分解幻數團簇前驅體化合物低溫制備高產率超小尺寸硫化鎘量子點

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

利用三辛基氧化膦(TOPO)分解樣品在預成核階段形成的幻數團簇(MSCs)的前驅體化合物(PCs)，低溫高效制備不含PCs和MSCs的超小尺寸膠體硫化鎘量子點(CdS QDs)。(a)基于余氏二步演化模型的TOPO作用機理示意圖，和120 °C制備不含副產物PCs和MSCs的高產率超小尺寸CdS QDs實例。(b1) PCs形成后，室溫加入TOPO，(c1)室溫制備不含副產物PCs和MSCs的超小尺寸CdS QDs。(b2)沒有TOPO加入時，(c2)產物含極少QDs，大量副產物MSCs和PCs。基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜顯示，TOPO的加入導致了PCs的分解：(d)有TOPO加入時，沒有檢測到PC的特征峰，(e)無TOPO加入時，檢測到PC的特征峰。

膠體半導體量子點(QDs)在生物、能源、環境領域具有巨大的應用潛力1-3。由于量子限域效應，半導體QD的光學性質受控于尺寸大小。因此，大量的合成研究專注于QD的尺寸控制。在較低反應溫度和較短反應時間條件下，傳統合成小尺寸IIVI族QD的產率極低。例如，硒化鎘(CdSe) QD的產率小于2%4；小尺寸硫化鎘(CdS) QD的合成通常伴隨多種副產物的生成，如CdS幻數團簇(MSCs)及其前驅化合物(PCs)5。低溫制備高產率超小尺寸膠體半導體QD的研究，既是本領域的一個巨大挑戰，又是本領域的一個研究空白點。

最近，四川大學余睽教授課題組通過分解幻數團簇(MSCs)的前驅化合物(PCs)，實現了超小尺寸CdS QD的低溫高產率制備技術。該成果已在Angewandte Chemie International Edition上發表6。通過加入三辛基氧化膦(TOPO)來分解成核前誘導期生成的CdS幻數團簇(MSCs)的前驅化合物(PCs)，首次實現了高產率超小尺寸CdS QD的低溫成核生長。該課題組發現，對于一個在1-十八烯(ODE)中用油酸鎘(Cd(OA)2)和硫粉(S)的傳統反應，在PCs形成后的預成核階段，加入TOPO，可以實現高產率超小尺寸CdS QD的低溫制備。基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometry，MALDI-TOF MS)的實驗數據，有力地支持了TOPO分解PCs的假說，加深和完善了對室溫成核生長超小尺寸CdS QD的認識和理解。課題組進一步發現，當在反應開始時(Cd―S共價鍵形成前，即PC生成前)加入TOPO，雖然PC的生成被抑制，但不能同等有效地降低CdS QD的成核生長溫度，也不能同等有效地提高小尺寸CdS QD的產率。由此，進一步支持了先生成PCs，再將其分解，用其分解產物作為合成CdS QD的原料，有利于低溫制備高產率超小尺寸CdS QD這一首次提出來的科學結論。

四川大學余睽教授課題組近年提出的II-VI族QD的余氏二步演化路徑模型5,7-9，是指導發展這種全新的低溫高效制備方法的理論基礎。該模型指出，在膠體半導體二元ME QD反應體系中，存在著兩條不同的反應前驅體演化路徑(圖a)，其中一條路徑是通過單體(monomers/fragments)到QDs，另一條路徑是通過PCs到MSCs。前一條QD的形成路徑為經典成核理論路徑，即反應體系中，部分陰陽離子前驅體首先反應生成單體，當單體濃度超過臨界值之后便開始成核生長形成QDs。后一條MSC的形成路徑，在反應初期，部分陰陽離子前驅體會通過非共價鍵相互作用首先進行自組裝8,9；自組裝體中陰陽離子成鍵(M－E)然后形成PCs8；PCs再以一級反應動力學通過一對一的方式轉化形成MSCs10。在有QD生長的情況下，通過PCs的碎片化，QDs可以繼續長大。因此，從反應前驅體經單體到QDs，和經PCs到MSCs的兩條路徑，相互關聯。

針對II-VI族QD的余氏二步演化路徑模型，和其他材料體系，包括鈣基無機物11、有機物12、高分子13和金屬14，的多步成核模型有明顯的共性。近期報道的利用碳酸鈣寡聚物來合成純凈碳酸鈣塊狀材料這種方法11，與余睽教授課題組報道的利用PCs低溫制備高產率超小尺寸QD的方法6，具有相似的制備原理。同時，余睽教授課題組提出的基于該余氏二步演化路徑模型的余氏二步合成法5，適用于一系列不同的二元II-VI族半導體MSC的低溫高效合成7-10，具有極大的普適性。余氏二步演化路徑模型為理解QD和MSC的生長關系，控制QD的成核生長，提供了理論基礎；在指導QD和MSC的合成方面，也已取得了突破性進展；引領并拓展了學科前沿。同時，該模型的提出促進了非經典多步成核理論的發展，為半導體納米材料的合成制備技術發展成一個完整的科學體系，做出了重要的貢獻。