JP2010502540A - How to make nanoparticles - Google Patents

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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Abstract

本発明は、第IV族元素のナノ粒子の製造方法、好ましくはSi、GeおよびSn、ならびにこれらの元素の2成分合金および3成分合金のナノ粒子の製造方法を提供する。本発明の方法には、昇温させた温度で、不活性雰囲気下、大気圧で、分解促進剤を使用して、1種または2種以上の第IV族金属前駆体を、溶液相で分解することが含まれる。反応混合物に表面結合剤を添加してナノ粒子を覆う有機層を形成し、凝集を防止する。
【選択図】図1
The present invention provides a method for producing Group IV element nanoparticles, preferably Si, Ge and Sn, and binary and ternary alloy nanoparticles of these elements. In the method of the present invention, one or more Group IV metal precursors are decomposed in the solution phase using a decomposition accelerator at an elevated temperature, in an inert atmosphere, and at atmospheric pressure. For example. A surface binder is added to the reaction mixture to form an organic layer that covers the nanoparticles and prevents aggregation.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、第IV族元素のナノ粒子を製造する方法に関する。特に、Si、GeおよびSn、ならびにこれらの元素の2成分合金および3成分合金のナノ粒子の製造に関する。   The present invention relates to a method for producing Group IV element nanoparticles. In particular, it relates to the production of nanoparticles of Si, Ge and Sn, and binary and ternary alloys of these elements.

本発明は、量子ドットに関し、また、量子ドットはナノ粒子またはナノ結晶として知られている。   The present invention relates to quantum dots, and quantum dots are known as nanoparticles or nanocrystals.

「ナノ粒子」という用語は、約1nm〜約100nmの平均直径を有する粒子を言及するために一般的に引き合いに出される。ナノ粒子は、個々の原子と巨視的なバルク固体との間の中間の大きさを有する。物質の励起子ボーア半径より小さい、または同等の直径を有するナノ粒子は、量子閉じ込め効果を示すことができる。その効果によって、物質の光学的特性、電気的特性、触媒作用の特性、光電子特性、熱的特性および磁気的特性が変わる可能性がある。   The term “nanoparticle” is generally referred to to refer to particles having an average diameter of about 1 nm to about 100 nm. Nanoparticles have intermediate sizes between individual atoms and macroscopic bulk solids. Nanoparticles having a diameter smaller than or equivalent to the exciton Bohr radius of the material can exhibit quantum confinement effects. Depending on the effect, the optical properties, electrical properties, catalytic properties, optoelectronic properties, thermal properties and magnetic properties of the material may change.

多くのナノ粒子は、同じ組成を有する巨視的な結晶で観測されるホトルミネセンス効果に比べて非常に大きなホトルミネセンス効果を示す。さらに、ナノ粒子の大きさおよび表面の化学的性質を変えることにより、これらの量子閉じ込め効果を変えることができる。たとえば、第II−VI族半導体(たとえば、CdSe)および第III −V族半導体(たとえば、InP)のナノ粒子に関して、大きさに依存する離散的な光学および電子遷移が存在する。   Many nanoparticles exhibit a very large photoluminescence effect compared to that observed in macroscopic crystals having the same composition. Furthermore, these quantum confinement effects can be altered by changing the size of the nanoparticles and the surface chemistry. For example, there are size-dependent discrete optical and electronic transitions for nanoparticles of Group II-VI semiconductors (eg, CdSe) and Group III-V semiconductors (eg, InP).

有機金属化学蒸着法(MOCVD)のような処理による第IV族ナノ粒子の気相合成がよく知られている。しかし、そのような方法は低収率であり、大きな資本を必要とする。第II−VI族と第III −V族半導体の合成に使用されている液相合成技法は、第IV族物質に対してうまく適用されておらず、これは、主に、高結晶性のナノ粒子を高収率で製造するために高温を要することが原因である。アモルファスSiおよびGeの共有結合が強いということは、商業的に実行可能な生産率でコアの結晶性を高くするために、第II−IV族物質で用いられる合成温度に比べて、著しく高い合成温度が必要であることを意味する。その上、液相第IV族の前駆体の多くを熱的に分解するために必要な温度は、大気圧で代表的な多くの溶媒の沸点を超える。   Vapor phase synthesis of Group IV nanoparticles by processes such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is well known. However, such methods have low yields and require large capital. The liquid phase synthesis techniques used in the synthesis of Group II-VI and Group III-V semiconductors have not been successfully applied to Group IV materials, which are mainly based on highly crystalline nanostructures. This is due to the high temperature required to produce the particles in high yield. The strong covalent bonding of amorphous Si and Ge means that the synthesis is significantly higher than the synthesis temperature used in Group II-IV materials to increase core crystallinity at a commercially viable production rate. Means temperature is needed. Moreover, the temperature required to thermally decompose many of the liquid phase Group IV precursors exceeds the boiling point of many typical solvents at atmospheric pressure.

第IV族塩の溶液相還元の報告およびエアロゾル法の報告は今まで少しはあった。しかし、これらの方法で製造されたナノ粒子の多くは、サイズ分布が非常に広く、可視ルミネセンス効率も非常に小さかった。   There have been few reports of solution phase reduction of group IV salts and aerosol methods. However, many of the nanoparticles produced by these methods have a very wide size distribution and very low visible luminescence efficiency.

本明細書で、特許明細書および他の文書を含む情報の外部の情報源が引用されている場合は、これは、一般的に、本発明の特徴を議論する状況を提供することを目的とするものである。特記のない限り、そのような情報源の引用は、いかなる裁判でも、そのような情報源が、先行技術であること、またはその技術における周知一般知識の一部を形成することを承認したと解釈されるべきでない。   Where this specification refers to external sources of information, including patent specifications and other documents, this is generally intended to provide a context for discussing features of the present invention. To do. Unless otherwise stated, citations of such sources are interpreted as approving that in any trial, such sources are prior art or form part of the common general knowledge in the art. Should not be done.

現在入手可能なナノ粒子の作製方法に代わるナノ粒子の作製方法を提供し、および/または、良好な単分散の、および/または高ルミネセンスの、ナノ粒子を生成するナノ粒子の作製方法を提供することができる。   Provides a method for producing nanoparticles that replaces currently available methods for producing nanoparticles and / or provides a method for producing nanoparticles that produce good monodisperse and / or highly luminescent nanoparticles. can do.

第1の態様では、本発明は、不活性雰囲気下大気圧で加熱して、1種または2種以上の第IV族金属の前駆体を、高温表面活性剤を含む液体反応媒体の中で、分解促進剤を用いて反応させるステップと、表面結合剤を加えるステップと、ナノ粒子を回収するステップとを含む、1種または2種以上の第IV族金属またはそれらの合金のナノ粒子の製造方法を提供する。   In a first aspect, the present invention comprises heating at atmospheric pressure under an inert atmosphere to bring one or more Group IV metal precursors into a liquid reaction medium comprising a high temperature surfactant. A method for producing nanoparticles of one or more Group IV metals or alloys thereof comprising the steps of reacting with a decomposition accelerator, adding a surface binder, and recovering the nanoparticles I will provide a.

1つの態様では、液体反応媒体は高温溶媒と高温表面活性剤とを含んでもよい。   In one aspect, the liquid reaction medium may include a hot solvent and a hot surfactant.

