3-1 實驗藥品
1. 硝酸鎘 (Cadmium nitrate tetrahydrate，98%)
分子式：Cd(NO3)2‧4H2O 分子量：308.48 CAS Number：10022-68-1 製造商：Acros 2. 亞碲酸鈉 (Sodium tellurite，-100mesh，99%)
分子式：Na2TeO3 分子量：221.58 CAS Number：10102-20-2 製造商：Aldrich 3. DL-Mercaptosuccinic acid (MSA，99%)
分子式：C4H6O4S 分子量：150.15 CAS Number：70-49-5 製造商：Acros 4. 榖胱甘肽 (L-Glutathione reduced，GSH)
分子式：C10H17 N3O6S 分子量：307.32 CAS Number：70-18-8 製造商：Sigma 5. 硫基乙酸 (Thioglycolic acid，TGA，97%)
分子式：C2H4O2S 分子量：92.12 CAS Number：68-11-1 製造商：Alfa Aesar
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6. 硼氫化鈉 (Sodium borohydride, powder)
分子式：NaBH4 分子量：37.83 CAS Number：16940-66-2 製造商：Aldrich 7. 氨水 (Ammonium solution，28%)
分子式：NH4OH 分子量：17.03 CAS Number：1336 -21-6 製造商：SHOWA 8. 氫氧化鈉 (Sodium Hydroxide，Pellets)
分子式：NaOH 分子量：39.99 CAS Number：3722 -01 製造商：J.T.Baker 9. 葉酸 (Folic acid)
分子式：C19H19N7O6 分子量：441.4 CAS Number：59-30-3 製造商：Sigma 10. N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt (≧98.5%，powder) (NHS) 分子式：C4H4NNaO6S 分子量：217.13 CAS Number：106627-54-7 製造商：Aldrich 11. N-(3-Dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride
(EDC)
分子式： C8H17N3‧HCl 分子量：191.7 CAS Number：25952-53-8 製造商：Sigma 12. 嗎啉乙磺酸 MES hydrate (4-Morpholineethanesulfonic acid
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≧99.5%，powder)
分子式： C6H13NO4S • x H2O 分子量：195.24 CAS Number：4432-31-9 製造商：Sigma 13. 四乙氧基矽烷 TEOS (Tetraethyl orthosilicate，98%)
分子式： SiC8H20O4 分子量：208.33 CAS Number：78-10-4 製造商：Aldrich 14. 二甲基亞碸 DMSO (Dimethyl sulfoxide，99.9%)
分子式： C2H6OS 分子量：78.13 CAS Number：67-68-5 製造商：J.T.Baker 15. HeLa 癌細胞
16. 單晶矽太陽能電池 (面積為 7.14 cm2): 工研院所提供 17. 市售 CdSe/ZnS core shell QDs
來源: Aldrich 濃度: 5 mg/ml in toluene
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3-2 儀器設備與原理
1. 微波加速反應系統 (Microwave accelerate reaction system，MARS) 由美國 CEM 公司製造，微波系統操作在 2450-MHz 頻率，最大 輸出功率為 400 W，可根據化學反應的類型選擇適當的反應瓶組，最 高反應溫度可達 240℃。
本實驗選擇使用 XP-1500 plus 反應瓶組進行化學合成，瓶身為 鐵氟龍材質，體積為 100 mL，瓶組最高壓力達 1500 psi，最高溫度達 240℃，配有光纖溫度感測器控制反應溫度。
2. 螢光光譜儀 (Photoluminescence Spectrometer，PL)
由美國 Jobin Yvon Instrument S. A. Inc. 公司所製造 Spex Fluorolog-3 螢光光譜儀，配置 450 W 氙氣與 Hamamatsu Photornics 所製造 R928 型光電倍增管為偵測器，掃描波長範圍為 200 nm 至 1,000 nm。
光致發光 (PL)光譜是以大於材料能隙的激發光能量照射在樣 品上，對半導體材料而言，在吸收此激發光能量後，價帶中的電子會 被激發至導電帶中，在價帶上則產生一電洞，形成一電子-電洞對，
由於庫倫力的吸引，會使電子-電洞對以激子的形式存在。在沒有外 來光子的情形下，激子具有一定的生命期，電子和電洞可能經由下列 幾個不同過程進行結合而放出螢光，如圖 12[12]：
