[发明专利]一种单分子层氧化钛量子点半导体墨水的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种半导体墨水的制备方法，特别是涉及一种单分子层氧化钛量子点的制备方法。

背景技术

纳米二氧化钛(TiO₂)在太阳能电池、光催化、气体传感器和半导体器件等领域具有广泛的应用市场前景。单分子层的二氧化钛量子点(Monolayer Titania Quantum Dots，MTQDs)由于其独特的尺度结构而表现出优异的光学性能、量子效应和催化活性，显示出巨大的应用潜力。随着印刷技术和电子技术的发展和交叉融合，出现了新兴的印刷半导体技术。采用喷墨印刷技术可规模化制备出二氧化钛半导体薄膜和打印出半导体线路及器件，将极大地提高工业化生产水平和降低产品的生产成本。因此，氧化钛量子点半导体墨水具有重要的前景。

目前制备两维平面结构的单层TiO₂纳米片的方法有三种途径，一是以钛酸层状物为前驱体，采用溶剂剥离的方法得到TiO₂纳米片；二是以钛酸纳米管为前驱体，采用硬度更大的微米颗粒破碎纳米管得到TiO₂纳米片；三是采用热化学合成的方法制备出TiO₂纳米片。日本Sasaki等人^[1]对钛酸层状物采用溶剂剥离方法(常温常压下)制备出TiO₂纳米片，剥离时间长(10天)，剥离剂(TBAOH)难去除，产量非常低；Wu等人^[2]用直径为100μm的ZrO₂球研磨钛酸纳米管，得到了TiO₂纳米片。到目前为止，所有公开的工艺方法制备出的所谓的两维平面结构的TiO₂纳米片的晶格常数都为0.38nm×0.30nm，而属于体相结构的锐钛矿晶格常数为0.38nm×0.38nm。

在低温水热过程中，尽管有很多的研究者推测钛酸纳米管(TNTs)有可能先溶解成单分子层的氧化钛量子点(晶种，即两维平面结构的单分子层的晶体)，而后再转变为锐钛矿(体相晶体)；但到目前为止，还没有人直接捕捉并观测到这种单分子层的氧化钛量子点(MTQDs)。由于在低温水热环境中，由钛酸纳米管形成的MTQDs产率极低，另一方面也可能是因为其在低温水热环境中不能从母体TNTs上脱落分散到溶液中，而在长时间的低温反应过程中(低温水热方法的制备时间一般都很长)，MTQDs均转变成了体相的锐钛矿或金红石氧化钛颗粒，使得研究者无法在低温水热环境中直接捕捉到MTQDs。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单分子层氧化钛量子点半导体墨水的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种单分子层氧化钛量子点半导体墨水的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

(1)以商用P25粉末与NaOH溶液混合，在水热反应釜中水热合成出钛酸盐纳米管；

(2)在钛酸盐纳米管溶液中加0.1M盐酸，进行H⁺与Na⁺置换，再用去离子水清洗，经多次重复置换和清洗后，使得溶液的pH值达到7，得到钛酸纳米管；

(3)将步骤(2)中得到的钛酸纳米管重新分散在设定的溶液中；

(4)将步骤(3)中制备的物料送入内部耦合有超声波换能器的超临界反应釜装置中，在设定的操作条件下反应一定时间，然后将物料送入冷却器中；

(5)在冷却器中，物料被快速冷却至常温；

(6)将步骤(5)中得到的高压常温物料快速喷入到溶液罐内；

(7)将步骤(6)中溶液罐内的物料用渗析、离心或膜过滤的方法去除粗颗粒，得到单分子层氧化钛量子点；

(8)将步骤(7)中得到的单分子层氧化钛量子点分散在溶液中，配置成可喷墨打印的半导体墨水。

步骤(1)所述的商用P25粉末、NaOH和水的质量比例为1：10：25，混合后将分散液按65％的体积比装入反应釜。

步骤(3)所述的设定的溶液为添加有0.1M盐酸的去离子水溶液，在去离子水溶液中，钛酸纳米管的添加量为：1～80g／L；0.1M盐酸的添加量为0～10wt％。

步骤(4)所述的超临界反应釜装置内部耦合有超声波换能器，超声波换能器的工作参数为：功率100～400W，频率30～80kHZ；超临界反应釜装置中设定的操作条件为：开启超声波换能器，流体温度380～450℃，流体压力20～23Mpa，物料在反应釜内停留时间1～30分钟。