2.1 稳态吸收和荧光光谱
不同粒径的CdSe 量子点的稳态吸收和荧光光谱如图4所示.在实验中使用了3种不同粒径的量子点,从图4(a)和(b)可以看出,由于量子尺寸效应的存在,随着量子点粒径的增大,CdSe的稳态吸收和荧光特征谱峰均有明显的红移[22],粒径3.0,3.5和4.0 nm的CdSe量子点的第一激子吸收峰分别在550,565和590 nm附近,对应于各自的1S(e)-1S3/2(h)跃迁[23],发射峰位置则分别位于565,575和605 nm附近.通常可以用荧光猝灭程度与猝灭剂浓度的关系,即Stern-Volmer(SV)方程来研究稳态荧光的猝灭机理:I0/I=1+KSVc(C60),其中I和I0分别为有、无猝灭剂C60存在时CdSe量子点的荧光强度,KSV是荧光猝灭常数,c(C60)是C60的浓度.图4(c)的SV插图拟合得到KSV=27.7±4.3.线性SV图表明,C60对CdSe荧光的猝灭可能是由静态猝灭(基态相互作用)或动态猝灭(激发态相互作用)引起的.由图4(d)可知,C60的加入对量子点吸收峰的形状基本无明显影响,而且CdSe的荧光寿命显著减小(图5和表1),表明二者间不存在显著的基态相互作用,其荧光猝灭主要是由激发态相互作用引起的动态猝灭.而荧光的动态猝灭主要有共振能量转移(FRET)和直接电子转移(DET)两种机制[24-26],其中FRET要求供体的荧光光谱与受体的吸收光谱有交叉重叠.从图4(b)可以看出CdSe的荧光谱峰与C60的吸收谱峰没有重叠,因此可以排除FRET[17-18,27].
(a)量子点吸收光谱;(b)量子点的荧光光谱和C60的吸收光谱;(c)3.0 nm CdSe荧光强度随C60浓度的
变化(插图为SV图);(d)3.0 nm CdSe,C60和CdSe-C60的吸收光谱.
图4 CdSe量子点和C60甲苯溶液的稳态吸收和荧光光谱
Fig.4 Steady state absorption and fluorescence spectra of CdSe quantum dots and C60 in toluene solution
2.2 CdSe-C60溶液的瞬态光谱
为进一步理解CdSe 量子点与C60间的荧光猝灭机制,用瞬态荧光光谱对CdSe-C60混合体系的荧光弛豫过程进行研究.图5给出了3.0 nm的CdSe量子点在不同浓度C60存在下的荧光强度衰减曲线.研究发现随着C60浓度增大,CdSe 量子点荧光衰减加快,3.5和4.0 nm CdSe量子点的荧光强度衰减也有类似趋势(图略).
图5 在不同C60浓度下3.0 nm CdSe量子点(3 μmol/L)的瞬态荧光衰减曲线
Fig.5 Transient time-resolved fluorescence of 3.0 nm CdSe quantum dots(3 μmol/L)under different C60 concentration
对荧光衰减曲线进行三指数拟合可以得到它们的荧光寿命. CdSe量子点的荧光寿命随C60质量浓度递增的变化汇总于表1,可见随着C60质量浓度的递增,3种粒径量子点的荧光寿命均减小,表明3种粒径的CdSe量子点和C60之间均存在着强烈的激发态相互作用,C60对CdSe的荧光猝灭可能源于电子转移[28].
表1 CdSe量子点的荧光寿命随C60质量浓度的变化
Tab.1 C60 concentration-dependent fluorescence lifetime of CdSe quantum dots
图6给出了根据经验公式计算得到的CdSe量子点导带和价带位置[29-30],可知CdSe量子点导带与C60的LUMO能带位置满足发生电子转移的条件[11,31],但不能发生空穴转移.综合以上稳态吸收、稳态和瞬态荧光的实验结果以及能带位置关系,得出CdSe的荧光猝灭是由量子点向C60的电子转移造成的.
图6 CdSe量子点和C60的能级位置图
Fig.6 Energy level position diagram of CdSe quantum dots and C60
为了进一步探究CdSe量子点向C60电子转移的情况,用390 nm泵浦光激发CdSe量子点进行TA测试.待测溶液由2 mg C60溶于1 mL 4.5 μmol/L CdSe甲苯溶液制成.图7(a)是3.0 nm CdSe量子点甲苯溶液样品的TA光谱,在不同延时下其第一激子漂白峰位于550 nm附近[32].图7(b)中加入C60后其漂白峰恢复明显加快.3.5和4.0 nm CdSe量子点的第一激子漂白峰分别位于565 和590 nm附近,TA光谱主要特征与图7(a)类似,且加入C60后,漂白恢复同样变快.
