(OA)和羟基(OH)转变为碘离子配体和部分羟基。在引入氢碘酸(HI)添加剂的PbI 2 -HI-PbS QDs实验组中,OH被氢碘酸的H + 消耗,其中的I – 将键合未配位的Pb原子。 图1 (a) PbS-QDs液相交换示意图;(b)PbS-QDs溶液体系中引入HI前后的PbS-QDs表面配体环境。 将配体交换后的PbS-QDs溶液旋涂制备成薄膜,对两种薄膜进行X射线光电子能谱(XPS)测试(图2),从薄膜样品的O1s峰和I 3d峰的分峰信息可知,我们发现添加了氢碘酸的量子点(w/HI PbS)薄膜比未添加PbS-QDs(w/o HI PbS)有更弱的羟基信号,而碘配体信号得到增强。 图2 (a-c) 两种PbS-QDs表面的XPS图谱的O 1 s 信号;(d-f)两种PbS-QDs表面的XPS图谱的I 3 d 信号。 II 硫化铅量子点器件性能表征 PbS-QDs太阳能电池器件结构如图3(a)所示,从图3(b)我们知道HI处理后的w/HI-PbS器件的 V oc , J sc ,FF都得到相应提升,实现了13%左右的性能提升,最终能量转化效率达到10.78%,且其器件的整体转化效率优于未用HI处理的w/o HI-PbS器件(图3d)。如图4,我们探究了不同PbI 2 :HI摩尔比例下的PbS-QDs器件性能,当HI添加剂的量为PbI 2 的2%时取得最佳器件性能。 图3 (a) PbS-QDs太阳能电池的SEM截面图;(b-d) 两种PbS-QDs太阳能电池的器件性能。 图4 分别为PbS-QDs太阳能电池在不同HI添加量下的 V oc , J sc , FF, PCE性能分布盒装图。 III 硫化铅量子点器件物理表征 经过系列器件物理表征,如图5-6所示,我们发现,用HI处理的w/HI-PbS器件其体内和界面缺陷得到一定程度地抑制,从而降低了载流子复合,增强了载流子传输,最终实现了PbS-QDs太阳能电池的器件性能提升。 图5 两种处理下的PbS-QDs太阳能电池的(a) 随温度依赖的 V oc 曲线图;(b) 随光强依赖的 J sc 曲线;(c) 随光强依赖的 V oc 曲线;(d) 瞬态光开压曲线;(d) 瞬态光电流曲线;(f) 电容-电压和驱动能级电容曲线。 图6 PbS-QDs太阳能电池在不同缺陷浓度条件下的(a) 模拟能带图和(b) J-V曲线图;(c) 两种处理工艺下的PbS-QDs器件的光生载流子传输示意图。 作者简介 宋海胜 华中科技大学,武汉光电国家研究中心 教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 新型化合物薄膜太阳能电池、量子点红外探测器、后硅微纳光电晶体管等研究方向。 ▍ 主要研究成果 课题组已有多篇相关方向的代表性研究工作( Nature Energy, Advanced Materials,Advanced Energy Materials, Nano letter, ACS Nano etc. ) 。 ▍ Email: songhs-wnlo@mail.hust.edu.cn 程春 南方科技大学材料科学与工程系 副教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 智能材料、能源材料、二维无机柔性电子材料与器件等研究方向。 ▍ 主要研究成果 课题组已有多篇相关方向的代表性研究工作(Nature Communications, Nano Letter, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society, Journal of Materials Chemistry A etc.)。 ▍ Email: chengc@sustc.edu.cn (C. Cheng) 唐江 华中科技大学,武汉光电国家研究中心 教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 硒化锑薄膜太阳能电池、量子点太阳能电池和红外光电探测器、非铅钙钛矿单晶X射线探测器、非铅钙钛矿量子点和电致发光器件等研究方向。 ▍ 主要研究成果 课题组已有多篇相关方向的代表性研究工作(Nature, Nature Energy, Nature Photonics, NatureMaterials, Nature Communications etc.)。 ▍ Email: jtang@mail.hust.edu.cn 撰稿:原文作者 编辑:《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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究人员测量了低成本半导体近乎完美的性能
zhpd55 2019-3-17 09:29
研究人员测量了低成本半导体近乎完美的性能 诸平 据 斯坦福大学 (Stanford University) 2019年3月15日提供的信息,该大学的研究人员开发出一种测量技术,测量了低成本半导体近乎完美的性能。 在太阳能电池板、相机传感器和医学成像工具中发现的先进电子产品中,被称为量子点的微小、易于生产的粒子,很可能很快就会取代更昂贵的单晶半导体。尽管量子点已经开始以量子点电视的形式进入消费市场,但长期以来,量子点电视的质量一直存在不确定性,阻碍了其发展。现在,斯坦福大学的研究人员开发的一种新的测量技术可能最终会消除这些疑虑。 斯坦福大学化学研究生戴维·哈尼菲(David Hanifi)说:“传统半导体是单晶,在真空中特殊条件下生长。我们可以在实验室里的烧瓶中大量制造量子点,我们已经证明它们和最好的单晶一样好。” 研究人员专注于量子点如何有效地重新发射它们所吸收的光,这是衡量半导体质量的一个指标。虽然之前对量子点效率的研究暗示了量子点的高性能,但这是第一个自信地证明量子点可以与单晶竞争的测量方法。这项研究是美国斯坦福大学 (Stanford University) 、劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)、加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley), 日本有关公司(High Performance Materials Company, JXTG Nippon Oil Energy Corporation)、比利时哈瑟尔特大学(Hasselt University)、荷兰埃因霍温理工大学(Eindhoven University of Technology)以及美国的卡佛利能源纳米科学研究所(Kavli Energy NanoScience Institute)合作完成的,相关研究结果,2019年3月15日已经在《科学》(Science)杂志网站发表——David A. Hanifi, Noah D. Bronstein, Brent A. Koscher, Zach Nett, Joseph K. Swabeck, Kaori Takano, Adam M. Schwartzberg, Lorenzo Maserati, Koen Vandewal, Yoeri van de Burgt, Alberto Salleo, A. Paul Alivisatos. Redefining near-unity luminescence in quantum dots with photothermal threshold quantum yield. Science , 15 Mar 2019: Vol. 363, Issue 6432, pp. 1199-1202. DOI: 10.1126/science.aat3803 加州大学伯克利分校的纳米科学和纳米技术的三星特聘教授,量子点的先驱研究者 Paul Alivisatos,也是论文的通讯作者,他强调了此测量技术如何能够引领新技术和新材料的发展,而这些新技术和新材料要求我们在很大程度上了解半导体的效率。 “这些材料的效率如此之高,以至于现有的测量无法量化它们到底有多好。这是一个巨大的飞跃。“也许有一天,它可以应用于需要发光效率远高于99%的材料的应用,而这些材料中的大多数还没有被发明出来。”更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道 Between 99 and 100 Being able to forego the need for pricey fabrication equipment isn't the only advantage of quantum dots. Even prior to this work, there were signs that quantum dots could approach or surpass the performance of some of the best crystals. They are also highly customizable. Changing their size changes the wavelength of light they emit, a useful feature for color-based applications such as tagging biological samples, TVs or computer monitors. Despite these positive qualities, the small size of quantum dots means that it may take billions of them to do the work of one large, perfect single crystal. Making so many of these quantum dots means more chances for something to grow incorrectly, more chances for a defect that can hamper performance. Techniques that measure the quality of other semiconductors previously suggested quantum dots emit over 99 percent of the light they absorb but that was not enough to answer questions about their potential for defects. To do this, the researchers needed a measurement technique better suited to precisely evaluating these particles. We want to measure emission efficiencies in the realm of 99.9 to 99.999 percent because, if semiconductors are able to reemit as light every photon they absorb, you can do really fun science and make devices that haven't existed before, said Hanifi. The researchers' technique involved checking for excess heat produced by energized quantum dots, rather than only assessing light emission because excess heat is a signature of inefficient emission. This technique, commonly used for other materials, had never been applied to measure quantum dots in this way and it was 100 times more precise than what others have used in the past. They found that groups of quantum dots reliably emitted about 99.6 percent of the light they absorbed (with a potential error of 0.2 percent in either direction), which is comparable to the best single-crystal emissions. It was surprising that a film with many potential defects is as good as the most perfect semiconductor you can make, said Salleo, who is co-author of the paper. Contrary to concerns, the results suggest that the quantum dots are strikingly defect-tolerant. The measurement technique is also the first to firmly resolve how different quantum dot structures compare to each other—quantum dots with precisely eight atomic layers of a special coating material emitted light the fastest, an indicator of superior quality. The shape of those dots should guide the design for new light-emitting materials, said Alivisatos. Entirely new technologies This research is part of a collection of projects within a Department of Energy-funded Energy Frontier Research Center, called Photonics at Thermodynamic Limits. Led by Jennifer Dionne, associate professor of materials science and engineering at Stanford, the center's goal is to create optical materials—materials that affect the flow of light—with the highest possible efficiencies. A next step in this project is developing even more precise measurements. If the researchers can determine that these materials reach efficiencies at or above 99.999 percent, that opens up the possibility for technologies we've never seen before. These could include new glowing dyes to enhance our ability to look at biology at the atomic scale, luminescent cooling and luminescent solar concentrators, which allow a relatively small set of solar cells to take in energy from a large area of solar radiation. All this being said, the measurements they've already established are a milestone of their own, likely to encourage a more immediate boost in quantum dot research and applications. People working on these quantum dot materials have thought for more than a decade that dots could be as efficient as single crystal materials , said Hanifi, and now we finally have proof. Superefficient light emission A challenge to improving synthesis methods for superefficient light-emitting semiconductor nanoparticles is that current analytical methods cannot measure efficiencies above 99%. Hanifi et al. used photothermal deflection spectroscopy to measure very small nonradiative decay components in quantum dot photoluminescence. The method allowed them to tune the synthesis of CdSe/CdS quantum dots so that the external luminescent efficiencies exceeded 99.5%. This is important for applications that require an absolute minimum amount of photon energy to be lost as heat, such as photovoltaic luminescent concentrators. Science , this issue p. 1199 Abstract A variety of optical applications rely on the absorption and reemission of light. The quantum yield of this process often plays an essential role. When the quantum yield deviates from unity by significantly less than 1%, applications such as luminescent concentrators and optical refrigerators become possible. To evaluate such high performance, we develop a measurement technique for luminescence efficiency with sufficient accuracy below one part per thousand. Photothermal threshold quantum yield is based on the quantization of light to minimize overall measurement uncertainty. This technique is used to guide a procedure capable of making ensembles of near-unity emitting cadmium selenide/cadmium sulfide (CdSe/CdS) core-shell quantum dots. We obtain a photothermal threshold quantum yield luminescence efficiency of 99.6 ± 0.2%, indicating nearly complete suppression of nonradiative decay channels.
