SiO2鈍化提高CdSe/ZnS量子點的發光穩定性

寧平凡， 劉宏偉， 牛萍娟1,， 劉國旭， 李曉云， 韓麗麗1,， 高軼群

(1. 天津工業大學 電氣工程與自動化學院， 天津 300387； 2. 天津工業大學 大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心， 天津 300387； 3. 易美芯光(北京)科技有限公司， 北京 100176)

1 引 言

半導體膠體量子點作為一種新型波長轉換材料，具有發射光譜窄、量子產率高、容易與器件集成等優良特性，并且可以通過改變尺寸來調控其光學與電學性質[1-2]。這些卓越的特性使其在激光、LED、光伏器件、光電傳感器以及生物檢測等不同領域都有重大的潛在應用價值，因而受到了廣泛的關注[3]。

然而，量子點應用于實際LED封裝時還面臨很多挑戰，光誘導功能退化便是膠體量子點在應用中面臨的主要挑戰之一[4]。由于量子點具有很高的比表面積，使其對表面狀態與環境條件非常敏感。前期許多研究者報道了關于量子點在不同條件下的光誘導效應的研究工作，揭示了光致氧化、光致熒光增強等多種光誘導現象[5-7]。對于光致熒光增強現象，Manna等提出了光退火引起表面重構的物理機制[8]，而Nazzal等提出了通過水分子的光介導吸附引起表面缺陷鈍化的物理機制[5]。許多研究也說明了光致氧化對量子點發光性能的危害，它會使帶隙中產生非輻射深陷阱態，從而降低量子產率。量子點表面產生的氧化層使量子點的尺寸減小，增大其尺寸不均勻性，這將導致發射光譜的藍移和發光峰展寬[5]。

為了提高量子點的發光效率和穩定性，往往需要用另一層更寬帶隙的半導體材料殼層(如ZnS)來保護量子點[9]。然而，研究表明，即使對于核/殼結構的量子點，在強光照射下也會發生光致發光強度的大幅衰減。這表明，硫化鋅殼并不是一個理想的阻隔層，所以氧氣可以擴散穿透硫化鋅殼進而氧化量子點核[10-12]。

金屬氧化物或者介質薄膜具有透光性好、致密度高、能夠有效阻隔水汽和氧氣等優點，通常在光電子器件或微電子器件中起鈍化、阻隔保護作用[13]。有研究表明用化學或物理的方法在量子點上生長介質層是一種對其進行表面鈍化、提高穩定性的有效方法[14]。通常用來生長介質層的方法有化學氣相沉積、分子束外延、原子層沉積、激光脈沖沉積、磁控濺射等。在已有的報道中，關于使用化學氣相沉積、分子束外延、原子層技術在量子點上沉積介質鈍化層的工作較多[15-17]。有人研究了氧化鋅薄膜中CdSe/ZnS量子點的發光性能[17]，還有人比較研究了等離子體增強原子層沉積和熱激發原子層沉積技術在CdSe多殼層膠體量子點上生長氧化鋁薄膜[18]。最近有研究者報道了原子層沉積Al2O3層對CdSe/ZnS量子點光致退化現象的影響，Al2O3層使CdSe/ZnS量子點的發光穩定性得到了明顯提高[19]。

本文通過磁控濺射工藝在CdSe/ZnS量子點上沉積了SiO2介質層，并使用連續波激光光源研究了鈍化和未鈍化量子點的穩態光致發光光譜。為了分析光誘導量子點功能退化的機制，分別在空氣氣氛與真空中進行了激光照射的對比實驗。結果顯示磁控濺射生長的SiO2薄膜提升了CdSe/ZnS量子點的發光穩定性。

