稀土硫族化合物纳米晶体合成的实验与理论研究

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本文以稀土硫族化合物为研究体系,从理论和实验两个角度对稀土纳米晶的生长机制进行了细致的研究。(1)稀土硫氧化物体系  我们首先阐释了稀土纳米晶对硬碱(如氧离子、氟离子等)化学势非常敏感的特性,并在这一认识的指导下,通过Na+离子掺杂,以硫粉为硫源实现了轻稀土与中稀土系列的硫氧化物RE2O2S(RE=Rare Earth)纳米晶的合成。我们以La2O2S为模型,通过DFT计算,认为Na+离子掺杂可以提高La2O2S对氧的化学势的承受能力,对其成相起到显著的稳定作用。也即通过异价掺杂,实现了对纳米晶组分的有效控制,这也体现了掺杂纳米晶新颖的合成化学特性。在此基础上,我们对合成得到的La2O2S:Na纳米晶的自组装行为进行了研究,发现除了溶剂挥发诱导的自组装过程外,合成得到的La2O2S:Na纳米板可以在溶液中自发进行面面组装,形成超过百微米的纳米带状结构。这一纳米带状结构不仅可以在300℃以上的高温下稳定存在,还可以通过高沸点液相溶剂为亚相,通过气一液界面的自组装得到高级组装结构。我们推测其中无机-有机界面的共同组装-晶化作用对于这一过程起到至关重要的影响。我们还以La2O2S:Na纳米晶为基质,向其中掺杂可以在紫外激发下发射可见光的Eu(Ⅲ)离子和Tb(Ⅲ)离子,并测定了其瞬态、稳态发光特性。研究表明,得到的钠掺杂的La2O2S:Eu和La2O2S:TB纳米晶分别可以发射红光和绿光,由于发光中心附近晶体场的变化,其发光特性与体相材料有一定的差别。  (2)碱金属稀土硫化物体系  我们合成了NaRES2纳米晶并对其成相条件进行了系统研究。这也是三价稀土硫化物纳米晶首次成功合成。我们通过晶体结构分析和控制变量的实验证实了NaLaS2与La2O2S:Na纳米晶之间的关系,并进一步阐释了Na+离子在稀土与硫形成的化合物纳米晶成相过程中的作用。通过控制不同的反应条件,我们可以大范围的调控NaRES2的尺寸,得到边长10~200 nm的单分散纳米立方体。生成的NaLaS2纳米晶在尺寸较大(边长>100 nm)的时候常呈现凸角(凹面)立方体形貌。通过分析,我们认为这一凸角结构的形成是由于扩散控制下的晶体生长造成的,也即扩散控制对形貌演化的影响。基于硫与贵金属的亲和性,我们以合成的钠稀土硫化物复盐纳米晶作为构筑基元,得到多种与贵金属复合的异质结构纳米晶,如(NaLaS2-Au,Au@NaLaS2);同时,由于Na+和RE3+离子均为典型的硬酸,我们通过离子交换反应可以进一步得到NaLaS2与半导体组成的复杂异质结构纳米晶(如NaLaS2@Ag2S,Au@NaLas2@AgES等)。我们以Au纳米颗粒的表面等离子共振(SPR)性质为切入点,研究了核壳结构纳米晶(如Au@NaLaS2和Au@NaLaS2@AgES)对SPR的调控作用。除此之外,由于NaCeS2还是一种高效、低毒的无机红色颜料,我们研究了NaCeS2纳米晶作为颜料的特性,发现纳米晶具有更高的亮度、更好的透射性质,并可以非常好地分散在塑料当中。我们以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为模型,通过NaCeS2纳米晶将其染色,验证了NaCeS2纳米晶作为红色颜料的广泛应用前景。  (3)其它稀土-硫族化合物体系  通过综合分析以上稀土硫族化合物纳米晶的生长机制,并结合本组稀土卤素化合物纳米晶合成的前期工作,我们提出化学亲和力指导离子化合物纳米晶体成相的基本原则,认为软硬酸碱理论对稀土纳米晶的生长、掺杂与组装等多方面都有指导性意义。在此认识的基础上,我们近期又实现了锂掺杂的Y2O2S:Li H2S为硫源合成的重稀土RE2O2S,以及稀土硒化物NaRESe2等纳米晶的合成,进一步拓展和完善了稀土硫族化合物纳米晶体系。
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