宏观块材硫化镉是一种II-VI族直接带隙半导体材料，是重要的光电材料。

• 直接带隙半导体: 块材CdS具有~2.42 eV的直接带隙，使其本身就具有一定的发光能力（发射绿光），并且对可见光有良好的吸收。

当CdS以一维纳米棒的形态存在时，其由各向异性主导的纳米效应变得尤为突出，使其光学性质与零维量子点截然不同。

• 线偏振光致发光 (Linearly Polarized PL): 这是CdS纳米棒最核心、最重要的特性。由于其一维的几何形状，其吸收和发射的光都是高度线偏振的，偏振方向沿着纳米棒的长轴。这一特性是其在液晶显示（LCD）背光源等需要偏振光的先进显示技术中应用的核心基础。
• 量子限域效应: 纳米棒的电子在径向受到强烈的量子限域，而在轴向受到的限域较弱。因此，其发光颜色（带隙）主要由纳米棒的直径决定，而与长度关系不大。

对于CdS纳米棒，其最重要的应用之一是作为“壳”材料或“臂”材料，用于构建更复杂的核-壳或异质结构。

核心应用: 利用其比CdSe更宽的带隙，可以作为CdSe量子点或纳米棒的壳层，形成CdSe@CdS核-壳结构。

• 优势: 这层CdS壳可以：
  • 提高量子产率和稳定性: CdS壳可以有效地钝化CdSe核表面的缺陷，并将其与外界环境隔绝，从而极大地提高其荧光量子产率和光化学稳定性。
  • 巨型量子点效应: 当CdS壳足够厚时，电子的波函数会扩展到整个壳层，而空穴仍然局限在CdSe核内。这种波函数的空间分离可以有效地抑制非辐射的俄歇复合过程，从而实现无闪烁的单颗粒发光。

目标: 将一个CdSe量子点“核”嵌入到一个粗的CdS纳米棒的中间，形成CdSe/CdS 点-在-棒 (Dot-in-Rod) 结构。

• 优势: 这种结构兼具了CdSe量子点的高发光效率和CdS纳米棒的线偏振特性，是一种性能优异的偏振光源。

硫化镉纳米棒（CdS NRs）作为一种能够高效吸收可见光的经典半导体，在光催化领域是一种极具潜力的光敏剂。

CdS NRs可以作为高效的光吸收和电荷分离/传输中心。

• 光催化产氢: 这是CdS NRs在催化领域最重要、研究最广泛的应用。
  • 优势: 块材CdS的导带位置比水的还原电位更负，因此其光生电子在热力学上足以将质子还原为氢气。其~2.42 eV的带隙使其能够高效地利用可见光。其一维结构有利于光生电荷沿着长轴方向的快速分离和传输，从而抑制复合，提高量子效率。
  • 应用: 通过在其尖端选择性地修饰助催化剂（如铂、MoS₂），可以构建出在可见光照射下高效分解水产氢的体系。
• 挑战: CdS NRs在光催化应用中的主要挑战是其严重的光腐蚀问题。通过引入“牺牲剂”（如硫离子）或在其表面生长其它半导体（如ZnS）是解决该问题的关键。

硫化镉纳米棒（CdS NRs）凭借其独特的偏振荧光特性，在生物成像领域，特别是需要解析目标物取向的先进成像技术中，具有不可替代的优势。

这是CdS NRs在生物成像中最核心、最独特的应用。

• 原理: CdS NRs的荧光是高度线偏振的，其偏振方向沿着纳米棒的长轴。
• 应用:
  • 细胞膜流动性成像: 将CdS NRs插入到细胞膜中，通过测量其荧光偏振的变化，可以实时、高精度地监测细胞膜的流动性和粘度。
  • 分子取向追踪: 将CdS NRs与特定的生物大分子（如肌动蛋白丝）连接，通过偏振显微镜追踪单个纳米棒的旋转和取向，可以实时地解析生物大分子在细胞内的动态行为。

硫化镉纳米棒（CdS NRs）在治疗领域的应用主要利用其作为光敏剂，或作为可追踪的药物载体。

这是CdS NRs在癌症治疗中最具潜力的应用之一。

• 原理: CdS NRs可以作为一种高效的光敏剂。在光照下，它可以从激发态将能量传递给周围的氧分子，产生大量具有强细胞毒性的单线态氧（¹O₂）。通过将CdS NRs靶向递送到肿瘤部位，再用光照射，即可选择性地杀死癌细胞。

CdS NRs的高长径比和表面化学使其成为一种多功能的药物递送平台。

• 高载药量: CdS NRs巨大的比表面积，使其能够通过共价键或非共价作用高效负载化疗药物。
• 成像指导的递送: CdS NRs本身优异的荧光特性，使其可以在递送药物的同时，实时地追踪药物在体内的运输、分布和富集过程，实现“可视化”的药物递送。

