[发明专利]硅纳米棒的合成

说明书

相关申请的引用 

本申请要求享有于2009年4月16日提交的名称为“硅纳米棒(nanorods)的合成”的U.S.序列号No.61/170,063(Heitsch等)的优先权，在此将其以其全部内容引用作为参考。 

发明领域

本公开内容一般性地涉及纳米颗粒，更具体地涉及基于溶液的硅纳米棒的合成。 

背景技术

多孔的硅和硅纳米晶体(或量子点)已经在本领域受到显著的关注。这些材料显示出独特的物理性质，包括可在各种应用中利用的可见光的有效的、大小可调的发射。这样的应用包括它们在基于Si的发光二极管(LED)、在集成电路的光学集成中的用途，以及作为生物影像造影剂。Si纳米晶体还在被照射时显示出提高的光电导性，由此可集成到下一代的低成本太阳能电池中。 

纳米棒可通过其长径比(它们的长度对它们宽度的比例)而区别于其它纳米晶体。因此，根据定义，纳米棒具有在从大于1直至约100的范围的长径比。相反，纳米线(nanowire)具有100或更大的长径比，且因此可以是“无限”长。半导体纳米棒是可具有多面(faceted)表面和可以在形状上为圆柱状或椭圆体的各向异性的纳米晶体。 

当半导体纳米晶体的尺寸约为波尔激发子直径或者电子或空穴的德布罗意波长的数量级时，纳米晶体的光学、电子和物理性质中的许多变得是尺寸相关性的。取决于其厚度和长度的性质。反过来，球形纳米晶体和纳米线的相应的光学和电子性质一般由单个尺寸(它们的直径)确定。 

纳米棒的许多电子和光学性质介于球形纳米晶体和纳米线的之间。 因此，例如，图15描述了在由相同的半导体材料组成的量子阱QW、QR和QD中有效带隙(ΔE_GS)的尺寸相关性的斜率关系(其中d是厚度或直径)，如由简单的EMA-PIB模型预测的那样。确定斜率比为A_阱/A_线/A_点＝1∶00∶2.34∶4.00。从其中可看出，纳米棒区域由球形纳米晶体和纳米线的区域界定。 

半导体纳米棒也可以由包括它们的光偏振的其它性质而区别于球形纳米晶体以及纳米线。这样的偏振可取决于纳米棒的长度和宽度两者。纳米棒也可发出高度偏振的光和可能显示出大的永久偶极矩。纳米棒还可显示出根本上与球形纳米晶体不同的其它性质，如它们的激子的精细结构和激发态寿命。对于某些应用，纳米棒还可能比其它类型的纳米晶体更合适，如它们在要求光学增益和自发发射的激光器中的用途。 

相对于纳米线，纳米棒还可能是更可加工的。例如，纳米棒可用喷墨装置印刷，而纳米线一般太长而不能适合通过喷墨打印机的喷口。纳米棒可以作为胶态分散体制得或者与聚合物混合以形成显示出良好的流动性质的组合物，而纳米线变得缠结且不易于流动。类似于球形纳米晶体，纳米棒可以容易地分散，但显示出与球形纳米晶体相比独特的光学和电子性质。如同液晶，纳米棒也可在浓缩分散体中取向，优选按它们的长轴配向。可在显示出偏振光发射的光学偏振过滤器或荧光膜的生产中利用这种取向。 

许多不同种类半导体材料的单分散纳米晶体可通过基于溶液的化学合成以显著的量有效地获得。已经在本领域开发了例如蒸气-液体-固体(VLS)、溶液-液体-固体(SLS)和超临界流体-液体-固体(SFLS)工艺，它们可用于生产具有非常高的长径比和极少结晶缺陷的结晶纳米线。值得注意地，所有这些工艺依赖于使用金属籽晶颗粒来诱发半导体纳米线的生长。在有些情况下，该合成容许纳米晶体的形状多少可调节，由此提供对于所得材料的性质的一些控制。 

然而，由于硅相对高的结晶能量位垒及其复杂反应和表面化学，硅纳米晶体的基于溶液的合成非常有挑战性。用于制备硅纳米晶体的现有方法提供了对所得纳米晶体的尺寸有限的控制。实际上，迄今为止，从 来没有制得胶态的Si纳米棒。 

在通过抑制(arrested)沉淀的于溶液中的Si纳米晶体合成的文献中有许多实例。然而，大部分这些方法存在低产率的问题，因为对于Si而言结晶温度相对高且反应受到溶剂沸点温度的局限。大约5nm或以下的溶液可分散、量子-尺寸Si纳米晶体也可通过“两步”合成路线获得，如等离子体辅助生长、气体或激光高温分解、通过蚀刻硅包埋的氧化物的纳米晶体的释放以及多孔Si的超声破碎，接着进行在溶剂中的纳米晶体捕获(和经常的钝化过程)。这些方法提供了获得溶液可分散Si量子点的有效方法，但未提供用于控制Si纳米晶体形状的显而易见的方法。