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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林韋怜
研究生(外文):Wei-Ling Lin
論文名稱:利用微波合成二硫化鉬量子點之螢光特性
論文名稱(外文):Photoluminescence Properties of Molybdenum Disulfide Quantum Dots Synthesized by Microwave Heating
指導教授:沈志霖
指導教授(外文):Ji-Lin Shen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:二硫化鉬量子點光激螢光稀釋
外文關鍵詞:MoS2Quantum DotsPhotoluminescenceSelf-trapping
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本論文利用微波合成法來製作樣品,並成功合成出二硫化鉬量子點。透過紫外-可見吸收、光激螢光、時間解析光激螢光探討胺基酸摻雜二硫化鉬量子點的結構及光學特性。而摻雜麩醯胺酸50 mM二硫化鉬量子點螢光強度比未摻雜之二硫化鉬量子點提高約9倍,經由穿透式電子顯微鏡與X射線光電子能譜確認胺基酸替換式摻雜氮是成功的,二硫化鉬量子點平均粒徑約為5.0±0.5 nm。
另外,探討摻雜胺基酸250 mM二硫化鉬量子點稀釋不同倍率,發現藍移(blue-shift)現象。隨稀釋倍率的不同造成峰值改變,推測可能是載子自陷(self-trapping)的情形,且稀釋前後分子間耦合強度不同,為造成藍移之原因。由擬合位移能量變化與濃度關係圖得知,分子間的耦合為遠距離作用力。
隨溫度改變摻雜麩醯胺酸250 mM二硫化鉬量子點高斯數據擬合出低能量與高能量載子行為表現,猜測內部載子轉移的可能,並帶入活化能來探討載子行為的變化,利用光激螢光強度隨溫度變化關係圖進行擬合,擬合出高能量載子躍遷所需活化能為90 meV。計算輻射複合生命期,並擬合與半導體能態密度之關係,發現其在低溫為載子在零維空間中之現象,而當溫度達150 K時,載子獲得熱能脫離侷限態,使載子生命期增加,其在空間中現象轉變為二維。
In this research, microwave heating method was successfully used to synthesized molybdenum disulfide quantum dots (MoS2 QDs)from molybdenum disulfide(MoS2)flakes in water. The size of the MoS2 QDs was observed via transmission electron microscopy (TEM) displaying an average particle size of 5.0 ± 0.5 nm. The amino acid doping was further confirmed using the X-ray photoelectron spectroscope (XPS) measurements. The optical properties of undoped and amino acid doped MoS2 QDs were investigated using ultraviolet-visible (UV-Vis) absorption spectroscope, photoluminescence (PL) and time-resolved PL (TRPL)spectroscopes. The PL intensity of the glutamine-doped (50 mM) MoS2 QDs was observed to be roughly 9 times higher than that of the undoped MoS2 QDs.
The MoS2 QDs with amino acid doping concentration of 250 mM was investigated. Here, the doped MoS2 QDs displays a blue-shift phenomenon. The PL peak was observed to change with varying dilution ratio. It is speculated that the carrier may have been self-trapped, and the intermolecular coupling strength is distinct with varying dilution which may have been responsible for the cause of the blue shift. Based on this observation, it is suggested that the intermolecular coupling is a long-range force.
The PL spectra with varying temperatures were also observed for the glutamine-doped (250 mM) MoS2 QDs sample. Gaussian fitting was utilized to analyze the low energy and high energy carrier behavior. Internal carrier transfer and introduction of an activation energy required for high energy carrier transition is suggested for the optical behavior of doped MoS2 QDs. Based on measurement of PL vs. varying temperature, and the relationship between the PL intensity and temperature, the activation energy is calculated to be about 90 meV. It is found that the carrier is in zero-dimensional space at low temperature, and when the temperature reaches 150 K, the carrier gets thermal energy out of the local state. The lifetime of radiation increases and its phenomenon in space changes to two-dimensional.