硫化镉纳米棒（CdS NRs）的固有毒性是其生物医学应用中最大的障碍和挑战，其毒性评估需同时考虑化学和物理两方面因素。

• 核心毒性机制: CdS NRs对哺乳动物细胞的毒性，主要来自于其在生理环境中降解并释放出的镉离子（Cd²⁺）。
  • 镉离子 (Cd²⁺): 是一种剧毒的重金属离子，已被IARC列为1类致癌物。

• 类石棉效应: 与其它高长径比纳米材料类似，如果CdS NRs的长度足够长、刚性足够强且生物持久性足够高，它们可能会在被吸入肺部后，因无法被巨噬细胞完全吞噬而引发持续的、慢性的炎症反应。

通过表面工程，在CdS纳米棒（核）表面包覆一层致密的、化学性质更稳定的宽带隙半导体（壳），是隔绝其与生物环境接触、阻止离子释放、从而降低其毒性的最核心、最有效的策略。

高质量、单分散的硫化镉纳米棒的合成，依赖于在高温有机溶剂中通过各向异性生长来实现。

这是制备高质量半导体纳米棒的金标准方法。

• 原理: 该方法的核心思想是通过使用混合配体来选择性地钝化晶体的不同晶面，从而诱导其一维生长。
  1. 前驱体制备: 分别制备镉的前驱体和硫的前驱体（如TOP-S）。
  2. 高温溶剂与混合配体: 将一种高沸点的有机溶剂（如TOPO）和一种由两种或多种膦酸组成的混合配体（最常用的是十八烷基膦酸ODPA和己基膦酸HPA）在惰性气氛保护下加热至高温。
  3. 热注射: 将镉和硫的前驱体快速地注入到高温溶剂中。
  4. 各向异性生长: 反应初期形成的CdS晶核通常是六方纤锌矿结构。
     • ODPA等长链膦酸会选择性地、牢固地吸附在非极性的侧面晶面上，抑制其生长。
     • HPA等短链膦酸则相对不稳定，使得极性的(001)和(00-1)两个端面保持较高的反应活性。
     • 最终，单体只会优先在两个端面沉积，导致晶体沿着c轴方向快速生长，形成一维的棒状结构。
• 尺寸调控: 通过精确地调控反应温度、反应时间和配体的种类/比例，可以方便地控制CdS纳米棒的最终直径和长度。

对硫化镉纳米棒（CdS NRs）的精确表征是评估其光学性能和质量的关键。对其光学性质和各向异性形貌的表征尤为重要。

• 形貌、尺寸与长径比: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察CdS NRs尺寸、形貌和分散性的金标准。通过统计大量的TEM照片，可以得到精确的长度分布、宽度分布和长径比分布。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。用于确认CdS NRs为六方纤锌矿的晶体结构。

• 吸收与荧光光谱: 紫外-可见吸收光谱和荧光分光光度计是表征CdS NRs的核心技术。
  • 吸收光谱: 用于确定其第一激子吸收峰的位置，这个峰位直接反映了纳米棒的平均直径。
  • 发射光谱: 用于确定其发射波长（颜色）和发射峰的半峰宽（FWHM）。
  • 荧光量子产率 (PLQY): 使用积分球测量其绝对量子产率，是评价其发光效率的最核心参数。
• 偏振荧光: 通过荧光偏振光谱测量其发射光的偏振度，是确认其一维光学各向异性的关键证据。

硫化镉纳米棒的表面工程是其实现所有应用（特别是生物医学和光电器件）的决定性步骤。其核心任务是构建核-壳结构以钝化表面和降低毒性，以及进行配体交换以实现水溶性。

这是获得高荧光量子产率、高稳定性和低毒性CdS NRs的“金标准”策略。

• 原理: 在CdS纳米棒（核）的表面外延生长一层化学性质更稳定、带隙更宽的半导体（壳），最常用的是硫化锌（ZnS）。
• 优势:
  • 提高量子产率: 壳层可以有效地钝化核表面的缺陷，极大地提高辐射复合效率。
  • 提高稳定性: 壳层可以物理性地保护核，防止其在光照或氧化性环境中被腐蚀。
  • 降低毒性: 壳层可以作为一道物理屏障，有效地阻止有毒的Cd²⁺离子的泄漏。

这是将油溶性的NRs转化为水溶性，并与生物系统连接的关键。

• 配体交换 (Ligand Exchange): 将热注射法合成的、表面包裹着疏水性长链有机分子的NRs，与过量的、末端带有硫醇基（-SH）的亲水性小分子或聚合物（如PEG-SH）混合，将原来的疏水配体替换掉。