好ましい態様では、本第IV族金属前駆体は、一般式G(Ar)x4-x(式中、Gは第IV族金属であり、Arはアリールであり、Yはハロであり、そしてxは少なくとも0であり、かつ、4以下の値をとる)の化合物を含む。 In a preferred embodiment, the Group IV metal precursor has the general formula G (Ar) x Y 4-x , where G is a Group IV metal, Ar is aryl, Y is halo, and x is at least 0 and takes a value of 4 or less).

もうひとつの態様では、第IV族金属前駆体は、一般式G(Ar)y2-y(式中、Gは第IV族金属であり、Arはアリールであり、Yはハロであり、そしてyは少なくとも0であり、かつ、2以下の値をとる)の化合物を含む。 In another embodiment, the Group IV metal precursor has the general formula G (Ar) y Y 2-y , wherein G is a Group IV metal, Ar is aryl, and Y is halo; And y is at least 0 and takes a value of 2 or less).

好ましくは、分解促進剤は、
a)強還元剤
または
b)S、Se、Te、PもしくはAsまたはこれらの0価状態の元素のうちの1種または2種以上からなる化合物
から選ばれる。
Preferably, the decomposition accelerator is
a) Strong reducing agent or b) S, Se, Te, P or As, or a compound composed of one or more of these zero-valent elements.

1つの態様では、本発明の方法は、表面結合剤を加える前に急冷剤を加える追加のステップを含む。好ましくは、急冷剤を加えるステップは、表面結合剤を加える前であるが、分解促進剤を加えた後である。   In one aspect, the method of the present invention includes the additional step of adding a quenching agent prior to adding the surface binder. Preferably, the step of adding a quenching agent is before adding the surface binder but after adding the degradation accelerator.

好ましい態様では、分解促進剤は、S、Se、Te、PおよびAs、ならびにこれらの0価状態(下記参照)の元素のうちの1種または2種以上の元素を含む化合物からなる群から選択され、本方法は、急冷剤を加えるステップを含む。   In a preferred embodiment, the decomposition accelerator is selected from the group consisting of S, Se, Te, P and As, and compounds containing one or more of these zero-valent (see below) elements. And the method includes adding a quenching agent.

1つの態様では、表面結合剤は、また急冷剤としても作用することができる。   In one aspect, the surface binder can also act as a quenching agent.

好ましくは、表面結合剤を加えるステップは、ナノ粒子の凝集を防ぐために有効である。好ましくは、表面結合剤は、ナノ粒子と相互作用し、ナノ粒子を囲む有機層を生じさせる。   Preferably, the step of adding a surface binder is effective to prevent nanoparticle aggregation. Preferably, the surface binding agent interacts with the nanoparticles and produces an organic layer surrounding the nanoparticles.

好ましい態様では、表面結合剤は、カルボン酸、アルデヒド、アミド、またはアルコールである。より好ましくは、表面結合剤はカルボン酸であり、その結果、得られたナノ粒子は「酸を末端に有する」。   In preferred embodiments, the surface binding agent is a carboxylic acid, aldehyde, amide, or alcohol. More preferably, the surface binder is a carboxylic acid, so that the resulting nanoparticles are “acid terminated”.

他の好ましい態様では、表面結合剤は、アルケニル部分、またはアルキニル部分を含む。   In other preferred embodiments, the surface binder comprises an alkenyl moiety or an alkynyl moiety.

したがって、本発明の好ましい1つの態様は、1種または2種以上の第IV族金属、またはそれらの合金の、酸を末端に有するナノ粒子の作製を含む。好ましくは、Ge、SiもしくはSn、またはこれらの元素の2成分合金もしくは3成分合金における酸を末端に有するナノ粒子の作製を含む。   Accordingly, one preferred embodiment of the present invention involves the production of acid-terminated nanoparticles of one or more Group IV metals, or alloys thereof. Preferably, it includes the production of nanoparticles terminated with acid in Ge, Si or Sn, or binary or ternary alloys of these elements.

好ましくは、反応のステップは、約100℃〜約400℃の温度に加熱すること、より好ましくは約200℃〜約400℃の温度に加熱すること、さらに好ましくは約300℃の温度に加熱することを含む。   Preferably, the step of reacting is heated to a temperature of about 100 ° C to about 400 ° C, more preferably heated to a temperature of about 200 ° C to about 400 ° C, more preferably a temperature of about 300 ° C. Including that.

好ましくは、本発明の方法は、30分未満で完了する。より好ましくは、その方法は、約20分未満で完了する。   Preferably, the method of the present invention is completed in less than 30 minutes. More preferably, the method is completed in less than about 20 minutes.

好ましくは、本方法は、ナノ粒子を精製する追加のステップを含む。   Preferably, the method includes an additional step of purifying the nanoparticles.

好ましくは、本方法により、約1nmから約20nmまでの範囲のナノ粒子、より好ましくは約1nmから約10nmまでの範囲のナノ粒子が作製される。   Preferably, the method produces nanoparticles in the range of about 1 nm to about 20 nm, more preferably in the range of about 1 nm to about 10 nm.

好ましくは、本方法により、ナノ粒子の直径の標準偏差が平均直径の20%未満であるような単分散のナノ粒子サイズ分布を得る。より好ましくは、本方法により、ナノ粒子の直径の標準偏差が平均直径の5%未満であるような単分散のナノ粒子のサイズ分布を得る。   Preferably, the method provides a monodisperse nanoparticle size distribution such that the standard deviation of the nanoparticle diameter is less than 20% of the average diameter. More preferably, the method provides a monodisperse nanoparticle size distribution such that the standard deviation of the nanoparticle diameter is less than 5% of the average diameter.

好ましくは、本方法により、1gl-1より大きな濃度の、さらに好ましくは10gl-1より大きな濃度のナノ粒子溶液が作られる。 Preferably, the present method, a larger concentration than 1GL -1, more preferably made nanoparticles solution of greater concentration than 10GL -1.

好ましくは、本方法により、50%より大きな化学反応収率、より好ましくは60%より大きな化学反応収率のナノ粒子が作製される。   Preferably, the method produces nanoparticles with a chemical reaction yield greater than 50%, more preferably greater than 60%.

好ましくは、本方法により、1%を超える量子効率を有する光励起に応答するルミネセンスを生成させるナノ粒子が作製される。より好ましくは、20%を超える量子効率の光励起に応答するルミネセンスを生成するナノ粒子が作製される。   Preferably, the method produces nanoparticles that produce luminescence in response to photoexcitation having a quantum efficiency of greater than 1%. More preferably, nanoparticles are produced that produce luminescence in response to photoexcitation with quantum efficiencies greater than 20%.

好ましくは、本方法により、高い結晶化度のナノ粒子が作製される。好ましい態様では、Gはゲルマニウムであり、その結晶構造は実質的にダイヤモンド構造である。   Preferably, the method produces nanoparticles with high crystallinity. In a preferred embodiment, G is germanium and the crystal structure is substantially a diamond structure.

追加の態様では、本発明は、本発明の方法によって実質的に作製された第IV族金属または第IV族金属の合金のナノ粒子を提供する。   In an additional aspect, the present invention provides Group IV metal or Group IV metal alloy nanoparticles substantially made by the methods of the present invention.