2 實驗過程

2.1 CdSe/ZnS量子點的合成

本研究中通過三正辛基膦輔助連續離子層吸附反應(TOP-SILAR)方法制備了紅色CdSe/ZnS核殼膠體量子點[20]。首先在手套箱內制備Zn、Se和S的儲備液。然后將氧化鎘、硬脂酸于三口瓶內在惰性氣氛下220℃反應制備得到無色透明的 (Cd(SA)2)，再加入適量十八胺和十八烯(ODE)重新升溫至270℃，注入Se儲備液于250℃生長5min，萃取純化后的 CdSe 量子點溶于正己烷中，得到CdSe量子點核的正己烷儲備液。取適量上述量子點核的儲備液加入三口瓶內，再依次加入十八胺和十八烯，真空除正己烷、水、氧后，惰性氣氛下，于140℃加入活化劑三正辛基膦，加熱至200℃活化30min。活化結束后，滴入適量Zn儲備液，于200℃作用20min，而后降溫至180℃，滴入S儲備液，加熱至220℃作用60min，原位生長第一層ZnS殼層。循環該過程，得到3殼層的CdSe/ZnS核殼量子點，萃取純化后溶于正己烷中。

2.2 量子點上沉積SiO2鈍化層

采用射頻磁控濺射方法在CdSe/ZnS量子點上沉積SiO2，樣品的制備工藝流程如圖1所示。首先用PECVD方法在硅襯底上生長一層50nm厚的二氧化硅層，然后將量子點溶液旋涂在二氧化硅上，最后用射頻磁控濺射方法覆蓋20nm的SiO2薄膜。實驗使用Ar氣作為濺射氣體，工作氣壓為0.7Pa，自偏壓為620V，濺射功率為80W，沉積時間為10min。

圖1 SiO2薄膜鈍化CdSe/ZnS量子點示意圖

Fig.1Schematic illustration of embedding CdSe/ZnS nanocrystals into SiO2layers

2.3 測試與表征

利用TU-1901型紫外-可見分光光度計與Zolix Scan PL光譜測試系統分別測試量子點的吸收光譜與PL光譜，所有測試均在室溫下進行。量子點的絕對量子產率由愛丁堡FS5熒光光譜儀在積分球中測得。為了研究光輻照對有SiO2薄膜鈍化和沒有SiO2薄膜鈍化的CdSe/ZnS量子點發光性能的影響，使用532nm的連續波激光器分別對樣品進行了1，2，5，10，20min的照射，然后分別測試其PL光譜，對比變化情況。為了比較研究量子點的光誘導性能衰變行為，分別在空氣與真空中各進行了一組激光照射實驗，樣品承受光輻照的功率密度為47kW/cm2。測試在真空中進行時，真空壓力保持為0.01Pa。

3 結果與討論

3.1 SiO2對CdSe/ZnS量子點PL光譜的影響

采用TOP-SILAR方法合成的CdSe/ZnS量子點及其吸收光譜、PL光譜如圖2所示。樣品發光為紅色，峰值波長為610nm，發光峰的半高寬度(FWHM)為35nm。說明使用該方法生長了3層ZnS殼的CdSe量子點依然能夠保持良好的發光單色性。CdSe/ZnS量子點發光的絕對量子產率為65.6%。

圖2 CdSe/ZnS量子點的PL光譜與吸收光譜

圖3顯示了SiO2/Si基片上有SiO2薄膜鈍化和沒有SiO2薄膜鈍化的CdSe/ZnS量子點的PL光譜。覆蓋SiO2薄膜之后PL峰值強度降為了原來的78%，量子點的PL峰沒有發生明顯的移動和展寬。據文獻報道，在CdSe/ZnS量子點上原子層沉積生長Al2O3薄膜后，量子點的PL峰值強度降為了原來的62%，并且PL峰發生了明顯的紅移和展寬[19]。這是因為，原子層沉積過程中的熱退火會使其表面配體脫落并產生表面缺陷，而且高溫時量子點也更易于發生團聚，導致量子點的電子耦合增強。這些因素往往會引起PL測試中量子點發光強度降低、光譜紅移以及發光峰展寬等現象。本研究中采用的方法是常溫下磁控濺射沉積SiO2薄膜，沒有熱退火的過程因此對量子點的表面配體破壞較小，因此保持了量子點較高的發光強度和更好的顏色特性。

