[发明专利]一种氧化物/金属核壳结构量子点及其制备方法、应用

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种氧化物/金属核壳结构量子点及其制备方法、应用。

背景技术

光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。

目前，LED大多是基于GaN半导体材料的。然而，GaN材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题限制其持续性发展。因此及时研发下一代LED半导体材料是十分必要和急迫的。ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，且ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，ZnO有望成为GaN的理想替代材料之一。然而，目前的ZnO基器件大都是基于纤锌矿结构c面ZnO。由于纤锌矿结构ZnO沿c轴方向缺乏对称反演中心，正负离子中心不重合而导致强的内建电场，进而产生量子限制斯塔克效应(QCSE)，降低电子和空穴的复合效率，最终损害器件的性能。而有效解决这一问题的途径就是发展非极性ZnO，即a面ZnO(11-20)和m面ZnO(10-10)以及立方ZnO。由于ZnO材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性ZnO基LED大多是基于异质结构。然而，非极性ZnO异质结LED的发光效率较低，极大地限制了它的发展。为了促进非极性ZnO的发展，采用一种简单而高效的方法提高非极性ZnO异质结LED的性能显得极为重要。而在ZnO基LED中引入金属量子点(ZnO量子点LED)，是一种提高LED性能的较好的解决方案。金属量子点具有局域表面等离子体激元增强效应，可以有效提高载流子的复合效率，进而大幅提高器件的性能(～10％)。因此，研发非极性ZnO量子点LED具有重要的现实意义。

然而目前应用在LED的金属量子点大部分是提前制备好，之后采用旋转涂覆的方法进入LED结构或者是通过水热法制备在纳米柱上。这些方法工艺复杂，工序连续性差，且不利于工业化生产。由此看来，要实现量子点LED的产业化，通过外延的方法实现金属量子点的可控制备是十分必要的。此外，在外延中，金属量子点很有可能起到催化剂的作用，使外延的结果朝着纳米柱发展，而不是预期的薄膜，且金属量子点也会消失。这个问题在量子点LED外延生长也是应当避免的。

发明内容

针对现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种可用于LED的氧化物/金属核壳结构量子点，具有尺寸可控、分布均匀性好的优点。

本发明的目的之二在于提供上述氧化物/金属核壳结构量子点的制备方法。

本发明的目的之三在于提供上述氧化物/金属核壳结构量子点的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种氧化物/金属核壳结构量子点，包括依次排列的金属量子点以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层

优选地，所述氧化物/金属核壳结构量子点包括由下至上依次排列的衬底、金属量子点以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层。

进一步优选地，所述衬底包括Si、蓝宝石或掺钇氧化锆。

优选地，所述金属量子点包括Ni、Ag、Fe、Mn、Ge、Pt和W量子点中的至少一种。

进一步优选地，所述金属量子点的直径为10-1000nm。

优选地，所述金属氧化物壳层的厚度为1-30nm。

进一步优选地，所述金属氧化物壳层是金属核心对应的氧化物，包括NiOx，AgO，MnOx，GeOx，PtOx和WOx中的至少一种。

上述氧化物/金属核壳结构量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的处理：将预处理后的衬底置于真空室中，真空度为5×10^-8-9×10^-8Pa，在温度为700-1200℃的条件下退火30-120min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；