圖一 PbS-OA和PbS-PbI2的TEM圖、示意圖以及兩者的典型循環伏安圖。

 

作為零維半導體納米粒子，量子點（QDs）具有廣泛的尺寸可調性、易于溶液工藝制造以及良好的抗濕氣和抗氧穩定性，這些特性使得量子點在光電應用方面，如光伏發電、發光二極管、光電探測器、激光等，顯示出了巨大的潛力。其中，硫化鉛量子點（PbS QDs）憑借其較高的能量轉換效率成為一種極具前景的光伏材料。目前，大部分合成的硫化鉛量子點都被不同種類的有機長鏈配體（尤其是油酸）鈍化，以保持其穩定性，但長鏈配體不利于提高量子點的載流子遷移率，在實際應用中需要通過配體交換過程將有機長鏈替換成較短的配體。另一方面，光電器件的大規模制造要求配體交換過程在液體中快速完成，以獲得通過單步沉積得到的可直接使用的量子點墨水，從而最大限度地減少材料的浪費。以銨鹽和鹵素配體為基礎的改進方法已經取得了進展，但其實現的具體機理和最優配體比例尚不清楚。

 

本研究利用電化學方法研究量子點的液相配體交換過程。實驗所得的循環伏安圖顯示，配體交換后的硫化鉛量子點表面的碘化鉛的Pb(II)和核心硫化鉛的Pb(II)有著不同的還原峰。這是第一個直接證據表明經過配體交換的硫化鉛量子點形成了核-殼結構。和其他傳統的表征方法相比，普通透射電鏡沒有足夠的分辨率來區分如此薄的配體層，XPS顯示的是間接的內軌道結合能，其他成分分析手段只能給出平均結果。而本文提出的電化學方法將成為研究和調整量子點表面電化學的有力工具。

 

對于受靜電平衡影響的液相配體交換過程，配體/量子點的比例被認為是確保高質量和穩定量子點墨水的關鍵。本文采用循環伏安法（CV）、X射線光電發射光譜（XPS）和紫外-可見吸收光譜（UV-vis）對PbS-OA量子點和在不同濃度PbI2下制備的PbS-PbI2量子點進行了研究。研究表明，當配體交換過程中的配體濃度低于一定值，量子點的鈍化質量隨著配體濃度的增加而提高。而超過此特定值，過高的配體濃度會導致多余配體通過陰離子交換過程侵蝕量子點，導致量子點的穩定性下降，甚至進一步導致量子點的分解。通過此項研究確定的最佳配體/量子點比例有助于提高量子點墨水的穩定性，這不僅有利于降低量子點應用成本，擴大量子點應用范圍，更有望提高相關應用中太陽能光子的轉換效率或熒光效率。更重要的是，這項工作為拓展量子點的應用開辟了新的途徑，如制備具有廣泛的應用前景的水性量子點墨水。

 

此項研究得到了深圳大學自然科學基金項目、廣東省區域聯合基金項目和國家自然科學基金項目的資助，深圳大學為第一完成單位。

本文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c03423