その上、追加の態様では、本発明は、1種または2種以上の第IV族金属またはそれらの合金における水素を末端に有するナノ粒子を、一般式L−R−N(式中、Rはアルキル、アルケニル、またはアリールであり、Lは、所望の官能性を有する基であり、Nは、水素を末端に有するナノ粒子の表面と結合することができる官能基である。)の化合物と反応させるステップと、化学的に官能化されたナノ粒子を回収するステップとを含む、1種または2種以上の第IV族金属またはそれらの合金における化学的に官能化されたナノ粒子の製造方法を提供する。好適なN基には、−NH2、−COOH、−CONH2、−CONH2、−OH、−CHO、−SO3H、−PO32、−PH2、−SH、−CH=CH2、−C≡CH、−Cl、−F、−Br、および−Iが含まれるが、これらに限定されない。 In addition, in an additional aspect, the present invention provides nanoparticles terminated with hydrogen in one or more Group IV metals or alloys thereof having the general formula L-R-N, where R is Alkyl, alkenyl, or aryl, L is a group having the desired functionality, and N is a functional group that can bind to the surface of the hydrogen-terminated nanoparticle). And a method of producing chemically functionalized nanoparticles in one or more Group IV metals or alloys thereof comprising the steps of: and recovering chemically functionalized nanoparticles provide. Suitable N groups, -NH 2, -COOH, -CONH 2 , -CONH 2, -OH, -CHO, -SO 3 H, -PO 3 H 2, -PH 2, -SH, -CH = CH 2 , —C≡CH, —Cl, —F, —Br, and —I.

好ましくは、化学的に官能化されたナノ粒子は、水素を末端に有するナノ粒子をL−R−N式(式中、Lは有極性官能基である。)の化合物と反応させることによって作製された水溶性ナノ粒子を含む。もうひとつの態様により、水素を末端に有するナノ粒子をL−R−N式(式中、Lは、生化学的抗体および/または生化学的に活性な分子と結合することが可能な官能基である。)の化合物と反応させる生化学的に官能化されたナノ粒子を提供する。好適なL基には、−NH2、−COOH、−CONH2、−CONH2、−OH、−CHO、−SO3H、−PO32、−PH2、−SH、−CH=CH2、−C≡CH、−Cl、−F、−Br、および−Iが含まれるが、これらに限定されない。 Preferably, the chemically functionalized nanoparticles are made by reacting hydrogen-terminated nanoparticles with a compound of the formula LRN (where L is a polar functional group). Water-soluble nanoparticles. According to another embodiment, the hydrogen-terminated nanoparticles are of the LRN formula, where L is a functional group capable of binding to biochemical antibodies and / or biochemically active molecules. Biochemically functionalized nanoparticles that are reacted with a compound of Suitable L groups, -NH 2, -COOH, -CONH 2 , -CONH 2, -OH, -CHO, -SO 3 H, -PO 3 H 2, -PH 2, -SH, -CH = CH 2 , —C≡CH, —Cl, —F, —Br, and —I.

他の態様では、本発明は、本発明の方法によって作製された、1種または2種以上の第IV族金属またはそれらの合金からなる、化学的に官能化されたナノ粒子を提供する。   In another aspect, the present invention provides chemically functionalized nanoparticles composed of one or more Group IV metals or their alloys made by the methods of the present invention.

他の態様では、本発明は、1種または2種以上の第IV族金属、またはそれらの合金の、水素を末端に有するナノ粒子、好ましくは、Ge、Si、もしくはSn、またはそれらの2成分合金、またはそれらの3成分合金の、水素を末端に有するナノ粒子を作製する方法である、酸、アルデヒド、アルコールまたはアミドを末端に有する本発明のナノ粒子を、水分および酸素のない状態で水素化物還元剤と反応させることと、水素を末端に有するナノ粒子を回収することとを含む方法を提供する。   In another aspect, the present invention provides hydrogen terminated nanoparticles of one or more Group IV metals, or alloys thereof, preferably Ge, Si, or Sn, or two components thereof An alloy, or a ternary alloy thereof, is a method for producing hydrogen-terminated nanoparticles, wherein the nanoparticles of the present invention terminated with acid, aldehyde, alcohol or amide are hydrogenated in the absence of moisture and oxygen. A method is provided that includes reacting with a fluoride reducing agent and recovering hydrogen-terminated nanoparticles.

好ましい態様では、水素を末端に有するナノ粒子は、酸を末端に有する本発明のナノ粒子から作製される。   In a preferred embodiment, hydrogen terminated nanoparticles are made from the nanoparticles of the present invention terminated with acid.

他の態様では、本発明は、実質的に本発明の方法によって作製された、1種または2種以上の第IV族金属またはそれらの合金の水素を末端に有するナノ粒子を提供する。   In another aspect, the present invention provides nanoparticles terminated with hydrogen of one or more Group IV metals or their alloys made substantially by the method of the present invention.

本発明のナノ粒子は、高分子材料、セラミックス材料、金属材料または他の材料のような2次材料のマトリックスに混合するのに好適である。さらに、本発明は、光起電素子、生化学撮像素子を含む光電素子のような素子の作製に好適である。   The nanoparticles of the present invention are suitable for mixing into a matrix of secondary materials such as polymeric materials, ceramic materials, metallic materials or other materials. Furthermore, the present invention is suitable for manufacturing elements such as photovoltaic elements and photoelectric elements including biochemical imaging elements.

本発明の他の態様は、例のみによって、また付随する図面を参照して与えられる以下の記載から明らかにすることができる。   Other aspects of the invention will become apparent from the following description, given by way of example only and with reference to the accompanying drawings.

本明細書で用いる場合、「アリール」の用語は、任意選択的に置換された芳香族基および任意選択的に置換された複素環式芳香族基を含むように意図されている。この芳香族基には、フェニル、ナフチル、インダニル、ビフェニルなどが含まれるが、これらに限定されない。任意選択的に置換された複素環式芳香族基には、ピリミジニル、ピリジル、ピロリル、フリル、オキサゾリル、チオフェニルなどが含まれるが、これらに限定されない。   As used herein, the term “aryl” is intended to include optionally substituted aromatic groups and optionally substituted heterocyclic aromatic groups. This aromatic group includes, but is not limited to, phenyl, naphthyl, indanyl, biphenyl, and the like. Optionally substituted heterocyclic aromatic groups include, but are not limited to, pyrimidinyl, pyridyl, pyrrolyl, furyl, oxazolyl, thiophenyl, and the like.

本明細書で用いる場合、「アルキル」の用語は、任意選択的に置換された直鎖炭化水素基、分枝鎖炭化水素基および飽和環状炭化水素基を含むように意図されている。   As used herein, the term “alkyl” is intended to include optionally substituted straight chain hydrocarbon groups, branched chain hydrocarbon groups, and saturated cyclic hydrocarbon groups.

本明細書で用いる場合、「アルケニル」の用語は、任意選択的に置換された直鎖炭化水素基、分枝鎖炭化水素基およびモノ不飽和環状炭化水素基を含むように意図されている。   As used herein, the term “alkenyl” is intended to include optionally substituted straight chain hydrocarbon groups, branched chain hydrocarbon groups, and monounsaturated cyclic hydrocarbon groups.