目 錄
摘要----------------------------------------------------------------------------------------I
Abstract-----------------------------------------------------------------------------------II
致謝--------------------------------------------------------------------------------------IV
目錄-------------------------------------------------------------------------------------- V
圖表目錄------------------------------------------------------------------------------VIII
緒論-----------------------------------------------------------------------------1
1.1二硫化鉬(Molybdenum Disuldide;MoS2)-------------------------1
1.2量子點----------------------------------------------------------------------5
1.3二硫化鉬量子點之合成方法-------------------------------------------6
1.4胺基酸摻雜二硫化鉬量子點-------------------------------------------8
第二章 樣品介紹及製備原理--------------------------------------------------------9
2.1使用材料------------------------------------------------------------------------------9
2.1.1二硫化鉬--------------------------------------------------------------9
2.1.2過氧化氫(H2O2)----------------------------------------------------10
2.1.3胺基酸---------------------------------------------------------------11
2.2胺基酸摻雜二硫化鉬量子點之製備--------------------------------12
2.3製備量測樣品-----------------------------------------------------------13
第三章 實驗原理與量測系統------------------------------------------------------14
3.1微波合成法--------------------------------------------------------------14
3.2光激螢光光譜(Photoluminescence:PL)-----------------------------15
3.3光激螢光激發光譜(Photoluminescence-excitation;PLE)-------17
3.4紫外-可見光吸收光譜(UV-vis Absorption)------------------------18
3.5時間解析光激螢光光譜-----------------------------------------------20
(Time-Resolved Photoluminescence:TRPL)---------------------20
3.6 X射線光電子能譜儀-----------------------------------------------23
(X-ray photoelectron spectroscopy;XPS)-------------------------23
3.7 穿透式電子顯微鏡----------------------------------------------------25
(Transmission Electron Microscopy;TEM)-----------------------25
第四章 結果與討論------------------------------------------------------------------27
4.1固定微波條件改變加入過氧化氫的量-----------------------------27
4.1.1二硫化鉬量子點之紫外-可見光吸收光譜---------------------28
4.1.2光激螢光光譜(Photoluminescence:PL)-------------------------29
4.1.3光激螢光激發光譜(Photoluminescence-excitation;PLE)----30
4.1.4穿透式電子顯微鏡圖像-------------------------------------------32
4.2胺基酸摻雜二硫化鉬量子點之光學特性--------------------------33
4.2.1胺基酸摻雜二硫化鉬量子點之光激螢光光譜----------------35
4.2.2胺基酸摻雜二硫化鉬量子點之光激螢光激發光譜----------36
4.2.3時間解析光激螢光光譜-------------------------------------------38
4.2.4改變麩醯胺酸濃度摻雜二硫化鉬量子點----------------------40
4.2.4.1改變麩醯胺酸濃度光激螢光光譜---------------------------41
4.2.4.2不同麩醯胺酸濃度之時間解析光激螢光光譜------------42
4.2.5穿透式電子顯微鏡圖像---------------------------------------------44
4.2.6 X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy)----45
4.3稀釋不同倍率之胺基酸摻雜二硫化鉬量子點----------------------48
4.3.1稀釋不同倍率之麩醯胺酸摻雜二硫化鉬量子點---------------49
4.3.2 稀釋不同倍率之光激螢光光譜圖--------------------------------50
4.3.3 稀釋不同倍率之紫外-可見吸收光譜----------------------------52
4.3.4 稀釋不同倍率之時間解析光激螢光光譜-----------------------54
4.4 光激螢光強度隨溫度變化之二硫化鉬量子點----------------------55
4.4.1 量子點速率方程式--------------------------------------------------59