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从茶叶中提取的纳米颗粒破坏肺癌细胞达80%(附原文)
热度 4 zhpd55 2018-5-22 19:04
从茶叶中提取的纳米颗粒破坏肺癌细胞达80%(附原文) 诸平 至于茶的历史,在中国至少有 2000 余年之久。茶树,这一古老的经济作物,在中国古代文献中,称为“南方之嘉术” ( 见唐·陆羽《茶经》 ) 。按唐人陆羽的《茶经》所述:「其名有五,一荼,二槚,三蔎,四茗,五荈」,这是说「荼、槚、蔎、茗、荈」这五个名字,指的是一个东西。在查阅《尔雅》对照这几个汉字的意思的同时,也会得出同样的结果。而「荼」这个东西,在诗经中就有记载,如果这样计算,中国茶史则至少有着两千年的历史。但是「荼」和我们现在所说的「茶」是截然不同的两种东西,早期的「荼」更像是一种提神解酒的药物,而非现在常见之饮料,若非病人,谁拿药汤当水喝 ? 像多数药材一样,「荼」最初来自野生的植物,毫无口感可言。虽然难喝,也是稀罕之物,还是有人好这一口。晋之司徒王蒙不仅自己爱喝,还爱强迫别人喝,搞得人们都不敢去他家里做客,这王蒙炮制的茶汤一度被称为「水厄」,传为笑谈。可见,这个「荼」并不是「茶」这样的流行饮料。因此据《 茶叶古代从药用到饮用历史及发展 》,秦汉时期,茶并非普通百姓的日常饮品,而是更多地以其药用效果出现在人们的生活中。据史料记载,到了三国时期,茶开始在王室贵族等上层社会流行。两晋和南北朝时期,茶作为药用还是饮用,因南北地域和习俗的不同,而经历了一段具有南北差异的过渡期。由于茶叶原产自云南、四川等地,南方饮茶习俗较北方成熟略早。南下的中原贵族逐渐适应了南方的饮茶文化,喜欢上了饮茶。而东晋南渡之初,北伐志士刘琨在信中写道:“前得安州干姜一斤,桂一斤,黄芩一斤,皆所须也。吾体中溃闷,常仰真茶,汝可置之。”可见,北方士族还将茶视为药。更多信息可以参考《 中国的茶叶究竟从何时开始 》。 据斯温西大学( Swansea University ) 2018 年 5 月 21 日提供的消息,该大学的研究人员从茶叶中提取的纳米颗粒会破坏肺癌细胞, 毁坏率高达 80% ,显示出量子点的巨大的潜力。这无疑对于我国产茶区和茶叶新用途提供了一条利好消息,开辟了另一条茶叶消费的新途径。 从宏观物体足球、头发到微观量子点的大小尺寸比较见图 1 所示。 Fig. 1 A size comparison in nanometres of a football, human hair and quantum dots, which are less than 10 nanometres. Credit: S Pitchaimuthu, Swansea University 由英国斯温西大学和印度研究小组共同开展的一项新研究显示,从茶叶中提取的纳米颗粒可以抑制肺癌细胞的生长,对于肺癌细胞的破坏高达 80% 。研究小组在测试一种新方法的时候发现了一种叫做量子点的纳米粒子。这些微小颗粒的尺寸小于 10 nm 。而人的头发直径大约是 4 万纳米( 4000 nm )。尽管纳米颗粒已经在医疗保健中使用,但量子点最近才引起了研究人员的注意。它们已经在不同的应用中表现出了希望,从电脑和太阳能电池到肿瘤成像和治疗癌症等不同领域都展现出良好的应用前景。然而,如果通过化学方法而得到的量子点,不仅过程复杂、成本昂贵,而且具有毒性副作用。因此,斯温西大学领导的研究小组正在探索一种无毒的植物替代方法,利用茶叶萃取物来制造这些量子点。 茶叶作为保健品之一,饮用历史悠久。主要是因为茶叶中含有多种多样的化合物,包括多酚类化合物、氨基酸、维生素和抗氧化剂等对于人体健康有益的化合物。斯温西大学的研究人员将茶叶提取物与硫酸镉 ( CdSO 4 )和硫化钠( Na 2 S ) 混合在一起,让此溶液孵化,这一过程会导致量子点的形成。然后他们把这些量子点应用到肺癌细胞上。 他们发现 : ( 1 )与使用化学物质形成量子点的其他方法相比,茶叶是一种更简单、更便宜、毒性更小的生产量子点的方法。( 2 )从茶叶中产生的量子点可以抑制肺癌细胞的生长。( 3 )它们侵入癌细胞的纳米孔,并摧毁了其中的 80% 。对于研究者来讲,这是一个令人惊喜的全新的发现。 这项研究成果在《应用纳米材料》( Applied Nano Materials )发表(见文末附件)—— Kavitha Shivaji, Suganya Mani, Ponnusamy Ponmurugan, Catherine S. De Castro, Matthew Lloyd Davies, Mythili Gnanamangai Balasubramanian, and Sudhagar Pitchaimuthu. Green Synthesis Derived CdS Quantum Dots Using Tea Leaf Extract: Antimicrobial, Bioimaging and Therapeutic Applications in Lung Cancer Cell. ACS Appl. Nano Mater., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acsanm.8b00147 • Publication Date (Web): 09 Mar 2018.这 是斯温西大学的专家和来自两所印度大学的同事合作完成的。从茶叶中提取的纳米颗粒会破坏肺癌细胞:量子点具有巨大的潜力。 Fig. 2 Microscope images of A549 lung cancer cell; left = untreated; right = treated with quantum dots. Credit: Swansea University 图 2 是斯温西大学提供的 A549 肺癌细胞的显微镜图像照片。左边照片是未经处理的,而右边的照片是用量子点处理过的。斯温西大学的 Sudhagar Pitchaimuthu 博士是该项目的首席研究员,也是一名 “ 辛鲁 -II” 新星 ( Ser Cymru-II Rising Star Fellow ) , 他说: “ 我们的研究证实了之前的证据,即茶叶提取物可以成为使用化学物质制造量子点的无毒替代品。然而,真正令人惊讶的是这些小点积极地抑制了肺癌细胞的生长。我们没有预料到这一点。与传统的 CdS 纳米颗粒相比,茶叶提取物中提取的 CdS 量子点在癌细胞生物成像中表现出异常的荧光。因此,量子点是探索新癌症治疗方法的一种很有前途的途径。它们也有其他可能的应用,例如在手术室或防晒霜中使用的抗菌涂料。 ” Sudhagar Pitchaimuthu 博士概述了未来的研究计划: “ 在这个令人兴奋的发现的基础上,希望在其他合作者的帮助下,进一步扩大我们的研究范围。我们将研究茶叶提取物在癌症细胞成像中的作用,以及量子点与癌细胞之间的界面。我们希望建立一个 “ 量子点工厂 ” ,让我们能够更全面地探索它们的使用方式。 ” 其他合作者包括来自印度的 K. S. Rangasamy 技术学院( K. S. Rangasamy College of Technology, India ) 和印度的巴拉特大学( Bharathiar University, India )的研究人员。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。 Green Synthesis Derived CdS Quantum Dots Using Tea Leaf Extract.pdf
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单层MoS2量子点的新颖合成方法
wzhong 2017-10-18 15:37
单层 MoS 2 量子点的新颖合成方法 钟伟 2017-10-18 MoS 2 纳米片作为一种重要的类石墨烯半导体二维材料,优异的物理、化学性质使其在众多领域具有广泛的潜在应用,因此引起人们极大的研究兴趣。在众多的制备方法中,超声液相剥离法操作简单,制备条件要求不高,而且剥离后能很好的保持材料原本的晶体结构,是最有希望实现大规模工业生产的一种制备方法。 超声液相剥离法是以 MoS 2 粉体为原料,在合适的溶剂中,通过调节超声参数产生较强的空化效应,对块体 MoS 2 进行剥离和分散从而获得 MoS 2 纳米片的方法。我们采用 南京先欧科技公司( ATPIO ) 生产的超声微波协同反应工作站( XO-SM50 ), 研究了不同的超声功率对块体 MoS 2 剥离程度及纳米片质量的影响(图1)。 Fig. 1Dispersions of MoS2 prepared with different ultrasonic power intensities. (a)UV-vis absorption spectra of MoS2 dispersions in NMP prepared with 100, 200,250, 285, 320, 350 and 400 W, respectively. In all the cases, the spectra areshown as measured absorbance, A, divided by cell length, l. Inset in (a) showsthe same spectra on a log–log scale. A straight dash line in the highwavelength region of this plot indicates a scattering background. (b) A/lsubtracted background for each sample of A excitonic peak is plotted as afunction of ultrasonic power. (c) Scattering exponent, n, as a function ofultrasonic power. Inset in (c) shows the variation of the position of Aexcitonic peaks (lA). (d) Image of the final dispersions after allowing them tostand for several weeks. 研究结果表明,随着超声功率的增加,悬浮液的浓度先增加,在 320 W 功率下浓度最高,超过 320 W ,浓度显著地下降。从 100 W 至 250 W ,纳米片的尺寸减小, 200 W 和 250 W 情况下,尺寸大多小于 60 nm ,且尺寸分布较均匀, 285 W 以后略有增加; 350 W 后,纳米片的平均横向尺寸的急剧增加。这种变化是由于空化泡引起的微射流敲击强度受到大量气泡散射的结果(图2)。 Fig. 2(a) Illustration of the two types of cavitation mechanism. (b) Mean flakelength and width (based on more than 300 randomly selected nanoflakes for eachsample) obtained at different ultrasonic power intensities. (c) Schematicrepresentation of the exfoliation procedure to obtain MoS2 nanoflakes in fourdistinct regions (I to IV). (d) Images of the acoustic cavitation bubbles inNMP solvent at different input powers. (e) SEM images of the sediment aftercentrifugation of 100, 200, 285 and 400 W samples. 为了获得单层量子点,我们采用 Li 离子插层法剥离 MoS 2 ,具体制备步骤如下: 1 、取 MoS 2 原粉放入圆底三口烧瓶中,滴入正己烷,烧瓶内通氩气保护。