[发明专利]一种非晶硅纳米颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅(Si)纳米颗粒(量子点)的制备方法。

背景技术

硅材料是微电子工业的基础。但硅是所谓的间接带隙半导体，不能有效发光，因此通常情形下不能做成光电子器件。解决这一问题的基本思路就是突破对能带的限制，按照基本的能带理论，制备小于5纳米的纳米颗粒能够突破能带限制，这样小的硅颗粒常成为硅量子点。人们已经制备了多孔硅，硅/二氧化硅超晶格以及硅/二氧化硅复合薄膜，并观察到可见光发射。这些不同材料体系中的共同核心就是得到5纳米以下的晶态或非晶态硅纳米结构，他们成为发光的根源。但这些硅纳米结构都与环境构成一个复杂的难以分割的复合体，因此难以真正弄清楚发光机制的物理本质；其次，在需要独立的硅量子点的场合，例如生物传感器，这些材料体系不能应用。因此制备高度分散的硅量子点在理论研究以及应用上都是十分有价值的。但是制备这种量子点是困难的，因为传统的化学方法和物理方法都有一定的限制。就化学方法而言，硅独特的化学性质使其难以应用传统的胶体化学方法，即便能在某些条件下制备，也难以得到小于5纳米的均匀颗粒；其次，所得的颗粒表面总为表面活性剂所包覆，而这在某些场合是要避免的，如生物传感器。常规的物理方法(如溅射和蒸发等)又不能获得高度分散的溶于溶剂的量子点，只能获得纳米颗粒组成的薄膜。无论物理还是化学方法所获得的硅纳米颗粒大都是晶态的。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种制备高度分散在溶剂中、大小在1-5nm范围内的非晶的硅量子点的方法。

发明内容：为了达到上述发明目的，本发明所述的非晶硅纳米颗粒(量子点)的制备方法包括以下步骤：

(1)制备溶液：如果希望得到不含表面活性剂包覆的颗粒，那么可直接使用去离子水为溶液。如果希望制备为表面活性剂包覆的硅量子点，那么可配置浓度范围为1.0-5.0mmol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液。

(2)激光烧蚀液体环境中的硅靶：将硅靶置于盛有(1)所制备的溶液的烧杯中，然后用足够强的准分子激光(例如KrF准分子激光)束辐照硅靶。

(3)取出硅靶，溶液中即含有所制备的非晶态硅量子点。为了使该量子点能够长期保存而不致发生团聚，采用表面活性剂溶液是必要的。如果在数个星期内，无需表面活性剂量子点也能保持原有的分散性和大小。

在步骤(2)中，(a)在辐照期间，烧杯必须放置在一个可水平移动的电动平台上，以使激光束在靶上进行扫描，避免激光束总是辐照一个点，否则得到的颗粒将难以保证均匀。(b)硅靶要完全浸入到溶液中，通常的深度为几个毫米，深度不能超过5毫米，否则不能获得理想的高分散、小尺度、非晶态的颗粒。(c)激光束最好通过透镜进行聚焦，焦点大小通常在4-10mm²，而激光的能量密度限制在1×108^-2×10⁸W/cm²之间。(d)根据需要，调整辐照时间，如要获得浓度高的纳米颗粒溶液，可增加辐照时间和提高激光能量。

有益效果：本发明具有以下有益效果：

(1)相比其它制备水溶性硅纳米颗粒的方法，本发明所描述的制备非晶硅量子点的方法具有更简单、易行、经济和快速的特点，仅需要一台准分子激光器，一个烧杯和一个硅靶在30分钟就可获得可观浓度的高度分散、均匀和小于5纳米的非晶硅量子点。

(2)硅没有毒性，因而在需要量子点的场合可望代替目前已商业化的但有毒性的CdS等半导体量子点，其次，硅可能有更好的生物相容性，因而有望成为新的生物传感器的基础材料。

(3)所获得的硅量子点可以在有无表面活性剂包覆间选择，从而有更大的应用灵活性和范围。

附图说明

图1是本发明描述的硅量子点制备原理示意图。将一束强激光束引入置于溶液中的硅靶上，使硅靶被强激光烧蚀而产生硅蒸汽/等离子体，蒸汽/等离子体在溶液中迅速冷却而形成硅量子点。

图2是所获得的典型的硅量子点图。该图清楚显示出量子点为非晶态，尺度在2～3纳米，分散且均匀。

具体实施方式

实施例1：制备不含表面活性剂包覆的硅颗粒的方法。

(1)选用去离子水为溶液。