溶胶-凝胶法制备CdS掺杂二氧化硅气凝胶的结构、形貌与光学特性研究及其发光机制解析

研究人员针对传统发光材料在光电器件应用中效率不足的问题，通过溶胶-凝胶法将CdS量子点(QDs)掺杂至二氧化硅(SiO2 )气凝胶基质，成功制备出具有蓝(470 nm)、绿(520/592 nm)、红(673 nm)三色发射的发光气凝胶。超临界干燥实验证实CdS与SiO2>通过非共价键结合，其多波段发光源于表面陷阱态与硫/阳离子空位缺陷，为新型LED和光电传感器开发提供材料基础。

　　

在追求高效发光材料的科学探索中，二氧化硅气凝胶因其超低密度（0.03-0.8 g/cm³
）和超高孔隙率（>90%）成为理想载体，但如何将半导体纳米粒子稳定嵌入其多孔网络并保持发光特性仍是难题。传统方法制备的金属硫化物气凝胶面临凝胶过程复杂、纳米颗粒易聚集等问题，而CdS量子点(QDs)在可见光区的可调发光特性使其成为光电器件的热门候选。

为解决上述挑战，研究人员通过微乳液法合成硫醇盐封端的CdS纳米颗粒（约2 nm），并创新性地将其引入二氧化硅溶胶前驱体，利用溶胶-凝胶工艺和两种干燥方式（常温和超临界）制备CdS-SiO₂
复合气凝胶。通过紫外-可见光谱(UV-Vis)、光致发光光谱(PL)、X射线衍射(XRD)等技术系统表征材料性能，发现超临界干燥会因溶剂表面张力消失导致部分CdS量子点流失，而常温干燥样品则保留更完整的纳米颗粒网络。

关键实验方法
研究采用微乳液法合成CdS纳米颗粒，通过溶胶-凝胶工艺将CdS胶体溶液与四乙氧基硅烷(TEOS)前驱体混合，经氨催化凝胶化后分别进行常温和超临界干燥（260°C）。利用UV-Vis和PL光谱分析光学性能，XRD和扫描电镜(SEM)表征晶体结构与形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)揭示CdS与SiO₂
的相互作用机制。

研究结果

1. 光学特性：CdS纳米颗粒原始胶体仅显示470 nm蓝光发射，而掺杂后的气凝胶出现470 nm（蓝）、520/592 nm（绿）、673 nm（红）三色发射。蓝光源于CdS表面局域陷阱态，绿光与硫空位(V_S
   )和镉空位(V²⁺
   )相关，红光则由硫位点被反离子取代形成的V_Cd
   -O/N复合缺陷导致。

2. 结构表征：XRD证实所有样品中CdS保持六方晶系结构，超临界干燥样品（C）仅微弱显示(103)晶面衍射峰，表明大部分CdS在高温干燥中流失。FTIR显示3443 cm^-1
   处O-H伸缩振动峰仅存在于掺杂样品，证明SiO₂
   与CdS通过氢键结合。

3. 形貌与元素分析：SEM显示常温干燥样品（A、B）结构致密，CdS均匀分布于孔隙；超临界样品（C）呈现典型气凝胶多孔结构。EDS测得Cd/S原子比在多数样品中为1:1，但高浓度CdS掺杂样品（B）出现2:1异常比值，可能影响PL行为。

结论与意义
该研究首次通过溶胶-凝胶法实现CdS量子点在SiO₂
气凝胶中的稳定掺杂，其多色发光特性源于三种缺陷态的协同作用：表面陷阱（蓝）、本征空位（绿）和取代缺陷（红）。超临界干燥导致的CdS流失现象揭示了纳米颗粒与基质的非共价结合本质，而常温干燥样品则通过物理限域有效固定量子点。这种材料在广色域显示、白光LED和光学传感器领域具有应用潜力，其制备方法为其他半导体-气凝胶复合材料的开发提供了范式。

研究创新点在于：1）通过微乳液法获得单分散CdS纳米颗粒；2）利用溶胶-凝胶工艺实现量子点与气凝胶的温和复合；3）系统解析多波段发光的缺陷物理机制。未来可通过调控空位浓度优化发光效率，或引入其他半导体纳米晶拓展发射光谱。