快速取丁基锂正己烷溶液放入圆底烧瓶内,将混合的 MoS 2 原粉和丁基锂正己烷溶液静置 2 天,使锂充分插入 MoS 2 层间,形成插层化合物 LixMoS 2 。 2 、真空抽滤插层的 LixMoS 2 ,并用正己烷多次清洗去除多余的丁基锂及有机残余物。 3 、快速取出抽滤膜上的 LixMoS 2 ,使之与去离子水反应,液体中会有大量气泡产生,为 LixMoS 2 与水反应生成的氢气。与水反应后,放入 超声微波协同反应工作站 ( XO-SM50 )中在 180 W 的功率下辅助超声 1 h ,即可获得单层的 MoS 2 纳米片悬浮液。 图 3 单次 Li 离子插层剥离过程示意图 我们发现,初始的 MoS 2 粉体尺寸在几微米至几十微米量级,经过一次插层剥离以后,得到的纳米片的尺寸在 100-800 nm 之间,尺寸明显减小,因此,如果将一次剥离的纳米片干燥重堆积后进行再次剥离,重复几次,最终即可以得到纳米级量子点。 干燥后重堆积的 MoS 2 纳米片重复上面的步骤进行第二次、第三次 Li 离子插层剥离,如图 4 所示。最终得到平均粒径 3 nm ,粒径分布窄且为单层的 MoS 2 量子点。 Fig. 4.Schematic illustration of the preparation of monolayer MoS 2 QDs using multipleexfoliation with Li intercalation. 相关研究工作成果,详见以下论文: 1. “Effects of ultrasonic cavitationintensity on the efficient liquid-exfoliation of MoS2 nanosheets” W. Qiao, S.M.Yan, X.M. He, X.Y. Song, Z.W. Li, X. Zhang, W. Zhong *, You-Wei Du, RSC Advances 4 (92), 50981-50987(2014) 2. “Enhancement of magnetism bystructural phase transition in MoS2”, S. M. Yan, W. Qiao, X.M. He, X.B. Guo, L.Xi, W. Zhong* , Y. W. Du, Appl. Phys. Lett. , 106 (1) , 012408(2015) 3. “Luminescent monolayer MoS2quantumdots produced by multi-exfoliation based on lithium intercalation”, W. Qiao,S.M. Yan, X.Y. Song, X. Zhang, X.M. He, W.Zhong *, Y.W. Du, Applied Surface Science 395, 130-136(2015) 4. “Monolayer MoS2 quantum dots ascatalysts for efficient hydrogen evolution”, W. Qiao, S.M. Yan, X.Y. Song, X.Zhang, Y. Sun, X. Chen, W. Zhong *,Y.W. Du, RSC Advances 5, 97696-97701 (2015)
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喷墨印刷技术制备全色量子点有源驱动电致发光显示屏取得重要进展
sciencepress 2017-8-4 17:06
量子点(Quantum Dot)是一种直径为2~10 nm的半导体纳米晶,由于量子尺寸效应,它具有发光效率高、发光光谱窄、色纯度高、发光颜色可通过量子点尺寸精确调控等特点,引起学界和产业界的广泛关注。对于量子点的电致发光特性,借鉴OLED的夹心式器件结构和电子、空穴注入的复合发光原理,可实现在电场作用下的高效率量子点电致发光,并可用于制备广色域、高光效、超薄、柔性可弯曲的发光显示屏,在智能手机、电视、平板电脑等方面具有巨大的应用潜力。 目前,红、绿、蓝量子点发光薄膜的精确沉积是实现高性能全彩色显示屏的关键,喷墨打印技术是未来实现大面积、低成本显示屏的重要方式之一。基于喷墨打印制备主动式电致量子点发光显示产品(AM-QLED)的难点在于如何制备厚度均匀致密的高质量纳米薄膜,以及有效器件结构的设计。 近期,华南理工大学 彭俊彪 课题组通过研究液滴喷射、铺展和干燥过程,调控液滴的表面张力、粘度、界面接触等墨水流变性,配制出了喷墨稳定的红、绿、蓝量子点墨水。另外,通过研究墨水与TFT基板相互作用,调控基板表面自由能,实现了喷墨打印制备厚度均匀、无咖啡环的纳米像素薄膜。采用倒置底发射QLED器件结构,结合华南理工大学与广州新视界光电科技有限公司自主联合研发的稀土掺杂氧化物(Ln-IZO)TFT背板新技术和表面性能调控技术,实现了亮度为400 cd/m 2 , 分辨率为200*(RGB)*150,像素密度为120 PPI,色域为109%(NTSC),对比度超过50000:1的2英寸有源驱动彩色量子点电致发光显示屏(如下图所示)。此项研究成果近期于 Science China Chemistry 在线发表。 喷墨打印技术制备的高性能AM-QLED彩色量子点电致发光显示屏 浙江大学彭笑刚教授评论称,该项工作表明用喷墨打印技术制备高质量、大面积AMQLED显示屏已经没有基础障碍,该项技术成果为商业化应用迈出了重要的一步(JinYZ, Peng XG.An Important Step towards Commercialization of Quantum-dotLight-emitting Diode Displays. Science China Chemistry, 10.1007/s11426-017-9107-2). 原文链接: http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-017-9087-y?slug=fulltext
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量子点文献知多少——以CNKI为例
zhpd55 2016-11-3 22:13
量子点文献知多少——以CNKI为例 诸平 量子点 ( Quantum dot )是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料,由少量的原子所 构成 。 粗略 地说,量子点3个维度的尺寸都在100 nm以下,外观恰似一极小的点状物,其内部电子在各方向上的 运动 都受到局限,所以量子限域 效应 ( quantum confinement effects )特别显著。 量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体,既可由一种半导体材料组成,如由 ⅡB-ⅥA 族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或 ⅢA- ⅤA 族元素 (如InP、InAs等)组成,也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。作为一种新颖的半导体 纳米材料 ,量子点具有许多独特的纳米性质。 (l)量子点的 发射光谱 可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例,当它的粒径从2.5 nm生长到4.0 nm时,它们的发射波长可以从510 nm红移到660 nm。 (2)量子点具有很好的 光稳定性 。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料罗丹明6G高20倍,它的稳定性更是罗丹明6G的100倍以上。因此,量子点可以对标记的物体进行长时间的观察,这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。 (3)量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同 粒径 的量子点进行同步检测,因而可用于多色标记,极大地促进了荧光标记在中的应用。而传统的有机 荧光染料 的激发光波长范围较窄,不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发,这给实际的研究工作带来了很多不便。此外,量子点具有窄而对称的荧光发射峰,且无拖尾,多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。 (4)量子点具有较大的 斯托克斯位移 。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移,这样可以避免发射光谱与 激发光谱 的重叠,有利于 荧光光谱 信号的检测。 (5)生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后,可以进行特异性连接,其细胞毒性低,对生物体危害小,可进行生物活体标记和检测。 (6)量子点的荧光寿命长。有机 荧光染料 的 荧光寿命 一般仅为几纳秒(这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当)。而量子点的荧光寿命可持续20~50 ns,这使得当光激发后,大多数的自发荧光已经衰变,而量子点荧光仍然存在,此时即可得到无背景干扰的荧光信号。 总而言之,量子点具有激发光谱宽且连续分布,而发射光谱窄而对称,颜色可调,光化学稳定性高,荧光寿命长等优越的荧光特性,是一种理想的荧光探针。 量子点独特的性质基于它自身的 量子效应 ,当颗粒尺寸进入纳米量级时,尺寸限域将引起 尺寸效应 、量子限域效应、 宏观量子隧道效应 和 表面效应 ,从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性,展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质,在非线形光学、 磁介质 、 催化 、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景,同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。 量子点特殊的光学性质使得它在生物化学、分子生物学、 细胞生物学 、 基因组学 、 蛋白质组学 、 药物筛选 、 生物大分子 相互作用 等研究中有极大的应用前景。 半导体量子点的生长和性质成为当今研究的热点,目前最常用的制备量子点的方法是自组织生长方式。 量子点半导体量子点中低的态密度和能级的尖锐化,导致了量子点结构对其中的载流子产生三维量子限制效应,从而使其电学性能和光学性能发生变化,而且量子点在正入射情况下能发生明显的带内跃迁。这些性质使得半导体量子点在单电子器件、存贮器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。 除了采用量子点材料研制边发射、 面发射激光器 外,在其他的光电子器件上量子点也得到了广泛的应用。但是应该注意 量子点不是点 , 更多信息请注意浏览网络上的百科介绍。量子点性质独特,应用前景广阔,究竟以中文发表的研究成果如何呢?利用中国知网(CNKI)数据库,以“量子点”为检索词搜索得到3万余条检索结果,现简要介绍如下: 1 量子点文献近40年来之变 1987-2016年之间(见图1),量子点研究相关文献累计超过3.77篇;2015年达到4549篇,创历史新高。 图1 1987-2016年CNKI数据库有关量子点文献的变化趋势 2 吉林大学研究成果最多 按照机构来分类统计吉林大学研究成果最多,浙江大学第二,中国科技大学为第三,第四是南京大学,湖南大学和华中科技大学名列第五和第六。 