圖3無SiO2鈍化(實線)和有SiO2鈍化(虛線)的CdSe/ZnS量子點的PL光譜

Fig.3PL spectra of unpassivated QDs (dotted line) and SiO2passivated QDs (solid line)

3.2 強光輻照對兩種樣品PL光譜的影響

空氣氣氛與真空中強光輻照對樣品PL光譜的影響如圖4所示。從圖4(a)、(b)可以看出，在空氣氣氛中，沒有SiO2鈍化的樣品經激光照射10min后PL光譜強度發生了大幅度的減小，強度約為初始值的26%；而有SiO2鈍化的樣品經激光照射10min后PL光譜幾乎沒有發生改變。圖4(c)、(d)分別說明了在空氣氣氛與真空條件下有SiO2鈍化和沒有SiO2鈍化的CdSe/ZnS量子點的PL光譜強度隨著所承受激光照射時間的變化情況。隨著空氣氣氛中激光照射時間的持續增加，無SiO2鈍化的樣品PL光譜強度不斷減小，照射20min的樣品PL強度減為初始值的17%；而有SiO2鈍化的樣品在整個時間段內PL強度沒有明顯變化。在真空條件下激光照射對兩種樣品的PL強度都沒有造成影響。上述對比說明，磁控濺射沉積SiO2薄膜顯著減輕了空氣氣氛中光輻照引起的CdSe/ZnS量子點的功能退化，提高了其發光穩定性。

圖4空氣氣氛與真空中光輻照對無SiO2鈍化和有SiO2鈍化的量子點樣品光致發光性能的影響。(a)空氣中激光輻照前后QD樣品的PL光譜；(b)空氣中激光輻照前后SiO2/QD樣品的PL光譜；(c)空氣中激光輻照時間對PL強度的影響；(d))真空中激光輻照時間對PL強度的影響。

Fig.4PL spectra of the unpassivated (a) and passivated (b) QDs irradiated for0and10min in air. Temporal evolution of PL intensities in air (c) and in vacuum (d) under excitation for the unpassivated and passivated QDs.

圖5顯示的是空氣氣氛中激光照射對有SiO2鈍化和沒有SiO2鈍化的CdSe/ZnS量子點PL光譜的峰值波長和FWHM的影響。可以看出，隨著激光照射時間的延長沒有SiO2鈍化的量子點的PL峰值不斷發生藍移，FWHM不斷增大，這與圖4(c)中PL強度降低是相對應的。有研究報道，光照會產生空穴促進CdSe量子點與空氣中的氧發生氧化反應生成SeO2，量子點表面氧化層的產生導致缺陷增加，從而顯著降低量子效率。另一方面，光誘導氧化作用使得量子點的有效尺寸逐漸減小并使其尺寸差異變大，因此發生PL峰藍移和展寬現象[12]。SiO2薄膜能夠阻擋空氣中的水汽和氧分子，這樣即使在高強度光的照射下量子點表面被氧化的幾率也很小，因此提高了CdSe/ZnS量子點的穩定性。

圖5空氣氣氛中樣品PL光譜的峰值波長和FWHM隨光輻照時間的變化

Fig.5Temporal evolution of PL peak and FWHM for samples irradiated in air

4 結 論

本文研究了強光輻照對有SiO2鈍化和沒有SiO2鈍化的CdSe/ZnS量子點發光穩定性的影響。對比發現，在空氣氣氛中光照射使得沒有SiO2鈍化的量子點發生了顯著的光致功能退化：PL強度降低、峰值發生藍移，FWHM增大，而SiO2薄膜大大改善了這種光致功能退化現象。綜上所述，在量子點上通過磁控濺射方法沉積一層SiO2薄膜能夠有效阻擋空氣中的水汽和氧分子，減緩量子點表面的氧化，從而提高其發光穩定性。

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