4.4.2二硫化鉬量子點隨溫度變化之時間解析光激螢光光譜------61
4.5 胺基酸摻雜二硫化鉬量子點之電學特性----------------------------64
4.5.1 閘極背電壓與汲極電流曲線圖-----------------------------------65
第五章 結論---------------------------------------------------------------------------68
參考文獻--------------------------------------------------------------------------------70
圖表目錄
圖1.1.1二硫化鉬(a)化學結構(b)塊材及單層能帶結構-----------------------1
圖1.1.2二硫化鉬八面體晶格與三角菱鏡型--------------------------------------2
圖1.1.3 二硫化鉬(a)光激螢光光譜隨層數變化(b)拉曼光譜晶格震盪模式(c)拉曼光譜隨層數變化(d)拉曼峰值隨層數變化------------------------3
圖1.2.1(a)能級結構示意圖(b)半導體的能態密度------------------------------5
圖2.1.1二硫化鉬溶液-----------------------------------------------------------------9
表2.1.1二硫化鉬溶液詳細資訊-----------------------------------------------------9
圖2.1.2過氧化氫(35 %)-------------------------------------------------------------10
表2.1.2過氧化氫詳細資訊----------------------------------------------------------10
表2.1.3胺基酸之相關資訊----------------------------------------------------------11
圖2.2.1實驗示意圖-------------------------------------------------------------------12
圖2.3.1製備量測樣品實驗示意圖-------------------------------------------------13
圖3.1.1 微波合成實驗示意圖------------------------------------------------------14
圖3.2.1 光激螢光原理示意圖------------------------------------------------------16
圖3.2.2光激螢光量測系統----------------------------------------------------------16
圖3.4.1吸收光譜軌域電子躍遷示意圖-------------------------------------------19
圖3.4.2紫外-可見光分光光譜儀---------------------------------------------------19
圖3.5.1 TCSPC示意圖---------------------------------------------------------------21
圖3.5.2時間解析光激螢光系統架設圖-------------------------------------------22
圖3.6.1 XPS儀器原理示意圖-------------------------------------------------------24
圖3.7.1穿透式電子顯微鏡構造示意圖-------------------------------------------26
圖4.1.1 由左至由分別為加入過氧化氫0、0.5、1、2、3 ml(a)日光燈下呈現透明無色(b)UV燈下呈現藍綠色螢光-------------------------------------27
圖4.1.2(a)原始二硫化鉬溶液之吸收光譜(b)經微波合成二硫化鉬量子點之吸收光譜--------------------------------------------------------------------------28
圖4.1.3 (a)改變過氧化氫加入量之二硫化鉬量子點光激螢光光譜 (b)改變過氧化氫加入量之最強螢光與原始螢光比較圖--------------------------29
圖4.1.4二硫化鉬量子點之光激螢光激發光譜----------------------------------30
圖4.1.5 二硫化鉬量子點激發光對螢光波長的關係---------------------------31
圖4.1.6 二硫化鉬量子點之TEM圖像(a)TEM(b)HRTEM(c)粒徑大小分布--------------------------------------------------------------------------------32
圖4.2.1 胺基酸摻雜二硫化鉬量子點結構示意圖------------------------------33
圖4.2.2 微波合成前後比較圖,左至右分別為MoS2 QDs、MoS2 QDs + Glutamine、MoS2 QDs + Cysteine、MoS2 QDs + Arginine、MoS2 QDs + Asparagine、MoS2 QDs + Lysine和MoS2 QDs + Histidine--------------------34
圖4.2.3 在UV燈下呈現藍綠色螢光,由左至右分別為MoS2 QDs、MoS2 QDs + Glutamine、MoS2 QDs + Cysteine、MoS2 QDs + Arginine、MoS2 QDs + Asparagine、MoS2 QDs + Lysine和MoS2 QDs + Histidine-----------34
圖4.2.4 不同胺基酸摻雜之二硫化鉬量子點(a)光激螢光光譜(b)螢光強度比較--------------------------------------------------------------------------------35

圖4.2.5 二硫化鉬量子點摻雜之光激螢光激發與光激螢光光譜
(a)MoS2 QDs + Glutamine(b)MoS2 QDs + Histidine(c)MoS2 QDs + Arginine(d)MoS2 QDs + Cysteine(e)MoS2 QDs + Lysine(f)MoS2 QDs + Asparagine----------------------------------------------------------------------------36
圖4.2.6 六種胺基酸摻雜二硫化鉬量子點隨激發波長改變之螢光光譜---37