机构 论文/篇 吉林大学 1431 浙江大学 982 中国科学技术大学 896 南京大学 723 湖南大学 644 华中科技大学 626 3 王占国成果名列榜首 王占国 ( 半导体材料及材料物理学家,中科院 院士) 名列第一; 肖景林 ( 内蒙古民族大学物理与电子信息学院 )名列第二,第三是彭英才 ( 河北大学电子信息工程学院 )。 作者 论文/篇 王占国 92 肖景林 75 彭英才 58 4 关键词分类统计结果:“量子点”文献数量最多,其次是纳米材料、石墨烯、荧光、管催化等。 关键词 论文/篇 量子点 3095 纳米材料 1113 石墨烯 923 荧光 766 光催化 746 光致发光 693 更多统计结果见下表 关键词 论文/篇 机构 论文/篇 作者 论文/篇 量子点 3095 吉林大学 1431 王占国 92 纳米材料 1113 浙江大学 982 肖景林 75 石墨烯 923 中国科学技术大学 896 彭英才 58 荧光 766 南京大学 723 肖景林 57 光催化 746 湖南大学 644 蔡理 46 光致发光 693 华中科技大学 626 赵翠兰 46 水热法 447 天津大学 580 庞代文 41 自组装 428 复旦大学 580 程成 34 碳纳米管 420 山东大学 579 牛智川 33 荧光探针 419 上海交通大学 494 丁朝华 31 纳米粒子 412 苏州大学 466 常津 31 掺杂 406 哈尔滨工业大学 444 徐淑坤 31 生物传感器 385 中国科学院半导体研究所 433 蔡继业 29 氧化锌 361 大连理工大学 431 杨宇 28 太阳能电池 344 华东师范大学 427 陈坤基 25 制备 324 清华大学 424 王启明 24 二氧化钛 306 武汉大学 408 龚谦 24 ZnO 293 兰州大学 387 黄伟其 23 纳米结构 289 中国科学院研究生院 386 王太宏 23 复合材料 277 西南大学 367 徐波 23 纳米线 276 北京化工大学 359 王茺 23 纳米颗粒 273 长春理工大学 311 田强 22 应用 269 青岛科技大学 310 金钦汉 22 CdTe量子点 265 陕西师范大学 279 封松林 21 表面修饰 258 华南理工大学 275 王森 21 合成 253 中南大学 273 孙志伟 21 石墨烯量子点 248 东北师范大学 272 向卫东 21 氧化石墨烯 246 河南大学 267 张志凌 21 纳米复合材料 245 武汉理工大学 264 冯端 20 核壳结构 241 南昌大学 253 蒋最敏 20 染料敏化太阳能电池 239 北京大学 250 孔祥贵 20 检测 233 山西大学 247 电化学 228 华东理工大学 241 DNA 228 内蒙古民族大学 239 金纳米粒子 228 南开大学 231 纳米晶 216 河北大学 225 半导体 216 厦门大学 224 密度泛函理论 210 北京理工大学 218 纳米技术 204 湖南师范大学 216 碳量子点 198 重庆大学 216
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2015背靠背Advanced Materials: 显示用量子点新体系
热度 12 nanohappy 2015-10-23 12:00
量子点显示有望突破镉系垄断: —全无机钙钛矿 近日,南京理工大学纳米光电材料研究所曾海波团队 ( http://ion.njust-smse.com/ ) ,在量子点显示方面取得重要进展,有望突破传统镉系量子点以及 QDVision 等国际公司的垄断,研究成果以“全无机钙钛矿量子点 LED ”、“一类新型激光发射材料”为题背靠背同期发表于《先进材料》期刊,并被选为该期封面 ( AdvancedMaterials , DOI: 10.1002/adma.201502567; DOI:10.1002/adma.201503573) 。 半导体胶体量子点,具有溶液法制备、容易加工、颜色可调、量子产率高等突出特点,在发光二极管、光源、显示、太阳能电池、荧光标记等光电器件领域具有广泛的应用前景。作为新型的发光材料,发光峰窄、发光颜色可调的特点使其非常适合应用在显示器领域。量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面:基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管显示技术和基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术。两个方面都极具优异性,除了制造极薄、极轻的显示屏外,其色彩表现优秀,色域度提升 50% ,亮度有效提升 30%-40% ,为用户带来更鲜艳真实的色彩,几乎可与 OLED 色彩饱和度优势相抗衡。尤其值得注意的是, 2015 年是量子点背光显示的发展关键时期,三星与 TCL 等公司在年初已经发布了规划,量子点电视、量子点手机、量子点平板电脑等或许即将与用户见面。 目前量子点主要集中在经典的镉基化合物半导体量子点材料上,一般采用厚核壳结构,制备工艺复杂,未来产业化可能面临价格、成本、环境问题等挑战。此外,已有的经典量子点材料的专利,基本上被 QDVision 、 Nanosys 、 NANOCO 等少数几个公司垄断。因此,发展有自主产权、无镉、高品质的新型量子点 LED ,既是该领域的关键科学问题,也是我国量子点显示工业化发展的关键技术问题。 近几年来,由于具有低成本、载流子迁移率高、光吸收系数大等特点,有机 - 无机杂化钙钛矿 (CH 3 NH 3 PbX 3 ,X = Cl, Br, I) 材料,在太阳能电池领域有非常优异的表现。但是,由于大量的本征缺陷的存在,有机无机杂化钙钛矿薄膜的荧光量子效率通常很低 (20%) ,限制了其在电致发光、激光、显示等领域中的应用。最近研究表明,随着钙钛矿尺寸的减小,可以有效地降低其内部缺陷的数目,减少非辐射跃迁,提高其荧光效率。然而,稳定性差这一严重问题一直制约着有机 - 无机杂化钙钛矿量子点的发展。 2014 年夏天,曾海波团队李晓明博士研究生等人采用热注入技术,制备了结晶度高、形貌单一、尺寸分布窄的全无机钙钛矿铯铅卤量子点( CsPbX 3 , X=Cl , Br , I )。通过改变反应温度等参数,实现了尺寸与成分的大范围调控,从而能够在整个可见光范围内调控量子点发光颜色 (400-800nm) ,各种颜色发光量子效率均高于 70% ,绿光高达 90% 以上。 2015 年,团队成员宋继中、李建海等博士研究生通过优化设计,采用 ITO/PEDOT:PSS/PVK/QDs/TPBi/LiF/Al 器件构型,构筑了无机钙钛矿量子点 QLED 器件,实现了红绿蓝三基色等多种颜色的电致发光,这是该体系 QLED 的首次报道。 与经典的镉系量子点相比,全无机钙钛矿量子点展现出更 窄的发光峰( 15~25nm )、更广的色域( 150 % NTSC ),因此在量子点显示领域将具有重要的应用前景 。从 2014 年开始,曾海波团队就已经围绕这一量子点新体系的合成、处理,及其器件等申请了一系列专利。 此外,全无机钙钛矿量子点在激光显示领域也具有一定的应用潜力。通过与新加坡南洋理工大学孙汉东教授合作,实现了该体系的受激发射,在红绿蓝三基色获得了低阈值的激光。 该项研究得到了国家重大科学研究计划( 2014CB931700-02 )、国家基金委优秀青年基金( 61222403 )、中组部万人计划青年拔尖人才等项目的资助。 文章链接如下: JizhongSong, Jianhai Li, Xiaoming Li, Leimeng Xu, Yuhui Dong, Haibo Zeng,* Quantum Dot Light-emitting Diodes based on InorganicPerovskite Cesium Lead Halides (CsPbX3), Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.201502567. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502567/full YueWang, Xiaoming Li, Jizhong Song, Lian Xiao, Haibo Zeng,* Handong Sun,* All-Inorganic Colloidal PervoskiteQuntum Dots: A New Class of Lasing Materials with Favorable Characteristics, AdvancedMaterials DOI: 10.1002/adma.201503573.http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201503573/full
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钙钛矿量子点的尺寸调控
WileyChina 2015-9-15 09:51
半导体量子点具有溶液法制备、容易加工、颜色可调、量子产率高等突出特点,在发光二极管、太阳能电池、生物标记等领域具有应用前景。 钙钛矿材料是目前半导体材料中的研究热点 。 最近,钙钛矿量子点材料成为“量子点家族”中的新成员,表现出发光波长窄、制备工艺简单等特点,有希望满足量子点背光源应用的需求,有望成为新一代显示材料,同时在电致发光、激光、光学检测等领域中具有应用潜力。量子点的发光性质与其尺寸、形貌、组分和表面等因素密切相关,因此,发光性质的调控是开展物性研究和开发器件应用的基础。 经典的化合物半导体主要是共价化合物,主要采用有机前躯体反应的路线,通过“热注入”或者“一锅煮”技术来制备。与之不同,钙钛矿量子点可以采用工艺简单、条件温和的共沉淀技术制备。 如何通过条件控制钙钛矿量子点的尺寸是进行发光性质调控的重要挑战之一 。 最近,香港城市大学Andrey Rogach教授课题组,利用配体辅助再沉淀技术,通过改变反应温度,实现了尺寸调控,所制备的CH 3 NH 3 PbBr 3 量子点可在蓝-绿波段进行调节(见图1)。 相关结果以快报的形式发表在最近的Advcanced Science 杂志上 。 图 1. 不同反应温度下获得的 CH3NH3PbBr3 量子点样品及吸收发射光谱 研究表明,反应温度从0-60 ℃ ,随温度升高,所制备量子点的粒径逐渐增大(1.8~3.6 nm),而对应的发光波长红移(475-520 nm),这与众所周知的半导体量子点量子尺寸限域效应相吻合。同时,通过优化参数,所制备CH 3 NH 3 PbBr 3 量子点的荧光量子产率高达94%。以上研究结果 为未来研究钙钛矿量子点尺寸依赖的光学性质,特别是理解钙钛矿量子点的尺寸效应提供了材料支撑,同时为实现高性能的蓝绿色量子点发光器件提供了可能 。 原文链接: http://www.materialsviewschina.com/2015/09/of-perovskite-quantum-dot-size-control/
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北京大学席鹏课题组JT-SOFI高时空分辨率超分辨成像
热度 3 xipeng1 2015-2-13 12:45