图7 3.0 nm CdSe量子点(a)和3.0 nm CdSe-C60(b)甲苯溶液的TA光谱(激发波长390 nm)
Fig.7 TA spectra of 3.0 nm CdSe quantum dots(a)and 3.0 nm CdSe-C60(b)in toluene solution(with 390 nm excitation)
量子点中激子漂白信号的形成是由于光激发产生的电子弛豫到导带的最低能级,导致基态对探测光的吸收减小,而漂白信号的恢复则表示光生电子和空穴的重组,以及电子被捕获的过程[33],所以跟踪其漂白信号随时间的动力学变化,可以对量子点导带边缘的电子布居数的变化情况进行跟踪.为了更直观地考察漂白恢复过程动力学,图8给出了3种粒径CdSe和CdSe-C60的归一化漂白恢复动力学曲线(实线为多指数拟合结果).从图8可以看出,不同粒径的CdSe量子点中加入C60后的漂白恢复均明显加快,且加快的趋势随着量子点粒径的增大而逐渐减缓.
漂白信号随时间恢复的机制比较复杂,通常是多
图8 CdSe量子点与CdSe-C60的漂白峰恢复动力学曲线
Fig.8 Bleach peak recovery kinetic curves of CdSe quantum dots and CdSe-C60
个动力学过程的综合作用,若量子点形貌和所处的环境完全一致,TA的漂白恢复和荧光衰减动力学曲线应该呈单指数型[34],但受合成方法限制,不同量子点缺陷态的含量和分布也不尽相同,造成漂白恢复动力学的复杂化.本文以式(1)的三指数形式对实验结果进行拟合[24,35-36]:
ΔA(t)=-B1e- t/τ1-B2e- t/τ2-B3e- t/τ3,(1)
其中,τi表示各动力学过程的寿命,Bi表示各动力学过程所占的比例.再根据式(2)计算量子点的激发态平均寿命τav[36]:
τav=(∑3i=1Bi×τi)/(∑3i=1Bi).(2)
计算结果如表2所示.
表2 CdSe 量子点和CdSe-C60漂白恢复的动力学参数
Tab.2 Kinetic parameters of the bleach recovery of CdSe quantum dots and CdSe-C60
CdSe量子点本身的漂白峰恢复过程采用三指数拟合.由于存在粒子表面非均质性和粒子间相互作用的影响[14],为了评估体系的整体动力学行为,将几十皮秒的τ1和几百皮秒的τ2归属为电子被浅、深表面态陷阱捕获过程的时间常数,将纳秒级的τ3归属为量子点中载流子(电子-空穴)的本征复合时间常数[25-26,37].从表2可以看出,粒径越大,量子点的激发态平均寿命τav越短,本征复合占比B3越低,说明大粒径量子点表面的缺陷较多,可以形成更多的表面态.加入C60后,CdSe漂白恢复加快,各时间分量均减小,表明存在CdSe向C60电子转移的过程[38].对于3组CdSe-C60,也采用三指数拟合,其中τ1包含CdSe量子点与C60相互作用的电荷分离和电子向C60转移的过程,τ2是电子被量子点上的表面缺陷捕获的过程,纳秒级的τ3代表量子点的本征复合和来自C60的电子反向转移复合[37,39].从表2可以看出,加入C60后,粒径越大的量子点,电子转移时间常数τ1越大,所占的比例B1越小. 其原因是粒径越大,CdSe导带与C60的LUMO能级差越小,电子转移驱动力减小,使得电子转移变慢,电子转移通道占比减小.
加入C60后,CdSe激发态平均寿命减小的主要原因是电子转移到了C60上,通过比较存在与不存在C60时CdSe的激发态平均寿命来估算电子转移速率常数Ket[37,40]:
Ket=1/(τav,CdSe)-1/(τav,CdSe-C60),(3)
其中τav,CdSe和τav,CdSe-C60分别表示CdSe和CdSe-C60激发态的平均寿命.计算结果见表3:在甲苯溶液中,所得3种粒径的CdSe量子点和C60之间的电子转移速率常数已接近扩散碰撞速率的极限; 且随量子点粒径增大,电子转移速率常数明显变小,表明大粒径量子点的电子转移速率变慢,效率降低,不利于光电转换.
表3 CdSe量子点与C60间的电子转移速率常数
Tab.3 Electron transfer rate constant between CdSe quantum dots and C60