本明細書で用いる場合、「アルキニル」の用語は、−C≡C−部分を含む、任意選択的に置換された直鎖炭化水素基および分枝鎖炭化水素基を含むように意図されている。   As used herein, the term “alkynyl” is intended to include optionally substituted straight and branched chain hydrocarbon groups containing a —C≡C— moiety. .

本明細書で用いる場合、「ハロ」の用語は、ヨード基、クロロ基、ブロモ基またはフルオロ基を指す。   As used herein, the term “halo” refers to an iodo, chloro, bromo or fluoro group.

特定の化合物が、1種または2種以上の、アルキル、アルケニル、アルキニル、アリールまたはハロを含む化合物の場合、そのような基のそれぞれは独立して選択されることができる。   Where a particular compound is a compound comprising one or more alkyl, alkenyl, alkynyl, aryl or halo, each such group can be independently selected.

本明細書で用いる場合、「任意選択的に置換された」という用語は、任意の置換基が結合するそれぞれの原子の原子価が通常の原子価を超えないという条件で、基における1つまたは2つ以上の水素原子が、独立して選択された1種または2種以上の好適な置換基と置換されることを意味するように意図されている。   As used herein, the term “optionally substituted” refers to one or more in a group provided that the valence of each atom to which the optional substituent is attached does not exceed the normal valence. It is intended to mean that two or more hydrogen atoms are replaced with one or more suitable substituents selected independently.

本明細書で用いる場合、「ナノ粒子」、「ナノ結晶」および「量子ドット」の用語は、大きさが100ナノメートルより小さないかなる粒子も指す。   As used herein, the terms “nanoparticle”, “nanocrystal”, and “quantum dot” refer to any particle that is less than 100 nanometers in size.

「ナノ結晶」は、ナノ粒子に比べて高い結晶化度を有することができるが、本明細書におけるナノ粒子の言及は、ナノ結晶および量子ドットを含むものと当該技術分野における当業者によって理解されるべきである。   Although “nanocrystals” can have a higher degree of crystallinity than nanoparticles, references herein to nanoparticles are understood by those skilled in the art to include nanocrystals and quantum dots. Should be.

本明細書で用いる場合、ナノ粒子の「大きさ」とは、ナノ粒子のコアの直径を指す。ナノ粒子は、一般的に、1種または2種以上の第1の材料のコアを含み、第2の材料のシェルによって任意選択的に被覆されることができる。   As used herein, the “size” of a nanoparticle refers to the diameter of the core of the nanoparticle. The nanoparticles generally comprise one or more cores of a first material and can optionally be covered by a shell of a second material.

本発明のナノ粒子は、一般的に第IV族金属(シリコン、ゲルマニウム、スズ等)、またはこれらの金属の合金の「コア」を含み、任意選択的に第2の材料の「シェル」に被覆されることができる。「コア」の用語は、ナノ粒子の中心領域を指す。コアは、実質的に、単一の均質な材料を含むことができる。コアは、結晶質でも、多原子でも、アモルファスであってもよい。コアを結晶質とすることができるが、コアの表面はアモルファスまたは多結晶質でもよいと理解され、この非晶質の表面層は有限の深さでコアの内部へ向かって伸びていてもよいと理解される。ナノ粒子の「シェル」は、有機物または無機物の一層を含んでもよいし、内側の無機物の層と外側の有機物の層との両方を含む2層を含んでもよいし、そのまた逆の2層を含んでもよい。シェルの材料は、ナノ粒子のコアの表面において「ダングリングボンド」の数を最小にするために選択することができる。本発明のナノ粒子のシェルの材料は、本発明の方法において使用される表面結合剤によって、一般的に決定される。   The nanoparticles of the present invention generally comprise a “core” of a Group IV metal (silicon, germanium, tin, etc.), or alloys of these metals, optionally coated on a “shell” of a second material. Can be done. The term “core” refers to the central region of the nanoparticle. The core can comprise a substantially single homogeneous material. The core may be crystalline, polyatomic, or amorphous. Although the core can be crystalline, it is understood that the surface of the core may be amorphous or polycrystalline, and this amorphous surface layer may extend toward the interior of the core at a finite depth. It is understood. A “shell” of nanoparticles may include one layer of organic or inorganic, two layers including both an inner inorganic layer and an outer organic layer, and vice versa. May be included. The shell material can be selected to minimize the number of “dangling bonds” at the surface of the nanoparticle core. The nanoparticle shell material of the present invention is generally determined by the surface binder used in the method of the present invention.

本明細書で用いる場合、ナノ粒子における「ホトルミセンス」の用語は、第2の波長(波長範囲)の発光の後のナノ粒子による第1の波長(波長範囲)の発光を指す。第1の波長(波長範囲)は、第2の波長(波長範囲)よりも長い。   As used herein, the term “photoluminescence” in a nanoparticle refers to the emission of a first wavelength (wavelength range) by the nanoparticle after emission of a second wavelength (wavelength range). The first wavelength (wavelength range) is longer than the second wavelength (wavelength range).

本明細書で用いる場合、「量子効率」の用語は、ナノ粒子によって放出された光子の数と、ナノ粒子によって吸収された光子の数との比率を指す。   As used herein, the term “quantum efficiency” refers to the ratio of the number of photons emitted by a nanoparticle to the number of photons absorbed by the nanoparticle.

本明細書で用いる場合、ナノ粒子に関して「単分散」の用語は、ナノ粒子の集団の少なくとも75%、好ましくは100%(またはその間の整数、または非整数)が特定の粒子サイズ範囲に入る、ナノ粒子の集団を指す。「単分散」粒子の集団は、平均径の20%未満の標準偏差を有し、「高単分散」集団は、平均径の5%未満の標準偏差を有する。   As used herein, the term “monodisperse” with respect to nanoparticles means that at least 75%, preferably 100% (or an integer or non-integer therebetween) of the population of nanoparticles falls within a particular particle size range. Refers to a population of nanoparticles. The population of “monodisperse” particles has a standard deviation of less than 20% of the mean diameter, and the “highly monodisperse” population has a standard deviation of less than 5% of the mean diameter.

本明細書で用いる場合、「表面活性剤分子」の用語は、無極性末端および極性末端を含む分子を指す。この無極性末端には、アルキル基、アルキニル基もしくはアリール基、またはそれらを組み合わせたものが含まれる。この極性末端には、カルボン酸、スルフィン酸、スルホン酸、ホスフィン酸およびホスホン酸のような種々の酸ならびにそれらの塩、ならびに第1級、第2級、第3級もしくは第4級アミン、ハロゲン化物、酸化物、硫化物、チオール、ホスフィン、リン化合物、リン酸塩ならびにグリコールから選択された1種または2種以上の基を含む。   As used herein, the term “surfactant molecule” refers to a molecule comprising a nonpolar end and a polar end. This nonpolar end includes an alkyl group, an alkynyl group or an aryl group, or a combination thereof. The polar ends include various acids such as carboxylic acids, sulfinic acids, sulfonic acids, phosphinic acids and phosphonic acids and their salts, as well as primary, secondary, tertiary or quaternary amines, halogens One or more groups selected from chlorides, oxides, sulfides, thiols, phosphines, phosphorus compounds, phosphates and glycols.

