CN117116743A - 提高胶体量子点电导率的方法及高导电率的胶体量子点 - Google Patents

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Abstract

提高胶体量子点电导率的方法及高导电率的胶体量子点。属于半导体材料加工技术领域，具体涉及胶体量子点加工技术领域。其解决了以往的胶体量子点导电性能和稳定性差的问题。所述方法为首先去除胶体量子点的有机配体，得到去除有机配体的量子点，再将掺杂原子引入胶体量子点表面，提高胶体量子点的导电率。本发明所述方法可以应用在纳米电子器件、高分辨率显示、光电传感器和智能传感网技术领域。

Description

提高胶体量子点电导率的方法及高导电率的胶体量子点
技术领域
本发明属于半导体材料加工技术领域，具体涉及胶体量子点加工技术领域。
背景技术
量子点是一种重要的低维半导体材料，具有传统体材料不具备的光电性能，在生命科学、光电领域具有广泛的应用。胶体量子点是高效制备量子点的方法，具有产量大，制作成本低的优点。但制备方法决定其表面产生有机配体，有机配体阻碍了量子点间载流子的传输，导致电导率极低，这也严重限制了其在光电器件上的应用。同时，表面的有机配体在较高的使用温度环境无法长期稳定存在，从而限制了光电器件的环境稳定性。因此，需要提高胶体量子点的电学性能与稳定性。
发明内容
本发明为了解决以往的胶体量子点导电性能和稳定性差的问题，提供了一种提高胶体量子点电导率的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、对制备的胶体量子点进行初洗；
S2、将初洗后的胶体量子点放入由NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液中静置15分钟；
S3、将静置后的胶体量子点放入CH3COCH3溶液，并放于超声波中清洗3分钟，再放置于去离子水中清洗；重复上述操作3次；
S4、将清洗过的胶体量子点放置于表面皿，加入200ml的去离子水和0.5ml的掺杂原子化学溶液；
S5、将微波发生器置于密闭不锈钢壳体中，并在所述壳体上连接可调节限压阀和真空泵，在壳体中安装加热装置；
S6、将所述表面皿置于微波发生器中，控制微波发生器内温度为75℃，压力为106Kpa，设定微波发生器的最大功率为3000W，功率增大至稳定时间为6分钟，维持功率时间为20分钟，然后关闭微波发生器；
S7、将微波发生器内温度调控至110℃，开启微波发生器，采用真空泵匀速抽出气体，直至表面皿及胶体量子点表面的水分蒸干。
进一步，所述步骤S1中的初洗具体为：将胶体量子点先放置于CH3COCH3溶液中10分钟，然后再放置于C2H6O和C4H10O混合溶液中15分钟；重复上述操作2次；
进一步，所述C2H6O和C4H10O混合溶液中，C2H6O和C4H10O的比例为4：1。
进一步，所述步骤S2中，NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液中，NH4OH、H2O2和H2O的比例为1：1：3。
进一步，所述步骤S2中，将胶体量子点放入由NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液前，需将所述混合溶液以弱微波作用的方法处理30秒。
进一步，所述步骤S4中，掺杂原子化学溶液包括GeCl4溶液、SiCl4溶液、SnCl4溶液和ZnCl2溶液。
本发明还提供由此方法所制备的高导电率的胶体量子点，所述高导电率的胶体量子点是通过将现有的胶体量子点进行如上所述的提高胶体量子点电导率的方法处理后所得到的。
本发明所述方法的有益效果为：
（1）提出一种提高胶体量子点电导率的方法，在不改变量子点内部成份组成的前提下，将胶体量子点的外层有机配体去除，并在量子点表面适当引入掺杂原子，从而提高量子点的电导率和环境稳定性。
（2）提出以弱微波作用的方法处理由NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液，加速产生热量，从而形成原子态氧，增强降解能力，原子态的氧与量子点表面有机配体反应，氧化分解各种长碳链物质，将这些绝缘的表面配体与量子点切断。
（3）以溶液的方式将掺杂原子引入，以减少掺杂原子量，防止量子点表面存在过多的掺杂原子。
（4）针对溶液掺杂容易引入多体掺杂的问题，即掺杂粒子不是以单原子的形式存在，而是以多聚体的方式附在量子点表面，为了解决这一问题，本发明所述方法独创了微波加速分解的方法，通过温度、压力与微波功率间的相互调控，使得水解的沉淀物均匀分散，将形成的掺杂元素的氢氧化物均匀分布于量子点表面，提高活性，加快掺杂原子与量子点表面原子的成键，在加热蒸发的过程中抑制掺杂原子团聚，形成量子点单体表面掺杂。
本发明所述方法可以应用在纳米电子器件、高分辨率显示、光电传感器和智能传感网技术领域。
附图说明
图1为本发明实施例中胶体量子点处理示意图；
图2为本发明实施例中导电率对比测试结构示意图；
其中，1表示量子点，2表示有机配体，3表示去除有机配体的量子点，4表示掺杂原子，5表示上电极Au层，6表示带配体的胶体量子点，7表示高导电率的胶体量子点，8表示ZnO层，9表示下电极Au层，10表示玻璃衬底。
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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1、