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1. 導帶電子與共價帶電洞再結合（如機制 A 所示）
2. 形成自由激子的再結合。也就是藉由庫侖作用力，電子和電洞束 縛在一起（如機制 B 所示）。
3. 電子-電洞伴隨著聲子的自由激子再結合躍遷（如機制 C 所示）
4. 施子(donor)的電子與共價帶電洞再結合躍遷（如機制 D 所示）。 5. 導帶電子與受子(acceptor)電洞在結合躍遷（如機制 E 所示）。 6. 施子的電子與受子的電洞在結合躍遷（如機制 F 所示）
能隙的雜質態而放出螢光。但是這一類的躍遷所釋放的螢光能量比能 隙小很多。
圖 12 能帶邊緣光激螢光過程[12]
光致發光光譜可以顯示出材料的優劣性，例如：樣品的不均勻度、雜 質分布以及缺陷 (defects)等。一個較理想的晶體，其光致發光光譜是 呈現半高寬較窄、峰值較尖銳的曲線。
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3. 紫外-可見光吸收光譜儀 (UV-Vis Spectrophotometer)
由日本 Hitachi 所製造，其型號為 U-3010，可掃描波長範圍 190 nm 到 1000 nm，由分析物對光之穿透度，帶入 Beer’s law 測分析物 之吸收光譜。
原理是利用鎢絲燈及氙燈做為光源，分別可發出可見光與紫外 光，經濾光鏡調整再聚焦通過單光鏡，得到單一且特定波長的光線，
光線通過樣品後射入偵測器，經由光電管將光能轉換為電器訊號，再 經傅立葉轉換，即可得知相對於參考樣品，待測樣品的吸收或穿透光 譜，由光譜的吸收峰比較便可計算出待測物的濃度高低。
4. 傅立葉轉換紅外線光譜儀 (Fourier transform infrared spectroscopy) 此型號為: Nicolet Avatar 320，可掃描波長範圍 400 cm-1到 4000 cm-1。紅外線的能量與分子的振動與轉動能階同級，當紅外線的頻率 與分子自然振動的頻率相同，就會發生能量淨轉移，產生吸收，當入 射的紅外線被吸收，會再圖譜出線吸收峰，並判斷可能存在的官能 基。
傅立葉轉換紅外線光譜儀的原理與傳統的 IR 相同，但功能較佳，
優點包括: (1)訊號對雜訊比高。(2)能量輸出大。(3)分析時間短，良好 的光譜圖能在數秒內得到。(4)有高解析度 (<0.1 cm-1)、高準確性和頻 率再現性等。
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5. 共軛焦顯微鏡 (Confocal Microscope)
共軛焦 (confocal)ㄧ詞，是形容光源在接物鏡所形成的焦點，和 光電倍增管 (photomultiplier tube)所偵測到的ㄧ小光點，是來自相同 的物鏡焦點，也就是照明點與探測點在光學成像上共軛。利用通過光 學針孔光圈 (pinhole)蒐集來自樣品聚焦面的光，將非同一聚焦面的 光排除於光學針孔光圈外，所形成的影像我們簡單的稱為共軛焦點影 像。
共軛焦顯微鏡所看到的影像只是一個極小的亮點，而不是如傳 統顯微鏡所看到的二維空間影像；利用共軛焦顯微鏡內建的掃描器，
可將影像由很多點組成線，很多線組成面，取得由點厚度所組成的單 ㄧ平面影像稱為光切片 (optical sections)。光切片配合電腦輔助運算 處理，可呈現出兼具高解析度和低背景雜訊的二維空間相片；或將多 張同平面不同螢光探針的相片重疊，可研究其相對部位的關係；或由 一系列不同平面的相片，可組合成三維空間的立體影像；再加入時間 因子，可創造出動態的 4D 影像。
6. X 光繞射儀 (X-ray Diffractometer)
為德國 Bruker AXS 所製造，型號為 D8Ad 之 X 光繞射儀，把 材為銅靶，功率為 2.2 KW。光源產生之原理隙利用 40 KV 的操作電 壓，加速後的電子撞擊銅靶激發銅原子，經單光晶體分光，使之產生
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波長為 1.5405 Å 的 X 射線。量測時，操作電流為 40 mA，掃描範圍 在2θ 值為 10 至 80 度，掃描模式為 2θ/θ，掃描速率為每分鐘 20 度。
當高速電子撞擊金屬靶材所產生的 X 射線照射在具有晶體結構 的分析物時，X 射線會產生繞射現象，而在特定角度產生訊號，藉由 這些訊號可以得知晶體結構和晶格常數，得到的圖譜可利用 JCPDS 資料庫進行比對，來確定分析物晶格結構，且依繞射角度的差異判斷 結構是否有變化。
7. 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope，TEM) 由日本 JEOL 製造，型號為 JEM-2100F，係加高電壓使燈絲放 出高能量電子束，來穿透分析物，對分析物結構進行了解，電子束穿 透時受分析物原子影響，而顯示出原子排列影像，可利用此儀器來判 斷奈米粒子之粒徑大小、材料形貌、晶體晶相。
穿透式電子顯微鏡的解析能力主要與電子的加速電壓和像差有關。
加速電壓愈高，波長愈短，解析度也愈佳，同時因為電子動能增高，
電子束對試片的穿透力也隨之增加，因此可觀察的厚度也相對增加，
但是過度的提升加速電壓，容易對試片造成損傷。