本明細書で用いる場合、「分解促進剤」の用語は、1種または2種以上の第IV族金属が生ずるような所定温度における第IV族金属の前駆体化合物を含む化学反応を促進する化合物または材料を指す。   As used herein, the term “degradation promoter” is a compound that promotes a chemical reaction that includes a precursor compound of a Group IV metal at a given temperature such that one or more Group IV metals are formed. Or refers to the material.

本明細書で用いる場合、「および/また」の用語は、「および」、「または」、そして「および」と「または」との両方を意味する。   As used herein, the term “and / or” means “and”, “or”, and both “and” and “or”.

本明細書で用いる場合、名詞の後の「(s)」は、名詞の複数形および/または単数形を意味する。   As used herein, “(s)” after a noun means the plural and / or singular of the noun.

本明細書で用いる場合、「含む」の用語は、「〜の少なくも一部からなる」を意味する。その用語を含む本明細書と請求項における記述を解釈するとき、それぞれの記述または請求項におけるその用語が前置きされている要件は全て存在している必要があるが、他の要件もまた存在することができる。「含む」と「含まれる」というような関連語は、同様に解釈されるべきである。   As used herein, the term “comprising” means “consisting of at least a portion of”. When interpreting the description in this specification and the claims that include that term, all requirements that precede that term in each statement or claim must exist, but other requirements also exist be able to. Related terms such as “include” and “include” should be interpreted similarly.

本明細書で開示されている数値範囲(一例としてナノ粒子の大きさに関して、1nm〜10nm)の言及は、その範囲内の全ての整数および非整数の言及(たとえば、1、1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、9および10)と、さらに、その範囲内の整数と非整数とのいかなる範囲(たとえば、2〜8、1.5〜5.5、3.1〜4.7)を包含するものとする。   References to numerical ranges disclosed herein (for example, 1 nm to 10 nm with respect to nanoparticle size) refer to all integer and non-integer references within the range (eg, 1, 1.1, 2 3, 3.9, 4, 5, 6, 6.5, 7, 8, 9, and 10) and any range of integers and non-integers within that range (eg, 2-8, 1.. 5 to 5.5, 3.1 to 4.7).

本発明は、また、本願の明細書中で個々にまたは集団的に言及された、もしくは示された、部分、要素および要件、ならびに、任意の前記部分、要素もしくは要件の2もしくは3以上の組み合わせにあると広く表現することができ、そして、特定の完成品が本発明に関する技術において均等物であると認識されていると、本願の明細書中で言及されている点は、それぞれ説明したように、本願の明細書中に含まれると考えられる。   The present invention also includes parts, elements and requirements, as well as combinations of any of the parts, elements or requirements mentioned or shown individually or collectively in the specification of the present application. In the specification of the present application, it is to be noted that each specific finished product is recognized as equivalent in the technology related to the present invention. Are considered to be included in the specification of the present application.

本発明を、一例として、以下の図面を参照して記述する。
図1は、本発明の方法における一般的なフロー図である。 図2は、本発明の方法における1つの態様のフロー図である。 図3は、本発明の方法に他の1つの態様のフロー図である。 図4aは、本発明によって作製されたゲルマニウムナノ粒子の透過電子顕微鏡写真である。 図4bは、本発明によって作製されたゲルマニウムナノ粒子の別の透過電子顕微鏡写真である。 図5は、本発明によって作製されたゲルマニウムナノ粒子のX線回折データである。 図6は、本発明によって作製されたゲルマニウムナノ粒子の電子線回折を示す。 図7は、本発明によって作製されたゲルマニウムナノ粒子のルミネセンススペクトルを示す。 図8は、本発明の方法に有用な典型的なガラス製装置の図である。 図9aは、本発明によって作製された有機表面層を有する、化学的に官能化されたナノ粒子を示す。 図9bは、本発明によって作製された、水素を末端に有するナノ粒子を示す。 図9cは、本発明によって作製された、酸を末端に有するナノ粒子の表面と結合したカルボン酸基を示す。
The invention will now be described by way of example with reference to the following drawings in which:
FIG. 1 is a general flow diagram of the method of the present invention. FIG. 2 is a flow diagram of one aspect of the method of the present invention. FIG. 3 is a flow diagram of another aspect of the method of the present invention. FIG. 4a is a transmission electron micrograph of germanium nanoparticles prepared according to the present invention. FIG. 4b is another transmission electron micrograph of germanium nanoparticles made according to the present invention. FIG. 5 is X-ray diffraction data of germanium nanoparticles prepared according to the present invention. FIG. 6 shows electron diffraction of germanium nanoparticles prepared according to the present invention. FIG. 7 shows the luminescence spectrum of germanium nanoparticles made according to the present invention. FIG. 8 is a diagram of a typical glass device useful in the method of the present invention. FIG. 9a shows a chemically functionalized nanoparticle with an organic surface layer made according to the present invention. FIG. 9b shows a hydrogen-terminated nanoparticle made according to the present invention. FIG. 9c shows a carboxylic acid group attached to the surface of an acid terminated nanoparticle made according to the present invention.

本発明は、1種または2種以上の第IV族元素を含むナノ粒子の製造方法に関する。好ましい態様では、本方法は、Si、GeおよびSnのうちの1種または2種以上の元素からなる半導体材料を含むナノ粒子を形成することを含む。   The present invention relates to a method for producing nanoparticles containing one or more Group IV elements. In a preferred embodiment, the method includes forming nanoparticles comprising a semiconductor material composed of one or more elements of Si, Ge, and Sn.

本方法は、大気圧の不活性雰囲気下で、分解促進剤を使用して1種または2種以上の第IV族金属の前駆体を液体反応媒体の中で反応させることを含む。その反応は、反応混合物を加熱することによって行われる。好ましい態様では、第IV族金属前駆体は、1種または2種以上の、Si、GeおよびSnからなる半導体材料の原料である。   The method includes reacting one or more Group IV metal precursors in a liquid reaction medium using a decomposition accelerator under an inert atmosphere at atmospheric pressure. The reaction is carried out by heating the reaction mixture. In a preferred embodiment, the Group IV metal precursor is a raw material for a semiconductor material composed of one or more of Si, Ge and Sn.

一般的に言えば、分解促進剤は、還元剤、重合剤、または他の好適な物質でもよい。さらに、本方法には、反応混合物の中の高温表面活性剤の使用が含まれる。本方法には、反応混合物に強相互作用表面結合剤の添加が含まれる。この表面結合剤は、ナノ粒子上に有機被覆物を形成し、続いて起こる結晶成長の間、ナノ粒子の凝集を防止する。   Generally speaking, the degradation accelerator may be a reducing agent, a polymerizing agent, or other suitable substance. Further, the method includes the use of a high temperature surfactant in the reaction mixture. The method includes the addition of a strong interaction surface binder to the reaction mixture. This surface binder forms an organic coating on the nanoparticles and prevents aggregation of the nanoparticles during subsequent crystal growth.

一般的なナノ粒子の製造方法を、図1で説明する。   A general method for producing nanoparticles will be described with reference to FIG.