本实施例提供一种提高胶体量子点电导率的方法，如图1所示，所述方法的处理思路为首先去除胶体量子点的有机配体，得到去除有机配体的量子点，再将掺杂原子引入胶体量子点表面，提高胶体量子点的导电率。
胶体量子点制备成本低廉，尺寸可调，通过调整量子点的尺寸可以调节其电学性能，这也是量子点的优势。但对于载流子来说，由于量子点外部配体分子的存在，使载流子在量子点之间传输时要克服较大的隧道势垒。目前采用引入短链的配体分子的方法。引入短链的配体分子的方法，虽然在一定程度可提高电导率，但由于有机配体的存在，并不能消除势垒，最大化提高量子点的电导率，且热稳定性差。
本实施例提出一种提高胶体量子点电导率的方法，可从根本上提高量子点的电导率和热稳定性。
所述方法包括如下步骤：
S1、对制备的胶体量子点进行初洗；
S2、将初洗后的胶体量子点放入由NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液中静置15分钟；
S3、将静置后的胶体量子点放入CH3COCH3溶液，并放于超声波中清洗3分钟，再放置于去离子水中清洗；重复上述操作3次；
S4、将清洗过的胶体量子点放置于表面皿，加入200ml的去离子水和0.5ml的掺杂原子化学溶液；
S5、将微波发生器置于密闭不锈钢壳体中，并在所述壳体上连接可调节限压阀和真空泵，在壳体中安装加热装置；
S6、将所述表面皿置于微波发生器中，控制微波发生器内温度为75℃，压力为106Kpa，设定微波发生器的最大功率为3000W，功率增大至稳定时间为6分钟，维持功率时间为20分钟，然后关闭微波发生器；
S7、将微波发生器内温度调控至110℃，开启微波发生器，采用真空泵匀速抽出气体，直至表面皿及胶体量子点表面的水分蒸干。
实施例2、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤S1中的初洗具体为：将胶体量子点先放置于CH3COCH3溶液中10分钟，然后再放置于C2H6O和C4H10O混合溶液中15分钟；重复上述操作2次。所述C2H6O和C4H10O混合溶液中，C2H6O和C4H10O的比例为4：1。步骤S1的作用为去除制备过程中残余有机材料。
实施例3、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤S2中，NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液中，NH4OH、H2O2和H2O的比例为1：1：3。针对混合溶液降解能弱的问题，我们提出以弱微波作用的方法处理30秒，加速产生热量，从而形成原子态氧，增强降解能力，原子态的氧与量子点表面有机配体反应，氧化分解各种长碳链物质，将这些绝缘的表面配体与量子点切断。
实施例4、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤S4中，掺杂原子化学溶液包括GeCl4溶液、SiCl4溶液、SnCl4溶液和ZnCl2溶液，通过掺杂原子化学溶液将掺杂原子引入，以减少掺杂原子量的方法，防止量子点表面存在过多的掺杂原子。
实施例5、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤S6中，在微波发生器稳定工作时，水解加速，水解反应后少量的掺杂原子以无机盐或酸的形式沉淀，如：GeCl4+ 4H2O → Ge(OH)4+ 4HCl，在量子点表面形成锗酸(Ge(OH)4)，在微波作用下防止沉淀团聚，均匀的分布在量子点表面。
针对溶液掺杂容易引入多体掺杂的问题，即掺杂粒子不是以单原子的形式存在，而是以多聚体的方式附在量子点表面，为了解决这一问题，本发明独创了微波加速分解的方法，通过温度、压力与微波功率间的相互调控，使得水解的沉淀物均匀分散，将形成的掺杂元素的氢氧化物均匀分布于量子点表面，提高活性，加快掺杂原子与量子点表面原子的成键，在加热蒸发的过程中抑制掺杂原子团聚，形成量子点单体表面掺杂。
实施例6、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤S7中，真空泵以低的抽速，抽除腔体内反应及加热生成的气体，加热蒸发后在量子点表面形成掺杂原子，增加了载流子的传输能力，提高量子点的电导率，同时提高量子点的热稳定性。
实施例7、
本实施例提供一种高导电率的胶体量子点，所述高导电率的胶体量子点是通过将现有的胶体量子点进行如实施例1-6所述的提高胶体量子点电导率的方法处理后所得到的。
利用文献[ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 18526−18533]提出的结构，将未去配体和去配体后表面掺杂的PbS胶体量子点，即本实施例所述的高导电率的胶体量子点嵌入该结构中，对应的器件结构如图2中的A和B所示。首先，在玻璃衬底上沉积ITO膜，并用去离子水、丙酮进行超声清洗处理；随后，采用旋涂法在3000 rpm下制备ZnO薄膜，并进行高温220 ℃退火处理30 min；接下来，将PbS胶体量子点溶液以2600 rpm的速度自旋涂在衬底上；最后，采用热蒸发方式蒸镀Au电极。
在制备器件结构的基础上，对其进行I-V传输特性表征，可以得到在暗环境下未去配体处理的胶体量子点对应的器件A对应的电导率为3.2×10-4Ω-1cm-1，这和文献报道的PbS胶体量子点电导率相当；本发明所述高导电率的胶体量子点对应的器件B在暗场环境下对应的电导率4.5×10-3Ω-1cm-1，比器件A对应的电导率增加1个数量级以上，比文献报道的EDT（乙二硫醇）取代配体得到的电导率增加约5倍。