最近,北京大学工学院生物医学工程系席鹏课题组在超高密度超分辨光学涨落显微成像研究方面取得重要进展。相关研究成果发表在 Nature 出版集团的 Scientific Reports 杂志上 。( Z. Zeng, et al., Fast Super-Resolution Imaging with Ultra-High Labeling Density Achieved by Joint Tagging Super-Resolution Optical Fluctuation Imaging. Sci. Rep., 5:8359 (2015). ) 超分辨技术( super-resolution )因其能够提供低于衍射极限的分辨率而获得了2014年诺贝尔化学奖。这一技术可分为两类:基于焦点调制的方法如 STED ,和基于单分子定位的方法,如 PALM/STORM 等。然而,这些方法虽然能获取很高的空间分辨率,却总是以牺牲时间分辨率为代价。同时,这些方法技术复杂、系统成本较高,这给推广应用带来一定困难。 在此项工作中,席鹏实验室将量子点、光谱方法、和基于光学涨落的超分辨技术( SOFI ) 三种技术有机结合,在普通宽场显微镜镜上实现了3秒获得85 nm 超高时空分辨成像。通过联合标记( joint-tagging )的方法,使用多种不同荧光发射波长的量子点联合标记生物样品中的同一细胞结构,有效减少了在超高标记密度下高阶成像的伪影,更加真实地还原出所研究生物样品的完整结构和细节信息。而且,由于光谱离散的量子点更接近于单分子态,使得 JT-SOFI 能够大幅提高超分辨成像的速度,为超分辨成像研究活细胞的动态过程提供了全新的技术方法。 图1 宽场成像和超分辨JT-SOFI成像的比较。 新闻链接: http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/201521314403536035738.shtm?id=35738 原文链接: http://www.nature.com/srep/2015/150210/srep08359/full/srep08359.html
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新型纳米创可贴问世 杀菌效果佳且不产生耐药性
热度 4 zhpd55 2014-8-13 18:52
注:本文已经被“ 生物探索 ”录用,未经许可,请勿转载。 新型纳米创可贴问世 杀菌效果佳且不产生耐药性 诸平 导读 纳米材料在抗菌方面存在巨大潜力,应用前景看好。中国科学院长春应用化学研究所曲小刚等人另辟蹊径,利用石墨烯量子点催化分解双氧水,使其产生强而有力的杀菌羟基自由基,研发出新型纳米创可贴,杀菌效果佳且不产生耐药性。 纳米材料独特的物理和化学性质使其在复合材料、生物医学等领域得到广泛应用。已经有研究结果表明,纳米材料在抗菌方面存在巨大潜力,应用前景看好。因为随着传统的抗菌材料如抗生素、季铵盐、消毒剂以及杀菌剂等化学药物的大量使用,耐药性原因导致微生物变异种群越来越多,由此引发的全球性微生物灾害事件频频发生。据WHO的有关统计结果,现有的抗生素在未来10~20年后将丧失其抗菌能力,故研发和应用新型抗菌材料,是应对未来危机的唯一良方妙计。 纳米技术的发展,为解决此问题提供了一条新思路,已经有不少纳米材料在抗菌作用方面的研究报道,如纳米金属材料(如纳米银等)、纳米氧化物(如TiO 2 、ZnO)、碳纳米管以及石墨烯等。近日, 中国科学院 长春应用化学研究所曲小刚等人,在石墨烯抗菌研究上取得了新进展,研究结果发表在ACS Nano上。 石墨烯与过氧化氢:两种值得关注的抗菌材料 石墨烯是通过破坏细菌的细胞膜而杀死细胞。石墨烯又可以分为氧化石墨烯(GO)和还原石墨烯,氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2h之后,对其抑制率超过90%,其抗菌性源于对大肠杆菌细胞膜的破坏。毒理学研究结果表明,氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料,而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小。谭小芳对功能化石墨烯的生物学效应有专门的研究,在此不再赘述(谭小芳. 功能化石墨烯的生物学效应研究 .苏州:苏州大学,2012.) 过氧化氢也是一种优良的抗菌材料。过氧化氢可以杀死伤口细菌,而且不会造成抗药性,但浓度需要达到1M,而这种浓度会对健康细胞造成损害。研究人员尝试使用金属氧化物纳米材料催化分解过氧化氢,使其形成羟基自由基,而羟基自由基是一种比过氧化氢更有效的杀菌剂。这样,研究人员就可以使用较低浓度的过氧化氢。但构成纳米颗粒的材料,自身是对健康细胞有毒性的氧化物,如氧化钒和氧化铁等。 新研究联合石墨烯和过氧化氢,杀菌效果显著 中国科学院长春应用化学研究所曲小刚(Xiaogang Qu)将石墨烯与过氧化氢结合起来,有效避免了过氧化氢在杀菌方面的不足。 据CEN网站2014年6月10日报道,曲小刚等人使用石墨烯量子点(graphene quantum dots)催化分解双氧水(hydrogen peroxide),使其产生强而有力的杀菌羟基自由基。在类似于创可贴的绷带上,含有石墨烯量子点和少量的过氧化氢,即可显著减少小鼠创伤处的细菌的数量,相关研究成果2014年5月28日发表在“ACS Nano”杂志网站上。 曲小刚等人发明的涂层可以用于伤口消毒,不必使用抗生素(disinfect wounds without the use of antibiotics),如图1所示。在老鼠背上的伤口处,贴上用石墨烯量子点和低浓度的过氧化氢处理过的“创可贴”,则具有杀菌作用(见图1右侧图示,蓝色和绿色)。杀菌作用是石墨烯量子点催化过氧化氢的分解,产生羟基自由基(黄色),穿刺细菌细胞膜所致。 图1 抗菌“创可贴” 新型“创可贴”也没有可感知的毒性 在另一项研究中,曲小刚和韩国国立交通大学(Korea National University of Transportation)、韩国忠南国立大学(Chungnam National University)、韩国汉阳大学(Hanyang University)以及韩国加图立大学(The Catholic University of Korea)的研究人员合作,在老鼠身上进行实验,结果表明羧基化(carboxylated)的石墨烯量子没有可感知的毒性,相关研究结果2013年7月5日已经在ACS Nano杂志发表。 为了测试碳纳米材料的有效性,研究人员将羧基化石墨烯量子点加入到革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌(gram-positive Staphylococcus aureus)和革兰氏阴性的大肠杆菌(gram-negative Escherichia coli)两种类型的细菌悬液中。然后他们确定能够使90%细菌细胞致死所需的过氧化氢用量,与未经处理的细菌悬液用量进行比较。相比之下,未经处理的细胞需要的过氧化氢用量要比经过处理的细胞更多,经过处理的细胞,过氧化氢所需量下降了90%,而且对两种类型的细菌均是如此。 随后研究人员制备涂有抗菌纳米材料的“创可贴”,他们将一个棉衬垫在石墨烯量子点中浸湿,然后在棉衬垫上加100μM的过氧化氢溶液,再将其包裹在老鼠背部的伤口上。但是,作为对照,研究人员仅仅是在棉衬垫滴一些生理盐水,同样包裹在另外一些小鼠的伤口上。3天后,将老鼠身上伤口处的绷带取下来,对细菌进行分析比较,发现纳米材料绷带上的细菌数量仅仅是盐水绷带上细菌数量的万分之一。 图2 过氧化氢杀菌作用示意图 研究很有前景 但还有待深入 宁波材料技术与工程研究所吴爱国(Aiguo Wu of the Ningbo Institute of Materials Technology Engineering)研究员说,尽管这样的结果是很有开发前景,但是在此“创可贴”用于人体临床试验之前,需要对石墨烯量子点进行长期的毒理学研究。吴爱国也认为这些“创可贴”应该对其他细菌,如对青霉素耐药性细菌进行试验,检查其杀菌效果如何。新加坡南洋理工大学的陈元(Yuan Chen of Nanyang Technological University)教授则认为,采用石墨烯量子点作为催化剂激活过氧化氢使其分解的确是一种新奇的想法。他想知道是否这些石墨烯量子点也可以用来激活其他抗菌药物。当然对于各种猜测与推理都需要时间,进行更多的、更深入的相关研究之后才有可能得出结论,让我们拭目以待吧。 更多信息请浏览: 生物探索
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研究进展:荧光纳米材料驱动的白光LED
qiangzhang 2014-4-5 22:03
Fluorescent Nanomaterial-derived White Light-Emitting Diodes: What’s Going On Qiang Zhang , Cai-Feng Wang , Lu-Ting Ling and Su Chen * First published online 25 Mar 2014, J. Mater. Chem. C , 2014, 2(22): 4358-4373 链接: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/tc/c4tc00048j#!divAbstract 白光LED以长寿命、节能效果显著的优越性能,成为可替代传统白炽灯的新一代照明产品,因此近年来受到广泛关注。文章主要总结了近几年 Prof. Chen 课题组及国际上其他课题组在该领域的一些进展。在前人的基础上,扩充了光转换材料的范围。涉及到的白光LED转换材料主要包括半导体量子点、硅量子点、碳量子点、石墨烯量子点、荧光纳米有机无机和材料(量子点-聚合物、荧光薄膜)等,对此方向上的主要研究进展进行了客观的总结和评述。 1. 量子点 1.1 半导体量子点 1.2 核/多壳结构 1.3 掺杂量子点 1.4 无重金属量子点 1.5 直接白光发射的量子点 2. 碳量子点 3.1 电致发光碳量子点LED 3.2 光致发光碳量子点LED 3.3 白光碳量子点基LED 3. 硅量子点 4. 石墨烯量子点 5. 有机无机杂化白光LED 5.1 量子点-共轭聚合物杂化电致发光WLED 5.2 量子点-聚合物杂化光致发光WLED 5.3 半导体量子点-聚合物荧光薄膜(远程) 5.4 碳量子点-聚合物荧光薄膜(远程) Timeline showing recent progress in fluorescent nanomaterial-derived white LEDs. Abstract: White light-emitting diodes (white LEDs) have recently attracted substantial interest owing to their remarkable energy conservation. The evolution of fluorescent nanomaterials with tunable optical properties has provided an opportunity for light source design of white LEDs. However, the stability and performance of fluorescent nanomaterial-derived white LEDs still fail to meet the requirements of practical applications. It is therefore imperative to boost their overall device performance, which depends on not only the exploitation of advanced fluorescent nanomaterials but also the design of superior light source. In this review, the achievements in fluorescent nanomaterials as color converters towards white LEDs are highlighted, including semiconductor nanocrystals or colloidal quantum dots (QDs), carbon-based nanoparticles, silicon QDs, and organic-inorganic fluorescent nanocomposites. The challenges and future perspectives in this research area are also discussed.