図1に示すように、発明の方法は、以下に列記する4つのステップを含む。
(a)不活性雰囲気下大気圧で、液体反応媒体と1種または2種以上の第IV族金属前駆体とを含む溶液を加熱するステップ。
(b)第IV族金属の前駆体の分解を促進するために分解促進剤を導入するステップ。
(c)過剰な分解促進剤を除去するために急冷剤を任意選択的に導入するステップ。この任意選択的なステップは、たとえば、過剰な分解促進剤がなければ必要なく、そして、分解促進剤が還元剤(以下で検討するように)の場合も必須としなくてもよい。
(d)結果として生じたナノ粒子の凝集を防止するために表面結合剤を導入するステップ。
As shown in FIG. 1, the inventive method includes the four steps listed below.
(A) heating a solution comprising a liquid reaction medium and one or more Group IV metal precursors at atmospheric pressure under an inert atmosphere;
(B) introducing a decomposition accelerator to promote the decomposition of the precursor of the Group IV metal.
(C) optionally introducing a quenching agent to remove excess degradation promoter. This optional step is not necessary, for example, if there is no excess degradation accelerator, and may not be required if the degradation accelerator is a reducing agent (as discussed below).
(D) introducing a surface binder to prevent aggregation of the resulting nanoparticles.

以下、これらのステップのそれぞれについて詳細に検討する。   Each of these steps will be discussed in detail below.

−第IV族金属前駆体−
多くの第IV族金属前駆体は本発明の方法での使用に適している。これらには、シリコン原子、ゲルマニウム原子、またはスズ原子を含有する有機金属化合物が含まれる。好ましくは、シリコン原子、ゲルマニウム原子またはスズ原子を含有する、これらの有機金属化合物は、以下の分子式G(Ar)x4-x(式中、Gは第IV族金属、Arはアリール、Yはハロ、そしてxは、少なくとも0であり、4以下の数値をとる)のアリール基およびハロゲン化物の化合物に対して4価結合している。
-Group IV metal precursors-
Many Group IV metal precursors are suitable for use in the method of the present invention. These include organometallic compounds containing silicon atoms, germanium atoms, or tin atoms. Preferably, these organometallic compounds containing silicon, germanium or tin atoms have the following molecular formula G (Ar) x Y 4-x , wherein G is a Group IV metal, Ar is aryl, Y Is a halo, and x is at least 0 and takes a value of 4 or less).

そのような化合物には、テトラフェニルゲルマニウム、トリフェニルクロロゲルマニウム、ジフェニルジクロロゲルマニウム、フェニルトリクロロゲルマニウム、テトラフェニルシラン、トリフェニルクロロシラン、ジフェニルジクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、テトラフェニルスズ、トリフェニルクロロスズ、ジフェニルジクロロスズ、フェニルトリクロロスズまたは臭素、ヨウ素もしくはフッ素におけるそれらの類似化合物が含まれる。しかし、これらのものに限定されない。   Such compounds include tetraphenyl germanium, triphenylchlorogermanium, diphenyldichlorogermanium, phenyltrichlorogermanium, tetraphenylsilane, triphenylchlorosilane, diphenyldichlorosilane, phenyltrichlorosilane, tetraphenyltin, triphenylchlorotin, diphenyl Included are dichlorotin, phenyltrichlorotin or their analogous compounds in bromine, iodine or fluorine. However, it is not limited to these.

あるいは、第IV族金属の前駆体種には、分子式G(Ar)y2-y(式中、Gは第IV族金属、Arはアリール、Yはハロ、そしてyは、少なくとも0であり、2以下の数値をとる。)のアリール基およびハロゲン化物の化合物に対して2価結合されている第IV族原子が含まれる。 Alternatively, the precursor species of the Group IV metal include molecular formula G (Ar) y Y 2-y where G is a Group IV metal, Ar is aryl, Y is halo, and y is at least 0. Group IV atoms that are divalently bonded to the aryl group and halide compound.

好ましい態様では、Arは、任意選択的に置換されたフェニル、より好ましくはフェニルである。   In a preferred embodiment, Ar is optionally substituted phenyl, more preferably phenyl.

好ましい態様では、第IV族前駆体は、フェニル置換された前駆体、G(Ph)x4-xである。分解促進剤がS、Se、Te、PおよびAsならびにこれらの0価状態(下記参照)の元素のうちの1種または2種以上の元素からなる化合物からなるグループの中から選択された場合、この本前駆体はとくに好ましい。 In a preferred embodiment, the Group IV precursor is a phenyl-substituted precursor, G (Ph) x Y 4-x . When the decomposition accelerator is selected from the group consisting of S, Se, Te, P and As and a compound composed of one or more elements of these zero-valent states (see below), This precursor is particularly preferred.

第IV族前駆体は、異なる第IV族金属を有する前駆体を含んだ異なる第IV族前駆体の混合物でもよい。これにより、結果として合金または最終のナノ粒子に界面を形成することができる。   The Group IV precursor may be a mixture of different Group IV precursors including precursors having different Group IV metals. This can result in the formation of an interface in the alloy or final nanoparticles.

−液体反応媒体−
液体反応媒体の主要な役割は、第IV族金属前駆体および種々の試薬を溶媒和させて、均一液相反応を確実にすることである。液体反応媒体は、また、高温表面活性剤のナノ粒子の表面との間の相互作用によるナノ粒子の凝集にバリアを提供する。これらの処理は、ナノ粒子の大きさを高度な単分散にするのに有効である。
-Liquid reaction medium-
The primary role of the liquid reaction medium is to solvate the Group IV metal precursor and various reagents to ensure a homogeneous liquid phase reaction. The liquid reaction medium also provides a barrier to the aggregation of the nanoparticles due to the interaction between the surface of the high temperature surfactant nanoparticles. These treatments are effective for making the size of the nanoparticles highly monodisperse.

当業者であれば、液体反応媒体は反応温度において熱的に安定でなければならないことはわかるであろう。   One skilled in the art will appreciate that the liquid reaction medium must be thermally stable at the reaction temperature.

1つの態様では、液体反応媒体は、高温表面活性剤および高温溶媒を含む。あるいは、高温表面活性剤もまた高温溶媒として作用する。   In one aspect, the liquid reaction medium includes a hot surfactant and a hot solvent. Alternatively, the high temperature surfactant also acts as a high temperature solvent.

本明細書で用いる場合、「高温」の用語は、表面活性剤または溶媒が、不活性雰囲気下反応温度において熱的に安定であり、反応温度を超える沸点を有することがよいことであることを意味する。   As used herein, the term “high temperature” means that the surfactant or solvent should be thermally stable at the reaction temperature under an inert atmosphere and have a boiling point above the reaction temperature. means.

反応温度は、好ましくは約100℃〜約400℃であり、より好ましくは、約200℃〜約400℃であり、より好ましくは、約300℃である。   The reaction temperature is preferably about 100 ° C to about 400 ° C, more preferably about 200 ° C to about 400 ° C, and more preferably about 300 ° C.

表面活性剤は、ナノ粒子の表面と相互反応可能な官能基を含む分子構造を有する。これは、ナノ粒子の表面と弱く結合する溶媒材料の薄層を形成するように作用する。そのようにしてナノ粒子の凝集を防ぐことができる。好ましい表面活性剤は、反応物や前駆体との寄生副反応に加わらない。   The surfactant has a molecular structure containing functional groups that can interact with the surface of the nanoparticles. This acts to form a thin layer of solvent material that binds weakly to the surface of the nanoparticles. In this way, aggregation of the nanoparticles can be prevented. Preferred surfactants do not participate in parasitic side reactions with reactants and precursors.

