CN116199192A - 一种基于热注入法合成的氮化镓量子点及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热注入法制备的氮化镓量子点及其制备方法，包括以下步骤：将前驱物氯化镓与脂肪胺类溶剂搅拌混合均匀；在惰性气氛中加热并维持一段时间。将混合溶液升至预定温度，通过注射器注入双三甲基硅基胺基锂作为氮源并保持一段时间；降至室温后，用丙酮作为反溶剂和正己烷作为良溶剂，多次洗涤离心，最终得到氮化镓量子点。
Description
技术领域
本发明属于量子点合成技术领域，具体涉及一种基于热注入法合成的氮化镓量子点及其制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)及其合金因其带隙宽、导热系数高、稳定性好、能耗低等特点，已成为重要的半导体材料。广泛应用于紫外/蓝色光电器件和大功率/温度射频电子器件。因此，GaN材料的研究与应用已成为半导体领域研究的前沿和热点，与碳化硅并称为第三代半导体材料。然而，传统方法(固体复分解法、热降解法、爆轰化学法和反应离化簇团束技术)合成的块状GaN材料结晶度差和纯度低，严重阻碍了GaN材料的实际应用。尽管通过外延法制备的氮化镓薄膜保证了GaN材料的高纯度和结晶度，成为了目前比较流行的制备策略。但由于反应设备昂贵，反应条件苛刻（结晶温度＞1000 ℃）和原料（三甲基镓和三乙基镓）活泼且昂贵，严重阻碍了GaN材料的应用。因此，通过廉价温和的方式制备 GaN 材料已成为当前一个重要的研究课题。从下到上的热注入法因其可以通过廉价的原料在温和条件下制备出高质量和低缺陷的纳米材料，而广受研究者喜爱。目前，已商业化的量子点（如硒化镉，钙钛矿和磷化铟等）也均是由从下到上的热注入法制备而得。但是由于GaN 量子点的合成需要苛刻的制备条件（高温、高压和反应时间久）以及前驱体化学性质活泼容易快速氧化。因此，利用从下到上的热注入法来合成 GaN 量子点极其困难。本发明选取化学性质相对稳定的氯化镓和双三甲基硅基胺基锂为原料，国内首次采用从下到上的热注入法成功制备出了GaN 量子点。所选取的氯化镓和双三甲基硅基胺基锂不但价格便宜，而且在反应过程中，由于双三甲基硅基胺基锂分子中的氮原子与硅原子相连键能较低，氮硅键极易断裂形成独立的氮原子，可以迅速与游离的镓原子结合形成氮化镓量子点，极大降低了氮化镓的结晶温度。本发明解决了以往 GaN 量子点制备需要昂贵设备和原料和苛刻反应条件的问题，可在温和条件下制备获得晶粒小、物相纯净和优异荧光发射的六方纤锌矿 GaN 量子点。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种热注入法制备GaN 量子点的方法。制备的GaN 量子点物相纯净且具有明显的量子限域效应。此外，该制备方法条件温和，原料成本低以及不需要高昂的设备，便于GaN 量子点大批量制备。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氯化镓和脂肪胺类溶剂搅拌混合均匀；
（2）在惰性气氛中加热并保持一段时间；
（3）保持反应装置的气密性，将溶液温度升至反应温度，通过注射器在惰性气氛的保护下注入双三甲基硅基胺基锂（ CAS：4039-32-1），将温度保持一段时间；
（4）降至室温后，用适量良溶剂和反溶剂交替洗涤离心多次，最后分散在良溶剂中。
进一步的，所述氯化镓用量为5-10 mmol，脂肪胺类溶剂为十八胺，油胺，三辛胺或十六胺中的一种，用量为15 mmol。
进一步的，所述惰性气氛为Ar气。
进一步的，所述在惰性气氛中加热到280 ℃并保持5-15分钟。
进一步的，所述反应温度为 260-360 ℃。
进一步的，所述双三甲基硅基胺基锂用量为1.4-2.8 mmol，反应保持的时间为5-90 分钟。
进一步的，所述降至室温后用正己烷和丙酮交替洗涤离心3次，最后分散在2 mL正己烷中。
本发明的有益效果如下：
1）首次通过由下而上热注入法成功合成出GaN量子点；2）制备GaN 量子点的过程简单、条件温和成本低；3）制备 GaN 量子点光学性能优异，具有明显的量子限域效应。
附图说明
图1是实施例1得到的360 ℃下合成的GaN量子点的X射线粉末衍射图。
图2是实施例1得到的360 ℃下合成的GaN量子点的透射电镜图。
图3是实施例1得到的不同温度下合成的GaN量子点的荧光发射光谱图。
图4是实施例2得到的GaN量子点的荧光发射光谱图。
图5是实施例3得到的GaN量子点的荧光发射光谱图。
图6是实施例4得到的GaN量子点的荧光发射光谱图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性成果的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明可以具体实施如下:
实施例1
一种基于热注入法合成的氮化镓量子点及其制备方法，包括：