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量子点可以提高太阳能转化效率
热度 5 zhpd55 2013-8-28 10:09
量子点可以提高太阳能转化效率 诸平 据荷兰物质基础研究基金会( The Foundation forFundamental Research on Matter ,简称 FOM Foundation) 网站 2013 年 8 月 23 日 报道,荷兰 代尔夫特理工大学( Delft University of Technology ) 、美国加州大学( University ofCalifornia )、比利时丰田欧洲材料研发中心( Toyota Europe, Materials Research Development )的科学家合作已经开发出一种纳米结构材料 , 用于制造太阳能电池可以提高其光电转化效率,比目前传统的太阳能电池转化水平高超 10% 。下图是物理学家组织网 ( Phys.org ) 2013 年 8 月 26 日 的转载报道截图。 上图中被链接的是量子点,在这种新纳米材料中一束 波长很狭窄光子被吸收后,会使 两个或两个以上的电子跳跃带隙 。 研究人员已经用特殊的分子强烈地将纳米球(量子点)连接在一起,结果是电子可以自由移动 , 在太阳能电池中即可以形成电流。 荷兰 代尔夫特理工大学( Delft University of Technology ) 、美国加州大学( University ofCalifornia )、比利时丰田欧洲材料研发中心( Toyota Europe, Materials Research Development )的科学家合作已经开发出一种纳米结构材料 , 用于制造太阳能电池可以提高其光电转化效率。此研究成果 2013 年 8 月 23 日 已经在《自然通讯》( Nature Communications )网络版发表。智能纳米结构可以提高太阳能电池的效率,主要体现在两方面,其一是减少热能耗,其二是提供更多的电能。 太阳能电池 传统的太阳能电池包含一层硅,当阳光照射到硅层时 , 硅中的电子吸收光子能量,由基态进入到激发态,获得能量的电子(激发态电子)可以跳越“禁带”即 带隙 而进入导带,即可自由移动并形成电流。如果光子能量等于硅的带隙,则太阳能电池的产电量即被优化,利用效率最高,没有多余的能力被浪费。然而 , 太阳光是一种复色光,包含许多不同波长的光子,而且这些光子的能量大于带隙。多余的能量以热能的形式丢失 , 这限制了传统太阳能电池的产电量,尚未实现太阳能利用效率的最大化。 纳米球 几年前 , 代尔夫特理工大学的研究人员以及其他物理学家就已经证明了多余的能量仍能得到很好的利用。在半导体材料的小纳米球体内过剩的能量可以使额外的电子跳越带隙,这些纳米球又被称为量子点,其直径大约仅有人头发的万分之一。如果一个光子能使量子点的一个电子跃过带隙 , 电子在该量子点周围运动。这样难免造成与使随后跃过带隙的电子发生碰撞,而且一个光子可以动员几个电子跃过带隙从而增加产生的电流量,如何来解决电子的自由运动,避免在量子点周围聚集,电子之间发生碰撞的问题,科学家已经有新招。 量子点之间的联系 然而 , 迄今为止存在的问题仍然是电子被困在其量子点内部 , 所以无法为当前的太阳能电池产生电流做出贡献,导致这种现象的原因是由于使量子点表面稳定的大分子所致。这些大分子阻碍了电子从一个量子点跳跃到下一个量子点 , 所以没有电流产生。但是,研究人员在新设计中 , 用小分子取代了大分子,而且在量子点之间用氧化铝来填充预留的空隙。这导致量子点之间有更多的接触,并允许电子自由移动,使问题迎刃而解。 转化效率 理学家用激光光谱物已经看到在包含量子点链接的材料中,单个光子实际上可以激发几个电子。跃过带隙的所有电子,在此新材料中可以自由运动。由于包含这种新材料的太阳能电池的理论产量会提高到 45%, 比传统的太阳能电池的转化效率高出 10% 。更有效型的太阳能电池很容易生产,即将链接的纳米球结构作为一种分层漆用于太阳能电池。因此新型太阳能电池不仅会更有效 , 而且与传统的太阳能电池相比较成本也更廉价。荷兰研究人员现在与国际伙伴合作,用此设计来产生完整的太阳能电池。 更多信息请浏览 C.S. Suchand Sandeep , Sybrenten Cate , JuleonM. Schins , TomJ. Savenije , YaoLiu , MattLaw , SachinKinge , ArjanJ. Houtepen , Laurens D. A. Siebbeles . HighCharge Carrier Mobility Enables Exploitation of Carrier Multiplication inQuantum-Dot Films , Nature Communications (23 August 2013). DOI: 10.1038/ncomms3360 ; 见附件: 纳米球-量子点-太阳能电池2013.pdf http://phys.org/news/2013-08-nanomaterial-yield-solar-cells.html#nwlt ; http://www.fom.nl/live/english/news/archives/pressreleases2013/artikel.pag?objectnumber=233832
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高效率量子点太阳能电池,EQE=114%
热度 2 zhpd55 2012-10-30 17:25
2012 年 10 月 26 日 e! Science News 网站报道了科学家已经演示了 高效量子点太阳能电池( Scientists demonstrate high-efficiency quantum dot solarcells ),而且新近的研究显示新开发的太阳能电池可能很快超越传统的光伏技术。来自美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的科学家,演示了首例在太阳能范围之内,具有外部量子效率 (EQE) 超过 100% 的太阳能电池。所谓 EQE 是指在特定设备内将光子转换为电子的百分比。研究人员将他们的研究结果于 2012 年 10 月 28 日 至 11 月 2 日 在美国佛罗里达州坦帕市召开的美国真空学会( AVS )第 59 届国际研讨会和展览会上进行了介绍。 传统的半导体每一个光子只产生一个电子,纳米大小的晶体材料如量子点避免这个限制,这些新材料是 目前正在开发作为有前途的光伏材料。由量子点获取能量来提高效率,就是将传统半导体中以热丢失的能量加以利用。减少大量的热损失 , 由此产生的能量转换成了创造更多的电流。通过一种被称为多激子产生 (MEG) 过程的功率调控,研究人员能够证明 , 就平均而言 , 每个被吸收的蓝色光子可以生成的电流比传统技术所能达到的多达 30%, 以有效地分割和使用高能光子更大部分的能量作为 MEG 的动力。研究人员对于 3.5 eV 光子的研究发现 EQE 值达到 114%, 证明这一概念在一个工作装置中的可行性。 NREL 的资深科学家 Joseph Luther 认为 ,MEG 技术的方向是正确的。 “ 由于当前太阳能电池技术仍然过于昂贵 , 不可能完全与不可再生能源进行抗衡 , 这种技术采用 MEG 演示的方式,使科学家和工程师考虑将太阳能光子转换电力是不断变化的。 可能会有一个机会来极大地提高一个模块的效率 , 可导致太阳能电池板比非可再生能源更便宜廉价。更多信息请浏览: http://esciencenews.com/articles/2012/10/26/scientists.demonstrate.high.efficiency.quantum.dot.solar.cells
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Chemical Society Reviews 内封面文章
热度 3 huangxy04 2012-10-22 12:11
Chemical Society Reviews 内封面文章
最近,我们在 Chemical Society Reviews 上发表了题为Enhancing solar cell efficiency: the search for luminescent materials as spectral converters 的综述。 http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/CS/C2CS35288E Photovoltaic (PV) technologies for solar energy conversion represent promising routes to green and renewable energy generation. Despite relevant PV technologies being available for more than half a century, the production of solar energy remains costly, largely owing to low power conversion efficiencies of solar cells. The main difficulty in improving the efficiency of PV energy conversion lies in the spectral mismatch between the energy distribution of photons in the incident solar spectrum and the bandgap of a semiconductor material. In recent years, luminescent materials, which are capable of converting a broad spectrum of light into photons of a particular wavelength, have been synthesized and used to minimize the losses in the solar-cell-based energy conversion process. In this review, we will survey recent progress in the development of spectral converters, with a particular emphasis on lanthanide-based upconversion, quantum-cutting and down-shifting materials, for PV applications. In addition, we will also present technical challenges that arise in developing cost-effective high-performance solar cells based on these luminescent materials. TOC
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胶体量子点膜应用于下一代太阳能电池
热度 1 zhpd55 2012-8-1 11:35
胶体量子点膜应用于下一代太阳能电池