上述の基準を満たす好適な表面活性剤には、R−NH2、R−PH2、R3N、R3P、R2NH、R2PH、R4+、およびREy(式中、Rは、アルキル、アルケニルまたはアリール、Eは、エチレングリコール基、そして、N、PおよびHは、国際純正・応用化学連合におけるそれらの通常の意味を持つ。)が含むことができるが、これらの化合物に限定されない。 Suitable surfactants that meet the above criteria include R—NH 2 , R—PH 2 , R 3 N, R 3 P, R 2 NH, R 2 PH, R 4 N + , and RE y (wherein , R is alkyl, alkenyl or aryl, E is an ethylene glycol group, and N, P and H have their usual meanings in the International Union of Pure and Applied Chemistry) It is not limited to the compound of.

好ましい高温表面活性剤には、オレイルアミン、ヘキサデシルアミン、トリオクチルアミンおよびトリオクチルホスフィンが含まれる。これらの表面活性剤は、配位性溶媒として作用し、その結果、追加の溶媒を必要としない。   Preferred high temperature surfactants include oleylamine, hexadecylamine, trioctylamine and trioctylphosphine. These surfactants act as coordinating solvents so that no additional solvent is required.

液体反応媒体が高温表面活性剤および高温溶媒を含む場合のこれらの態様では、好適な高沸点有機溶媒には、アルカン、アルケン、芳香族炭化水素および他のパラフィン、モノ−もしくはポリ−エチレングリコールエーテル、クラウンエーテル、ならびにフェニルエーテルが含まれるが、これらのものに限定されない。   In those embodiments where the liquid reaction medium includes a high temperature surfactant and a high temperature solvent, suitable high boiling organic solvents include alkanes, alkenes, aromatic hydrocarbons and other paraffins, mono- or poly-ethylene glycol ethers. , Crown ethers, and phenyl ethers, but are not limited to these.

第IV族金属前駆体は、液体反応媒体を反応温度に加熱する前または加熱した後に液体反応媒体に導入することができる。好ましい態様では、液体反応媒体は、第IV族金属前駆体および他の反応物を導入する前に、反応容器からガス状の汚染物質をパージするために、好適な不活性ガスを流した状態で所望の反応温度に加熱される。   The Group IV metal precursor can be introduced into the liquid reaction medium before or after the liquid reaction medium is heated to the reaction temperature. In a preferred embodiment, the liquid reaction medium is flowed with a suitable inert gas to purge gaseous contaminants from the reaction vessel prior to introducing the Group IV metal precursor and other reactants. Heat to desired reaction temperature.

好適な不活性ガスは、当業者には公知である。そのようなガスには、窒素、アルゴン、そしてヘリウムが含まれるが、これらに限定されない。好ましくは、不活性ガスは窒素である。   Suitable inert gases are known to those skilled in the art. Such gases include, but are not limited to nitrogen, argon, and helium. Preferably, the inert gas is nitrogen.

前駆体が比較的、化学的に安定であると、制御された雰囲気のグローブボックスの中で反応を行う必要性がなく、簡単なシュレンクラインまたは同様のガスパージガラス製装置を使用することができる。図8は、この合成に適している典型的なベンチトップガラス製装置を示す。三口丸底フラスコ2に液体反応媒体1を入れる。保護ガラス閉鎖容器4で覆った温度計プローブ3を使用して温度を監視する。磁気撹拌子5で溶液を撹拌し、加熱マントル、熱浴、または同種の装置で加熱6する。ガス注入口7を経て不活性ガスをフラスコ2に入れ、排気口10を経て排出する。ガス注入口7に一時的に挿入した注入器を使用して試薬をフラスコ2に加えることができる。さらに、液体反応媒体1の媒体面上の蒸気を冷却し、凝縮するために凝縮器8を使用する。水入口9と排水口9を経て外部ガラスさやを通過する水で凝縮器を水冷却することができる。   If the precursor is relatively chemically stable, there is no need to carry out the reaction in a controlled atmosphere glove box and a simple Schlenk line or similar gas purge glass apparatus can be used. FIG. 8 shows a typical bench top glass apparatus suitable for this synthesis. A liquid reaction medium 1 is placed in a three-necked round bottom flask 2. The temperature is monitored using a thermometer probe 3 covered with a protective glass enclosure 4. The solution is stirred with a magnetic stir bar 5 and heated 6 with a heating mantle, hot bath, or similar device. An inert gas is introduced into the flask 2 through the gas inlet 7 and discharged through the exhaust port 10. The reagent can be added to the flask 2 using an injector temporarily inserted into the gas inlet 7. Furthermore, the condenser 8 is used to cool and condense the vapor on the medium surface of the liquid reaction medium 1. The condenser can be water-cooled with water passing through the outer glass sheath through the water inlet 9 and the drain outlet 9.

ステップb)の間、この反応混合物を反応温度に加熱することも可能であるが、通常、ステップa)の間、その反応混合物を反応温度に加熱する。   While it is possible to heat the reaction mixture to reaction temperature during step b), usually the reaction mixture is heated to reaction temperature during step a).

−分解促進剤−
脱気後、一般的に加熱状態および不活性雰囲気状態の下、液体反応媒体中の第IV族金属前駆体の溶液に分解促進剤を加える。
-Decomposition accelerator-
After degassing, a decomposition promoter is added to the solution of the Group IV metal precursor in the liquid reaction medium, generally under heated and inert atmosphere conditions.

溶液で、または懸濁液で、分解促進剤を反応容器に注入してもよい。好ましい態様では、液体反応媒体を構成する溶液と同様である液体キャリアの溶液として分解促進剤を加えてもよい。   The decomposition accelerator may be injected into the reaction vessel in solution or in suspension. In a preferred embodiment, the decomposition accelerator may be added as a liquid carrier solution which is the same as the solution constituting the liquid reaction medium.

分解促進剤は、反応温度において、第IV族金属前駆体における、第IV族金属−一般にGe、SiまたはSn(またはこれらの合金)−のナノ粒子としての元素形態への分解を促進する。一般的な反応スキームは次のようになる。   Decomposition promoters promote the decomposition of the group IV metal precursors, generally Ge, Si or Sn (or alloys thereof) into elemental forms as nanoparticles at the reaction temperature at the reaction temperature. The general reaction scheme is as follows.

Figure 2010502540
ここで、npはナノ粒子形成物を示す。
Figure 2010502540
Here, np represents a nanoparticle formed product.

本発明の1つの態様では、図2に示すように、分解促進剤は強還元剤である。分解促進剤は、置換基−Ge結合、置換基−Si結合または置換基−Sn結合を切断するものでなければならない。   In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the decomposition accelerator is a strong reducing agent. The decomposition accelerator must be capable of cleaving a substituent-Ge bond, a substituent-Si bond, or a substituent-Sn bond.