将5mmol氯化镓和15 mmol十八胺搅拌混合均匀，在Ar气氛中加热到280 ℃并保持15 分钟，使氯化镓充分溶解。保持反应装置的气密性，将溶液温度分别调节至260 ℃、300℃、340 ℃或360 ℃，通过注射器在Ar气氛的保护下注入1.4 mmol双三甲基硅基胺基锂作为氮源，在上述温度分别反应90、15和5分钟，氮化镓量子点生长至最佳形态。降至室温后，用3 mL正己烷和6 mL 丙酮交替洗涤离心3次，最后分散在2 mL正己烷中。采用 XRD 粉末衍射（如附图 1）和透射电镜（如附图 2）结果表明，在360 ℃十八胺中所制备的氮化镓量子点为纯净的六方纤锌矿 α-GaN，平均晶粒尺寸约为3.8 nm。采用荧光光谱测试表明，在260℃、300 ℃、340 ℃和360 ℃下生成的氮化镓量子点具有良好的蓝光发射，并且在360 ℃，反应5分钟得到的氮化镓量子点蓝光发射强度最高（如附图 3）。
实施例2
一种基于热注入法合成的氮化镓量子点及其制备方法，包括：
将5mmol氯化镓和15 mmol油胺搅拌混合均匀，在Ar气氛中加热到280 ℃并保持15分钟，使氯化镓充分溶解。保持反应装置的气密性，将溶液温度调节至340 ℃，通过注射器在Ar气氛的保护下注入1.4 mmol双三甲基硅基胺基锂，将温度保持15分钟。降至室温后，用3 mL正己烷和6 mL 丙酮交替洗涤离心3次，最后分散在2 mL正己烷中。采用荧光光谱测试表明，在340 ℃下油胺中生成的氮化镓量子点具有良好的蓝光发射（如附图 4）。
实施例3
一种基于热注入法合成的氮化镓量子点及其制备方法，包括：
将5mmol氯化镓和15 mmol十六胺搅拌混合均匀，在Ar气氛中加热到280 ℃并保持15 分钟，使氯化镓充分溶解。保持反应装置的气密性，将溶液温度调节至330 ℃，通过注射器在Ar气氛的保护下注入1.4 mmol双三甲基硅基胺基锂，将温度保持15分钟。降至室温后，用3 mL正己烷和6 mL 丙酮交替洗涤离心3次，最后分散在2 mL正己烷中。采用荧光光谱测试表明，在330 ℃下十六胺中生成的氮化镓量子点具有良好的蓝光发射（如附图5）。
实施例4
一种基于热注入法合成的氮化镓量子点及其制备方法，包括：
将5mmol氯化镓和15 mmol三辛胺搅拌混合均匀，在Ar气氛中加热到280 ℃并保持15分钟，使氯化镓充分溶解。保持反应装置的气密性，将溶液温度调节至340 ℃，通过注射器在Ar气氛的保护下注入1.4 mmol双三甲基硅基胺基锂，将温度保持15分钟。降至室温后，取1 mL生成的氮化镓量子点分散在3 mL正己烷中，离心取上清液。采用荧光光谱测试表明，在340 ℃下三辛胺中生成的氮化镓量子点具有良好的蓝光发射（如附图6）。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将氯化镓和脂肪胺类溶剂搅拌混合均匀；
（2）在惰性气氛中加热并保持一段时间；
（3）保持反应装置的气密性，将溶液温度升至反应温度，通过注射器在惰性气氛的保护下注入双三甲基硅基胺基锂，将温度保持一段时间；
（4）降至室温后，用适量良溶剂和反溶剂交替洗涤离心多次，最后分散在良溶剂中。
2. 根据权利要求1所述的一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，其特征在于：所述氯化镓的用量为5-10 mmol；脂肪胺类溶剂为十八胺，油胺，三辛胺或十六胺，用量为15 mmol。
3.根据权利要求1所述的一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，其特征在于：所述惰性气氛为Ar气。
4. 根据权利要求1所述的一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述在惰性气氛中加热到280 ℃并保持5-15分钟。
5. 根据权利要求1所述的一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，其特征在于：所述反应温度为 260-360 ℃。
6. 根据权利要求1所述的一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，其特征在于：所述双三甲基硅基胺基锂用量为1.4-2.8 mmol，反应保持的时间为5-90 分钟。
7. 根据权利要求1所述的一种基于热注入法合成的氮化镓量子点的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述降至室温后用3 mL良溶剂正己烷和6 mL反溶剂丙酮交替洗涤离心3次，最后分散在良溶剂正己烷中。
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- 2023-02-02 CN CN202310050880.2A patent/CN116199192A/zh active Pending
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