Claims (7)

1.一种提高胶体量子点电导率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、对胶体量子点进行初洗；
S2、将初洗后的胶体量子点放入由NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液中静置15分钟；
S3、将静置后的胶体量子点放入CH3COCH3溶液，并放于超声波中清洗3分钟，再放置于去离子水中清洗；重复上述操作3次；
S4、将清洗过的胶体量子点放置于表面皿，加入200ml的去离子水和0.5ml的掺杂原子化学溶液；
S5、将微波发生器置于密闭不锈钢壳体中，并在所述壳体上连接可调节限压阀和真空泵，在壳体中安装加热装置；
S6、将所述表面皿置于微波发生器中，控制微波发生器内温度为75℃，压力为106Kpa，设定微波发生器的最大功率为3000W，功率增大至稳定时间为6分钟，维持功率时间为20分钟，然后关闭微波发生器；
S7、将微波发生器内温度调控至110℃，开启微波发生器，采用真空泵匀速抽出气体，直至表面皿及胶体量子点表面的水分蒸干。
2.根据权利要求1所述的提高胶体量子点电导率的方法，其特征在于，所述步骤S1中的初洗具体为：将胶体量子点先放置于CH3COCH3溶液中10分钟，然后再放置于C2H6O和C4H10O混合溶液中15分钟；重复上述操作2次。
3.根据权利要求2所述的提高胶体量子点电导率的方法，其特征在于，所述C2H6O和C4H10O混合溶液中，C2H6O和C4H10O的比例为4：1。
4.根据权利要求1所述的提高胶体量子点电导率的方法，其特征在于，所述步骤S2中，NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液中，NH4OH、H2O2和H2O的比例为1：1：3。
5.根据权利要求1所述的提高胶体量子点电导率的方法，其特征在于，所述步骤S2中，将胶体量子点放入由NH4OH、H2O2和H2O组成的混合溶液前，需将所述混合溶液以弱微波作用的方法处理30秒。
6.根据权利要求1所述的提高胶体量子点电导率的方法，其特征在于，所述步骤S4中，掺杂原子化学溶液包括GeCl4溶液、SiCl4溶液、SnCl4溶液和ZnCl2溶液。
7.一种高导电率的胶体量子点，其特征在于，所述高导电率的胶体量子点是通过将现有的胶体量子点进行如权利要求1-6任一项所述的提高胶体量子点电导率的方法处理后所得到的。
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