圖4.2.7 具胺基酸摻雜的二硫化鉬量子點之時間解析光激螢光光譜圖(a)六種胺基酸摻雜二硫化鉬量子點(b)原始與麩醯胺酸摻雜二硫化鉬量子點擬合數據-----------------------------------------------------------------------------38
表4.2.1 胺基酸摻雜二硫化鉬量子點之載子生命期---------------------------39
圖4.2.8 日光燈下不同濃度之麩醯胺酸摻雜二硫化鉬量子點,由左至由為0 mM至500 mM麩醯胺酸摻雜----------------------------------------------------40
圖4.2.9 UV燈下由左至由為0 mM至500 mM麩醯胺酸摻雜----------------40
圖4.2.10 不同麩醯胺酸濃度摻雜二硫化鉬量子點(a)光激螢光光譜(b)螢光強度比較--------------------------------------------------------------------------41
圖4.2.11 不同麩醯胺酸濃度摻雜二硫化鉬量子點之時間解析光激螢光光譜圖(a)1 mM至500 mM麩醯胺酸摻雜二硫化鉬量子點(b)原始、1 mM與50 mM麩醯胺酸摻雜二硫化鉬量子點擬合數據----------------------------42
表4.2.2 不同麩醯胺酸濃度摻雜之載子生命週期及螢光強度比較---------43
圖4.2.12 胺基酸摻雜二硫化鉬量子點之TEM圖像(a)(b)(c)麩醯胺酸摻雜之TEM 、HRTEM、粒徑大小分布(d)(e)(f)組胺酸摻雜之TEM 、HRTEM、粒徑大小分布-------------------------------------------------44
圖4.2.13 二硫化鉬量子點X射線光電子能譜圖------------------------------45
圖4.2.14 二硫化鉬量子點Mo 3d能譜(a)原始二硫化鉬量子點(b)摻雜之二硫化鉬量子點-----------------------------------------------------------------46
圖4.2.15二硫化鉬量子點S 2p能譜(a)原始二硫化鉬量子點(b)摻雜之二硫化鉬量子點--------------------------------------------------------------------47
圖4.2.16 二硫化鉬量子點N 1s能譜----------------------------------------------47
圖4.3.1稀釋不同倍率之胺基酸摻雜二硫化鉬量子點-------------------------48
圖4.3.2 日光燈下不同稀釋倍率之樣品,由左至右分別為0、0.5、1、3、10、100倍-------------------------------------------------------------------------------49
圖4.3.3 UV燈下不同稀釋倍率之樣品,由左至右分別為0、0.5、1、3、10、100倍------------------------------------------------------------------------------------49
圖4.3.4 250 mM麩醯胺酸濃度摻雜的二硫化鉬量子點稀釋不同倍率(a)光激螢光光譜圖(b)光激螢光強度比較圖---------------------------------------50
圖4.3.5 250 mM麩醯胺酸濃度摻雜的二硫化鉬量子點稀釋不同倍率(a)光激螢光光譜圖歸一化(b)峰值位置---------------------------------------------51
圖4.3.6不同稀釋倍率之紫外-可見吸收光譜------------------------------------52
圖4.3.7能量與濃度關係圖----------------------------------------------------------52
圖4.3.8 稀釋前後示意圖------------------------------------------------------------53
圖4.3.9 250 mM麩醯胺酸摻雜的二硫化鉬量子點不同稀釋倍率(a)時間解析光激螢光光譜(b)螢光衰減時間---------------------------------------------54
圖4.4.1 摻雜250 mM麩醯胺酸二硫化鉬量子點隨溫度變化之光激螢光光譜-----------------------------------------------------------------------------------------55
圖4.4.2 溫度15 K下高斯分佈擬合光激螢光光譜-----------------------------56
圖4.4.3 隨溫度變化峰值位置圖---------------------------------------------------56
圖4.4.4 隨溫度變化半高寬度改變------------------------------------------------57
圖4.4.5(a)高能量(b)低能量(c)缺陷螢光峰值強度隨溫度變化關係圖-----------------------------------------------------------------------------------------58
圖4.4.6 重新擬合之螢光峰值強度隨溫度變化關係圖------------------------60
圖4.4.7 250 mM麩醯胺酸摻雜的二硫化鉬量子點不同溫度(a)時間解析光激螢光光譜(b)螢光衰減時間---------------------------------------------------61
圖4.4.8 載子輻射生命期隨溫度變化關係∝T2/2--------------------------------63
圖4.4.9 麩醯胺酸二硫化鉬量子點之發光模型---------------------------------63
圖4.5.1 胺基酸摻雜二硫化鉬量子點(a)I-V曲線圖(b)半胱胺基摻雜二硫化鉬量子點I-V曲線圖---------------------------------------------------------64
圖4.5.2 胺基酸摻雜二硫化鉬量子點(a)閘極電壓與汲極電流曲線圖
(b)取對數的閘極電壓與汲極電流曲線圖--------------------------------------65
表4.5.1 胺基酸摻雜二硫化鉬量子點載子遷移率與載子濃度---------------67
圖4.5.3 取對數的閘極電壓與汲極電流曲線圖(a)MoS2 QDs(b)MoS2 QDs + Cysteine-------------------------------------------------------------------------------67
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