ScienceDaily ( 科学日报 ) 2012 年 7 月 29 日 报道了加拿大多伦多大学( University of Toronto )和阿卜杜拉国王科技大学 (King Abdullah University of Science Technology) 的研究人员,在研究太阳能电池方面取得了新突破,特别是在胶体量子点 (colloidal quantum dot ,简称 CQD) 膜的研发方面取得新成果,导致了最有效的 CQD 太阳能电池。他们的研究成果以快报形式发表在《自然纳米技术》( Nature Nanotechnology )—— Alexander H. Ip, Susanna M. Thon, Sjoerd Hoogland, Oleksandr Voznyy, David Zhitomirsky, Ratan Debnath, Larissa Levina, Lisa R. Rollny, Graham H. Carey, Armin Fischer, Kyle W. Kemp, Illan J. Kramer, Zhijun Ning, André J. Labelle, Kang Wei Chou, Aram Amassian, Edward H. Sargent. Hybrid passivated colloidal quantum dot solids . Nature Nanotechnology , 2012; DOI: 10.1038/nnano.2012.127 。该研究的负责人是多伦多大学工程教授泰德·萨金特( Ted Sargent ),他们已经从廉价的材料创造了一种太阳能电池 , 而且被证明光电转化效率达到了 7.0% 。 苏珊娜·索恩( Dr. Susanna Thon )博士作为此论文的重要合作者之一,认为以前的量子点太阳能电池一直受限于薄膜中纳米微粒庞大的内表面积 , 这使制约光电转化的主要困难; 但是,他们的突破在于使有机化学和无机化学相结合,完全地覆盖所有的暴露表面。量子点是只有几个纳米大小的半导体,可以吸收整个太阳光包括可见光区和不可见光区的所有波长的光线。与当前增长缓慢且费用昂贵的半导体技术不同 , 胶体量子点薄膜可以快速制作 , 而且成本低 , 类似于油漆或墨水。此研究为太阳能电池装配在类似于报纸的柔软底质上,而且可以快速大批量印刷铺平了道路。加拿大多伦多大学研制的太阳能电池的转化效率与以前的太阳能电池相比较提高了 37% 。为了提高太阳能电池的光电转化效率 , 研究人员需要一种方法来降低与表面质量不佳而相伴的电子“陷阱”的数量 , 同时要确保他们制得的薄膜非常密集,可以吸收尽可能多的太阳光。其解决方案是一种所谓的“混合钝化”。 Alex Ip 博士也是论文主要合著者之一,认为合成量子点之后立即引入氯原子 , 即可修复此前无法修补的角落和导致电子“陷阱”的缝隙。紧接着使用短的有机连接基与薄膜中的量子点成键,紧密联系在一起。美国阿卜杜拉国王科技大学的 Aram Amassian 教授领导的研究小组的研究表明,为了得到最致密的胶体量子点膜,有机配体交换是必要的。阿卜杜拉国王科技大学的研究小组,利用最先进的具有亚纳米分辨率的同步加速器方法,来辨明胶体量子点膜的结构和证明混合钝化法导致具有最密堆积纳米粒子的密集型胶体量子点膜。这为进一步研究和太阳能电池效率的改进打开了很多渠道 , 这可能会导致一个可靠的、低成本的太阳能转化的光明未来。萨金特教授说 , 我们的世界迫切需要创新 , 符合成本效益的方式 , 将丰富的阳光能转化为可用的电能。此研究表明 , 丰富的材料界面内胶体量子点膜可以通过一个稳健的方式来掌控 , 并证明成本低和稳定提高效率可以兼顾。有望成为下一代太阳能电池的新亮点。详细内容请浏览: http://doc.sciencenet.cn/DocInfo.aspx?id=12761 (包括补充材料共30页)
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纳米材料的几大热点
热度 2 redrum 2011-10-15 17:16
看文献越久,感觉越强烈,有那么几种材料,文章真是层出不穷。 1. 石墨烯材料 太热,简介就免了 2. 纳米金材料 包括纳米晶、纳米簇、纳米线、各种异质结构,主要应用就是LSPR SERS,癌症的光热疗法 3. 纳米铁氧化物 Fe2O3、Fe3O4,各种形貌,做核啊、壳啊,应用就是磁性分离的催化剂、MRI、锂电电极等等 4. 纳米氧化锌 各种颗粒啊、膜啊……应用除了王中林开创的压电材料,其他的gas sensor啊 电极啊 催化剂啊一堆一堆的 5. 量子点 现在已经从合成到应用了,医学荧光探针、发光二极管、太阳能电池,and so on. 看得我心里痒痒的,不知该不该去跟风一把啊?
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一种新颖的通用的碳化物合成方法--液相激光烧蚀
热度 3 SKYang2011 2011-9-5 18:02
一种新颖的通用的碳化物合成方法--液相激光烧蚀
液相激光烧蚀已经被广泛的应用于纳米颗粒的合成当中。从传统意义上,它被认为是一种物理的合成方法。我们发现有机溶剂在激光的辐照下能够被很轻易的分解,而提供碳成分。那么,这种液相激光烧蚀方法能否应用于合成碳化物纳米结构呢?我们知道,碳化物,由于其高度的稳定性,很强的硬度,具有很广泛的应用领域,特别是在极端条件下工作的器件领域。事实证明,通过激光烧蚀置于酒精或者甲苯中的靶材,如 钨, 硅 等, 碳化物,碳化硅纳米结构可以被轻松的合成。这是一种通用的方法合成碳化钨纳米颗粒。合成的碳化物纳米颗粒的周围被若干层石墨烯包裹,更加拓宽了其应用领域。有趣的是,由于内层碳化钨对电子束的敏感特性,在电子束辐照时,外部的碳壳会破裂。我们进一步发现,碳化物-碳芯壳结构具有奇特的光学特性。另外,碳化钨由于具有类似金属铂的电子结构,在催化领域更是吸引了广泛的研究兴趣。我们预期利用液相激光烧蚀合成的独特的碳化钨纳米颗粒在催化领域会有十分优异的性能,此系列研究在进行之中。初步成果发表在 J.Phys.Chem. C 2011, 115, 7279. TOC W2C@C
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量子点的研究动向
ZELONGHE 2011-7-3 20:56
从事量子点的研究也有几年了,中间也间断了一段时间。哦,忘了告诉大家我主要研究的是:量子点电输运理论研究。这里将一些心得体会说一说。 1.刚入手时,感觉蛮难的,因为理论方法就有好多,最后选择了"格林函数",这个是业内使用较多也很精准的。但格林函数还真不太好弄,因为它是建立在高量基础上的,所以理解起来还是有一点困难。 2.经过一段时间的学习,格林函数终于有一点懂了。接下来就是建立物理模型,进行纸上的计算,大部分时间在算产生和消灭算符的对易关系,最终算出相应的公式。这个计算中还真的蛮有意思,有时你会发现公式好难啊,但是最后你会发现一个很简洁的公式被你推导出来。这时,你能体会到科研的乐趣...... 3.公式得到后,发现还要学习一种计算机语言(我用的还是比较传统的语言:fortran)。因为,接下来要进行编程数值计算。之后做数据处理、绘图,绘图我用的是origin。 4.最后,也是最难的,根据数值计算给出物理解释。当初,大多还是请教老师来完成的。 5.接下来就是撰写论文,这个对于初写论文的同志来说,也不容易。 现在,回头来看,公式原来可以直接写出来,发现规律后根本不用计算算符间的对易关系,也不用在纸上算。当然,你也可以在纸上努力算出最后的表达式(这需要点耐心,弄不好就会弄出人为带来的数学错误)。这样你会发现:公式和数值结果的图形能够很好的吻合,那是最好的。 有人说量子点输运的研究已经到了尽头,个人感觉还有很多规律我们没有发现。人们只是从一个量子点的研究到多个线性连接的量子点,从线性连接到平行连接,从平行2个点以及3个点到多个平行点,从环形2点到环形多个点,从平面到立体等等。现在,相关模型基本都建立差不多了,然而参数也在增多【磁场,电子相互作用(这里若是多个点,还包括点内库仑作用,点间相互作用),Rashba相互作用,Dresshaus相互作用,点间耦合强度,点和电极间耦合强度,量子点能级,电压,温度等等】。于是,只要我们改变一个参数,就能写出一篇论文,这样做并不能使我们的科研前进。有人会说,我们也可以研究量子点的其他方面。但是,有关量子点电输运的许多规律我们并没有被完全指出,期待早一天寻找到这其中的奥妙。以此来结束有关量子点电输运的研究,这看起来像是不可能完成的任务。
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人类社会中的量子现象
wanglm 2011-1-10 11:47
如果把一个人看作一个量子点,一个家庭看作量子点分子,那么社会就是一个量子点系统。 在这个系统中,量子点之间通过共振遂穿建立与外界的联系,包括家庭、朋友、同学等等,而不同的关系对应着不同的能级。一个人的状态发生改变必然要和外界交换能量或者信息,这种能量或信息同样是量子化的,不可能连续。 基于这种认识,我们就可以解释人类社会中的各种现象,首先以网络世界为例。在互联网时代,虽然人们可以方便地发表言论,可能够引起轰动的话题并不多,人们往往感到更加孤独,人与人之间很难发生共振。一旦某个人在某段时间与另外一个人发生共振,必然会改变自己的状态,造成部分能量或信息的共享,形成量子点分子态。随着外界条件的变化,这种分子态必然会破裂,重新形成单个的量子点。如此往复,构成了每个量子点的演化。 如何描述人的状态,正如描述一个量子点的状态一样困难。物理学中的单量子态能不能得到?单光子如何描述和制备?都是我目前还不知道的,需要学习。
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量子点包覆的磁纳米环(QD-FVIOs):高性能的多功能生物纳米探针
Nanofhm 2010-10-23 17:58
Quantum Dot Capped Magnetite Nanorings as High Performance Nanoprobe for Multiphoton Fluorescence and Magnetic Resonance Imaging Authors: Hai-Ming Fan,* Malini Olivo, Borys Shuter, Jia-Bao Yi, Ramaswamy Bhuvaneswari, Hui-Ru Tan, Gui-Chuan Xing, Cheng-Teng Ng, Lei Liu, Sasidharan S. Lucky, Boon-Huat Bay, and Jun Ding 期刊 : J. Am. Chem. Soc . 