8. 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope，SEM)
由日本 JEOL 製造，型號為 JSM-7401F 的場發射掃描式電子顯 微鏡 (Field Emission Scanning Electron Microscope，FESEM)，主要是
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利用電子源所發出的電子束，經加速電壓加速電子束後撞擊試片表面，
使表面分子與電子束作用產生二次電子、背向散射電子等數種訊號，
訊號由偵測器收集在經由放大器放大之後成像，可觀察到清楚的立體 圖像，了解樣品結構。
掃描式電子顯微鏡是利用電子束撞擊試片表面來成像，雖然電 子束能量不像穿透式電子顯微鏡來的強，但是為避免電荷累積在表面，
試片表面必須要鍍上一層金或鉑。高的加速電壓對試片的景深有較明 顯的顯像，若過度提高加速電壓容易忽略表面的細微結構，且電荷累 積可能性增高；低加速電壓對試片的凹凸起伏較為明顯。高電子束電 流，由於電子束密度高、產生的二次電子多，顯像的品質較細緻；反 之，低電子束電流，電子束密度低、產生的二次電子少，顯像品質較 粗糙。
9. 太陽光譜模擬機
太陽輻射穿過地球大氣層，會受到大氣的吸收、反射與散射的 影響，使得光譜照度會與量測的位置及太陽相對於地表的角度有關，
一般以大氣質量 (air mass，AM)表示。大氣質量為零的幅射是指在「日 地平均距離處」(大約 1.5 億千米)地球大氣層外，垂直於太陽光的平 面上，單位面積、單位時間內所接收到的太陽輻射能；而垂直於海平 面的整個大氣層的大氣稱為 1 個大氣質量，通常寫為 AM1。一般
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AM1.5 被用來代表地面上太陽的平均照度，即在地表上太陽以 45 度 度角入射的情況。
為了有效比較不同太陽電池的輸出功率，太陽光譜模擬機就是 以氙燈為光源，經過適當的光學濾光片校正各波長光線的強度，使用 1000 W/m2的日照強度，使用 AM1.5 的太陽輻射光譜大小，在攝氏 25℃下量測。
10. 太陽能電池外部量子入射效率分析機台
本研究使用 Titan Electro-Optics，型號為 Hitachi QE-3000，量測 各式太陽能電池外部量子效率 (EQE)及內部量子效率 (IQE)。太陽能 電池光譜響應測試、量子效率 QE (Quantum efficiency) 測試、光電轉 換效率 IPCE (Incident photo to electron conversion efficiency)測試等，
廣義來說，就是測量太陽能材料在不同波長光照條件下的光生電流。
用強度可調的偏置光照射太陽能電池，模擬其不同的工作狀態，同時 測量太陽能電池在不同波長的單色光照射下產生的短路電流，從而得 到太陽能電池的絕對光譜響應和量子效率。
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3-3 實驗架構
圖 13 實驗架構流程圖
CdTe@SiO2 QDs TGA-capped CdTe QDs
GSH-capped CdTe QDs
Synthesis of CdTe QDs
UV-Visible Spectra Photoluminescence Spectra FT-IR
Transmission electron microscopy
Application : Cell imaging
Solar cell
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3-4 實驗步驟與流程圖
3-4-1 GSH 包覆 CdTe 量子點之合成(如圖 14 所示)
1. 秤 0.5 mmole Cd(NO3)2．4H2O 放入燒杯中，加入 30 ml 去離子水 以磁石攪拌至完全溶解後，加入 0.1844 g GSH，攪拌至 GSH 溶解。
2. 緩慢加入 1.0 M NaOH 並將溶液 pH 值調整至 11.5，在調整 pH 值過程中，溶液會由混濁轉變為澄清溶液。
3. 取 0.05 M Na2TeO3 溶液 1 mL 並逐滴加入反應燒杯中，均勻攪拌，
之後再加入 0.1135 g NaBH4 進行還原反應。
4. 將溶液置入 100 mL 鐵氟龍水熱罐中，放入微波加熱系統中加熱至 100 ℃再依反應時間長短可得黃綠至深紅色不等的溶液。
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圖 14 以 GSH 包覆 CdTe 量子點製備流程圖 GSH 包覆劑
Cd(NO3)2．4H2O
用 NaOH 調整 pH=11.5
0.05 M Na2TeO3
1 mL 溶液
澄清溶液加入 NaBH4
四小時後，氣體不再產生 微波加熱至
100℃
調整不同持溫時間可製備 不同粒徑之 CdTe 量子點
光學性質分析 UV-VIS、PL
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3-4-2 TGA 包覆 CdTe 量子點之合成(如圖 15 所示)
3-4-2 TGA 包覆 CdTe 量子點之合成(如圖 15 所示)