ZnO量子点作为一种宽禁带半导体材料，因其良好的量子尺寸效应、高比表面积及生物相容性，在光电器件、生物成像、催化及传感器等领域展现出潜力。然而，纯ZnO量子点存在光生载流子复合率高、可见光吸收弱等局限性。通过掺杂改性（如Al、Mn、Cu等元素），可调控其能带结构、电子态密度及表面缺陷，实现发光特性的定制化优化。

一、掺杂改性机制

1. Al掺杂：调控电子迁移率与光电性能

Al³⁺的离子半径（0.054 nm）小于Zn²⁺（0.074 nm），掺杂后可通过取代Zn²⁺位点形成n型半导体，提升电子迁移率。

2. Mn掺杂：调控光学与磁学性质

Mn²⁺掺杂可引入新的杂质能级，调控ZnO的发光波长。

3. Cu掺杂：增强光催化与光电响应

Cu²⁺掺杂可引入额外的活性位点，提升ZnO量子点的光催化活性。

定制化发光特性

1. 发光波长调控

通过掺杂元素的种类与浓度，可实现ZnO量子点发光波长的定制化。

例如：

Al掺杂：主要影响紫外发光（370 nm附近），通过调控晶粒尺寸与缺陷密度，可增强近带边发射强度。

Mn掺杂：引入红光发射（600-700 nm），适用于生物成像与显示技术。

Cu掺杂：在可见光区域（400-600 nm）产生宽谱发射，适用于光电器件与传感应用。

2. 发光强度与寿命优化

掺杂改性可抑制非辐射复合，提升发光强度与寿命。例如，MgO包覆的ZnO/MgO核壳量子点通过减少表面缺陷，使紫外发光峰强度提升30%，同时抑制缺陷发光峰。

3. 多色发光与白光发射

通过共掺杂或核壳结构设计，可实现ZnO量子点的多色发光。例如，ZnO/MgO核壳量子点通过调控核壳比例，可实现紫外-蓝光-绿光的多色发射。

掺杂方法

1. 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是一种常用的制备ZnO量子点的方法，通过在前驱体溶液中加入掺杂元素的盐溶液，可以在合成过程中实现掺杂。

2. 水热法

水热法是一种在高温高压条件下合成ZnO量子点的方法，通过在反应溶液中加入掺杂元素的前驱体，可以在合成过程中实现掺杂。

3. 化学共沉淀法

化学共沉淀法是一种通过控制沉淀反应合成ZnO量子点的方法，通过在沉淀反应中加入掺杂元素的盐溶液，可以在合成过程中实现掺杂。

掺杂对ZnO量子点发光特性的影响

1. 发光波长的调控

掺杂元素可以通过改变ZnO量子点的能带结构来调控发光波长。例如：

Al掺杂：Al掺杂可以引入额外的空穴，从而调控ZnO量子点的发光波长向短波方向移动（蓝移）。

Mn掺杂：Mn掺杂可以引入d-d跃迁，从而调控ZnO量子点的发光波长向长波方向移动（红移）。

Cu掺杂：Cu掺杂可以引入额外的电子，从而调控ZnO量子点的发光波长向长波方向移动（红移）。

2. 量子产率的提升

掺杂元素可以通过优化量子点的表面态和减少非辐射跃迁来提升量子产率。例如：

Al掺杂：Al掺杂可以减少量子点表面的缺陷态，从而提高量子产率。

Mn掺杂：Mn掺杂可以引入d-d跃迁，从而提高量子点的发光效率。

Cu掺杂：Cu掺杂可以引入额外的电子，从而提高量子点的量子产率。

3. 光稳定性的增强

掺杂元素可以通过优化量子点的表面态和减少光生载流子的复合来增强光稳定性。例如：

Al掺杂：Al掺杂可以减少量子点表面的缺陷态，从而提高光稳定性。

Mn掺杂：Mn掺杂可以引入d-d跃迁，从而减少光生载流子的复合。

Cu掺杂：Cu掺杂可以引入额外的电子，从而减少光生载流子的复合。

ZnO量子点的掺杂改性（如Al、Mn、Cu等）通过调控能带结构、电子态密度及表面缺陷，实现了发光特性的定制化优化。其在光电器件、生物成像、催化及传感等领域展现出潜力。