2010, 132, 1480314811 摘要: In the present study, quantum dot (QD) capped magnetite nanorings (NRs) with a high luminescence and magnetic vortex core have been successfully developed as a new class of magneticfluorescent nanoprobe. Through electrostatic interaction, cationic polyethylenimine (PEI) capped QD have been firmly grafted into negatively charged magnetite NRs modified with citric acid on the surface. The obtained biocompatible multicolor QD capped magnetite NRs exhibit a much stronger magnetic resonance (MR) T2* effect where the r2* relaxivity and r2*/r1 ratio are 4 times and 110 times respectively larger than those of a commercial superparamagnetic iron oxide. The multiphoton fluorescence imaging and cell uptake of QD capped magnetite NRs are also demonstrated using MGH bladder cancer cells. In particular, these QD capped magnetite NRs can escape from endosomes and be released into the cytoplasm. The obtained results from these exploratory experiments suggest that the cell-penetrating QD capped magnetite NRs could be an excellent dual-modality nanoprobe for intracellular imaging and therapeutic applications. This work has shown great potential of the magnetic vortex core based multifunctional nanoparticle as a high performance nanoprobe for biomedical applications. 简评: 氧化铁纳米环的合成和制备已经在前期报道了很多。其特殊的形貌结构导致了稳定涡旋磁态(vortex state)的存在,这个vortex state 在外场的作用下可以磁化转成onion state。涡旋磁态的存在和 两个态之间的transition在过去5年已经在包括Science, PRL 等一系列顶级杂志中发表的论文里进行了详细的讨论。 然后其应用领域尚未有所突破,近期在nature physics上有论文报道关于利用vortex spin有效杀死癌症细胞的例子。本文利用其涡旋磁态时,颗粒之间弱的磁相互作用形成了较稳定的水相分散体,并嫁接了荧光量子点赋予其光学性能。这个复合的纳米环定义为,QD-FVIOs. 其中FVIO is ferrimagnetic/ferromagnetic vortex-state iron oxides.在磁共振成像的表征上发现,相对于超顺磁的氧化铁,涡旋磁态氧化铁表现了非常高的T2*效应。细胞荧光成像实验和MRI成像实验结果表明,这种基于vortex state 的纳米磁环结构在生物医学和细胞成像(cell imaging)上有着很大的用途。详情请参考论文。
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请教量子点在电场中的行为?
chaohe 2009-12-1 23:23
量子点(英语:Quantum Dot)是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势(由外部的电极,掺杂,应变,杂质产生),两种不同半导体材料的界面(例如:在自组量子点中),半导体的表面(例如:半导体纳米晶体),或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中,但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的(1-100个)整数个的电子、空穴或空穴电子对,即其所带的电量是元电荷的整数倍。摘自《百度百科》 我们都知道量子点在太阳能电池中有很好应用前景。量子点敏化太阳能电池中,在光子作用下,束缚的电子受激发后,可以经量子点和半导体金属氧化物(TiO2,ZnO等)的界面传输到半导体中,从而产生光电流传输(?原理是不是这样,不是很清楚)。 那么量子点在电场的激发下,是不是也会在这样一个两相界面处释放束缚电子,从而产生电子传输呢?望请各位高人指点一二,如有相关文献推荐一二亦可,谢谢!
个人分类: 纳米点滴|5816 次阅读|0 个评论
最近获得高质量亲水性量子点
zbb 2009-11-8 22:14
最近获得高质量亲水性量子点,具体表现在: 1,亲水性极好 2,胶体稳定性好,几月都不沉; 3,生物相容性好,表面有乙氧基团; 4,荧光效率高,基本维持原有荧光效率; 5,化学反应活性位点,具有羧基基团; 6,可离心分离纯化, 22000rpm 45min(1.5ml离心管),且离心沉淀再分散极容易,这个是对于以后的偶联生物蛋白分子后纯化带来了极大的方便。 7,非特异性吸附小,本人已做了免疫荧光生物检测实验,其非特异性吸附甚小。
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量子点凝胶电泳
zbb 2009-8-24 20:01
以前利用双亲性改性的水溶性量子点跑凝胶电泳,结果出来很不尽人意,有很长的拖尾。现在改用silica包裹的量子点跑电泳,很漂亮! 图片等以后分享!
个人分类: 科研|4383 次阅读|1 个评论
A novel method to enhance quantum yield of silica-coated quantum dots for biodet
zbb 2009-8-19 16:00
In this paper, based on selecting the appropriate type of quantum dots (QDs), a novel method is developed to enhance the quantum yield (QY) of silica-coated QD nanoparticles (SQDNPs). The effect of varying types of QDs on the QY after silica encapsulation is systematically studied. The results show that QDs with appropriate structure and composition of shells can much better retain the initial QY after silanization. The seven-layered shell/core QDs with QY of 47.8% nearly completely retain the original QY and is the best type among six types of QDs for silica modification. In the aspect of shell composition, the CdS plays an important role for QY retention since the lattice mismatch between CdSe and CdS is lower than that of CdSe and ZnS. After the appropriate type of QDs is chosen for silica coating, the highly fluorescent SQDNPs are chemically modified with amine, thiol and carboxyl groups, and then labeled by antibodies for particle-based immunofluorescence assay. The results indicate that the SQDNPsantibody bioconjugates are alternative fluorescent probes useful for biodetection. http://www.iop.org/EJ/abstract/0957-4484/19/46/465604
个人分类: 科研|3970 次阅读|3 个评论
让 电压-电流曲线 变得不再“单调”
jixuanhou 2009-5-6 01:19
你是否已经厌倦了普通的电压-电流曲线?它就是一根直线,线性的欧姆定律是否已经让你觉得乏味? 你是否也看腻了二极管那几十年不变的电压-电流曲线?几十年前它可是个香饽饽,不过现在它已经翻不出什么新花样了。 那么现在我们就让电压-电流曲线翻点新花样吧!!! 1、量子点与负电阻 量子点是今年来科学研究的热点。考虑如下图所示的一个与源和漏接触的二能级量子点。 当在源和漏上加上电压,那么量子点上就会有电流通过。我们将量子点两边的电势差逐渐增大。当量子点两边的电势差与量子点本身的基态与激发态的能级差相等的时候,就会发生共振,这时电流会忽然增大。当量子点两边的电势差继续增大时,共振条件就不满足,电流就会减小。当量子点两边的电势差增加到量子点能级差的两倍时,又会出现共振现象,电流又会很快增加。如此反复,如下图所示 有趣的是,这将出现负电阻区域,在这些区域里,增大电压,电流反而会减小。 下图显示的是Au(111)-SC5-Fc-Au(111)结的电压-电流曲线,其不规则的形状显示了复杂的分子内部结构。 2、无序绝缘体与电压-电流曲线的跳跃 对无序绝缘体(如InO, TiN和YSi的无序薄膜)的实验观测发现,在低温下如果增加电压超过一定阈值V 1 后,电流会忽然增加几个数量级。如果再降低电压,到底某个阈值V 2 后,电流会忽然减小几个数量级。V 2 V 1 . 如下图所示 其机理如下:考虑电子的运动、晶格的振动(声子的运动),以及电子-声子相互作用。由于电子-声子相互作用非常弱,所以不足以让电子和声子达到热平衡。声子处于较低温度T ph ,而电子受到电流焦耳热的加热,处于较高的温度T e 。T ph T e . 这会导致系统可以处于热的低阻态和冷的高阻态。计算结果显示,整个I-V曲线呈现一个S型,如下图 其中包含一段非物理的虚线,实际系统是不会按照虚线行走的,所以当系统到达V 1 或者V 2 后,会直接跳跃到另一个态上。该过程和过冷汽体凝结成液体、过热液体暴沸成气体的道理是一样的。 总结 现在I-V曲线已经不再是单调连续的了,在新奇的系统中会有新鲜的花样产生。让I-V曲线在数学上不单调,那么看起来也就不单调了。
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中国诺贝尔奖级的量子点激光理论研究在哪里?
zmwang 2009-3-26 10:12
想了解一下国内对量子点的介绍。上网一搜,看到了2008年09月09日的凤凰资讯,人民网消息: “如果说在传统的导弹技术方面中国落后于美国不可否认,因为中国的起步较晚,基础工业较差,加之西方国家对中国军事工业的严格限制。但是在新兴激光的军事技术方面,由于我们与美国起步点相差不大,所以我们的研究处于世界领先地位,如果不是牵涉到军事机密,200x年获诺贝尔奖的恐怕绝不会是俄罗斯人,在量子点激光器方面的理论研究中,中国早就处于世界最领先的地位...” http://news.ifeng.com/mil/2/200809/0909_340_774345_1.shtml 文中提到的那位获诺贝尔奖的俄罗斯人是《纳米研究快讯》的编委,和我有几次电邮联系,确实是在做量子点激光器的研究。但是,他的那个诺贝尔奖却和量子点扯不上多大关系。 我对国内量子点激光器的研究进展应该还是比较了解的,特别是具体实验研究。但还真是从来没听说过中国的量子点激光器理论研究达到了拿诺贝尔奖的水平。这是指谁的工作呢? 把基础理论工作保密到如此地步,也够令人叫绝的了。
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