Ce3+掺杂改善ZnS纳米粒子光学性能的研究

Ce3+掺杂改善ZnS纳米粒子光学性能的研究

但江荣，姚怡彤，刘华，朱改琴，雷燕*

江西科技师范大学材料与机电学院

摘  要：本文对Ce3+掺杂ZnS纳米粒子的光电特性及其制备方法进行综述，旨在为ZnS纳米粒子的掺杂改性研究提供参考与借鉴。

关键词：ZnS；Ce3+；纳米粒子

1、前言

通常制备的ZnS纳米粒子存在量子效率低、发光强度弱、易团聚、表面缺陷态多、水溶性和稳定性差等缺点，无法满足光电子器件及生物医学领域的应用需求[1]。现有的研究已表明：对ZnS纳米粒子进行适当的稀土离子(RE3+)掺杂不仅能够调整它的能带结构，还能利用稀土离子特殊发光性质来改善ZnS量子点的光电特性，满足光电子器件的应用[2,3]。众多稀土离子中，铈离子是稀土元素中占地壳总量最多的元素，约为0.46%[4]，且与其他三价稀土离子相比，三价铈离子(Ce3+)具有较强的发光寿命和较高的光输出能力，在紫外区有较大的吸收。因此，本文对Ce3+掺杂ZnS纳米粒子的研究进行综述汇总，有望为稀土掺杂ZnS纳米材料的研究提供参考与借鉴。

2、Ce3+掺杂ZnS纳米粒子

近年来，关于Ce3+掺杂改善ZnS纳米粒子光学性质的研究已有较多报道，如：杨晓占等人[5]通过高温固相法制备了Ce3+掺杂ZnS的纳米粒子，研究了其结构、形态和光学特性，研究结果表明：掺杂Ce3+并没有改变ZnS的晶体结构，且与未掺杂的ZnS相比，掺杂Ce3+的ZnS在500 nm附近发出较强的黄绿色荧光，其荧光寿命增强。冯坚[6]通过沉淀法合成了Ce3+单掺的ZnS量子点，发现：Ce3+掺杂的最佳掺杂量为1.5%，其469nm处的蓝色发光强度最高。田修营等人[7]采用微波辅助法合成了ZnS:Ce3+纳米晶，研究发现：激发波长为230 nm时，该材料的荧光强度随着掺杂Ce3+浓度的增加而降低，其原因是发生了浓度淬灭现象。朱超凡[8]采用溶胶-凝胶法和共沉淀法分别合成了ZnS:Ce3+纳米粒子，研究发现：位于670 nm处的Ce3+发射峰受发光基质ZnS的发光影响最小，且纳米粒子的发光强度随着Ce3+掺杂浓度的增加而增强，Ce3+的最佳掺杂浓度为5%。吴梓伟[9]釆用低温水浴法制备了ZnS纳米粒子，研究结果表明：Ce3+的掺杂会降低ZnS:Ce3+的禁带宽度，进而增强样品对光的利用率增强。雷燕等人[10]通过低温固相法合成了不同浓度Ce3+掺杂的ZnS量子点，他们发现：Ce3+的掺杂同样会降低ZnS量子点的禁带宽度，增加载流子浓度，提高辐射复合几率，进而提高量子点的发光强度，当掺杂量为3%时，样品的发光强度约为未掺杂的2倍。董冬青[11]采用水相共沉淀法制备了Cu和Ce共掺杂的ZnS量子点，研究结果表明：ZnS:Cu,Ce的荧光强度比ZnS:Cu明显增加，其原因在于Cu和Ce离子共掺杂会形成D-A对和电荷补偿。寇春雷等人[12]采用水热法合成了Ce3+掺杂ZnS纳米线，研究发现：随着Ce3+浓度的增加，Zn空位与S空位的发射强度的比值增大，因此Ce3+引入对ZnS的发光特性有较大的影响。

3、结语

总之，利用Ce3+独特d-f跃迁和电荷迁移性质，作为发光材料的发光中心可有效改善ZnS纳米粒子的光学性能。现今的研究成果，使我们对Ce3+掺杂的ZnS纳米粒子的光电特性有了更进一步的认识，但现有的研究结果仍存在分散和不够系统的不足，需要从实验和理论上作进一步的研究和探讨。

4、参考文献

[1]Liang Y, Li P, Zhu B, et al. Highly improved nonlinear optical responses of reduced graphene oxide via the decoration of Ni doped ZnS nanoparticles[J]. Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, 2022, 50: 101004.

[2]Shukla V, Singh M. Room temperature luminescence and ferromagnetism from transition metal ions: Mn-, Co-and Ni-doped ZnS nanoparticles[J]. Materials Science and Engineering: B, 2022, 280: 115685.

[3]Othman A A, Osman M A, Ali M A, et al. Influence of doping with Sb3+, In3+, and Bi3+ ions on the structural, optical and dielectric properties of ZnS nanoparticles synthesized by ultrasonication process[J]. Physica B: Condensed Matter, 2021, 614: 413041.

[4]徐晶,宋术岩,张洪杰.铈及其化合物的性质与应用[J].化学教育(中英文),2019,40(08):1-6.

[5]杨晓占，雷勇，肖虎，等.基于ZnCeS的荧光猝灭型硫化氢气体传感器[J].光子学报,2018,47(10):148-153.

[6]冯坚. 绿色掺杂型ZnS量子点的制备及其光学性能研究[D].暨南大学,2018.

[7]田修营，文瑾，姚俊兰，等.微波辅助合成ZnS∶Ce纳米晶[J].化工新型材料,2017,45(03):175-177.

[8]朱超凡. 稀土掺杂锌基纳米材料的制备及荧光标记性能[D].长春理工大学,2017.

[9]吴梓伟. 锌基纳米材料的制备及吸附与光催化性能研究[D].北京化工大学,2019.

[10]雷燕,张广智,陈忠,等.Ce~(3+)掺杂ZnS量子点的制备和发光性能[J].江西科技师范大学学报,2021(06):26-29.

[11]董冬青. ZnS及其掺杂量子点的制备与荧光性能研究[D].天津理工大学,2008.

[12]寇春雷,孙或,曹健,等.Ce掺杂ZnS纳米线的制备及光学性质研究[J].吉林化工学院学报,2013,30(05):59-61.

作者简介：但江荣（1999—），女，汉族，籍贯：江西都昌，研究生在读，单位：江西科技师范大学，研究方向：纳米发光材料。邮编：330038

项目名称：江西科技师范大学研究生创新专项资金资助项目（YC2022-x13）