第IV族金属前駆体がフェニル金属化合物である態様では、分解促進剤は、1種または2種以上のSi―Ph結合、Sn―Ph結合またはGe―Ph結合を切断するものでなければならない。以前から、この強共有結合は還元的作用に対して安定であると想定されてきた。しかし、本明細書で開示された液相法は、高い反応温度と強い還元剤とを組み合わせて用いて、これにより、Si−Ph結合、Sn−Ph結合またはGe−Ph結合を有する前駆体から元素第IV族金属を得る。   In embodiments where the Group IV metal precursor is a phenyl metal compound, the degradation promoter must be capable of cleaving one or more Si-Ph bonds, Sn-Ph bonds, or Ge-Ph bonds. It has long been assumed that this strong covalent bond is stable to reductive action. However, the liquid phase method disclosed herein uses a combination of a high reaction temperature and a strong reducing agent, so that from a precursor having a Si-Ph bond, a Sn-Ph bond, or a Ge-Ph bond. Obtain elemental Group IV metal.

強還元剤の例として、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、ナトリウムナフタレニド、ナトリウムアントラシド、リチウムナフタレニド、リチウムアントラシド、カリウムナフタレニド、カリウムアントラシド、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムカリウム、水素化ナトリウム、水素化リチウム、水素化カリウム、ナトリウム、リチウム、カリウム、硫化ナトリウム、硫化リチウム、硫化カリウム、二塩化スズ、ジオレイン酸スズ、二臭化スズ、二ヨウ化スズ、ナトリウムアミド、アジ化ナトリウムおよびトリフェニルホスフィンのうちの1つまたは2つ以上が含まれる。しかし、これらのものに限定されない。   Examples of strong reducing agents include sodium borohydride, lithium borohydride, potassium borohydride, sodium naphthalenide, sodium anthraside, lithium naphthalenide, lithium anthraside, potassium naphthalenide, potassium anthraside, hydrogen Lithium aluminum hydride, sodium aluminum hydride, potassium aluminum hydride, sodium hydride, lithium hydride, potassium hydride, sodium, lithium, potassium, sodium sulfide, lithium sulfide, potassium sulfide, tin dichloride, tin dioleate, two One or more of tin bromide, tin diiodide, sodium amide, sodium azide and triphenylphosphine are included. However, it is not limited to these.

発明の他の態様では、図3に示すように、分解促進剤は、第V族または第VI族における1種または2種以上の元素、または1種または2種以上の0価状態のこれらの元素を有する化合物を含む。ここで、1種または2種以上の第IV族元素または第VI族元素は、硫黄、セレニウム、テルル、リンおよび砒素を含む群から選択される。   In another aspect of the invention, as shown in FIG. 3, the degradation promoter is one or more elements in group V or group VI, or one or more of these zero-valent states. Includes compounds with elements. Here, the one or more group IV elements or group VI elements are selected from the group comprising sulfur, selenium, tellurium, phosphorus and arsenic.

好ましい態様では、分解促進剤は、SまたはSe(または0価状態のこれらの元素のうちのひとつを有する化合物)を含む。第IV族金属前駆体が(Ph)3GeClであるこの実施形態の例では、一般的な反応スキームを以下に示す。 In a preferred embodiment, the degradation accelerator comprises S or Se (or a compound having one of these elements in the zero valence state). For this example embodiment where the Group IV metal precursor is (Ph) 3 GeCl, the general reaction scheme is shown below.

Figure 2010502540
ここで、npはナノ粒子形成物を示す。
Figure 2010502540
Here, np represents a nanoparticle formed product.

分解促進剤が、S(または0価状態のSを有する化合物)を含む態様では、副産物には、Ph−S−Ph、Ph−Cl、Ph、Ph−Ph、Cl2、SおよびGeS2が含まれてもよい。 In an embodiment in which the degradation accelerator includes S (or a compound having S in the zero valence state), by-products include Ph—S—Ph, Ph—Cl, Ph, Ph—Ph, Cl 2 , S, and GeS 2. May be included.

−急冷剤−
図3に示す発明の態様では一般的に急冷剤を使用する。しかし、分解促進剤が強還元剤である態様でも急冷剤を使用してもよい。
-Quenching agent-
In the embodiment of the invention shown in FIG. 3, a quenching agent is generally used. However, a quenching agent may be used in an embodiment in which the decomposition accelerator is a strong reducing agent.

急冷剤は、過剰な分解促進剤を反応混合物から取り除くように作用する。したがって、分解促進剤が有するナノ粒子の成長を抑制する効果を除去する。さらに、急冷剤を使用すると、ある態様で急冷剤の後に反応混合物に添加される表面結合剤と、分解促進剤が過剰に反応するのを防止する。   The quenching agent acts to remove excess decomposition accelerator from the reaction mixture. Therefore, the effect of suppressing the growth of nanoparticles possessed by the decomposition accelerator is removed. Furthermore, the use of a quenching agent prevents excessive reaction of the surface accelerating agent added to the reaction mixture after the quenching agent in some embodiments and the decomposition accelerator.

S、Se、Te、P、Asならびに0価状態のこれらの元素のうちの1種もしくは2種以上を含む化合物からなる群から分解促進剤を選択する場合、前駆体の分解の後に急冷剤を添加するのが好ましい。   When the decomposition accelerator is selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As and a compound containing one or more of these elements in the zero-valent state, a quenching agent is added after decomposition of the precursor. It is preferable to add.

好ましい態様では、
a)強還元剤または、
b)S、Se、Te、PもしくはAsまたは0価状態のこれらの元素のうちの1種または2種以上の元素を有する化合物
のひとつから分解促進剤は選ばれ、急冷剤は非水性高沸点酸である。好適な非水性高沸点酸には、カルボン酸および1種または2種以上のカルボン酸基を有する化合物が含まれるが、これらのものに限定されない。
In a preferred embodiment,
a) a strong reducing agent or
b) S, Se, Te, P or As, or a decomposition accelerator is selected from one of these elements having one or more of these elements in the zero-valent state, and the quenching agent is a non-aqueous high boiling point It is an acid. Suitable non-aqueous high boiling acids include, but are not limited to, carboxylic acids and compounds having one or more carboxylic acid groups.

別の態様では、S、Se、Te、P、As、および0価状態のこれらの元素のうちの1種または2種以上の元素を含む化合物からなる群から分解促進剤は選択され、急冷剤は、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムカリウム、水素化ナトリウム、水素化リチウム、または水素化カリウムのような水素化物還元剤となることができる。   In another aspect, the decomposition accelerator is selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As, and compounds containing one or more of these elements in the zero-valent state, and the quenching agent Hydride reduction such as sodium borohydride, lithium borohydride, potassium borohydride, lithium aluminum hydride, sodium aluminum hydride, potassium aluminum hydride, sodium hydride, lithium hydride, or potassium hydride Can be an agent.

−表面結合剤−
ナノ粒子の凝集を防止するために反応混合物に表面結合剤を添加する。表面結合剤は、ナノ粒子に対して、液体反応媒体における高温表面活性剤から得られる相互作用よりも強い相互作用を提供することができる。一般的には、表面結合剤を過剰に添加する。
-Surface binder-
A surface binder is added to the reaction mixture to prevent nanoparticle aggregation. The surface binder can provide a stronger interaction for the nanoparticles than that obtained from the high temperature surfactant in the liquid reaction medium. Generally, the surface binder is added in excess.

有利なことに、前駆体の最初の分解の後に表面結合剤を添加することによって、表面結合剤の分解促進剤との寄生副反応を防止することができる。前駆体の最初の分解の後に強い結合の表面結合剤を添加する2番目の動機は、ナノ粒子と表面結合剤との間の結合が非常に強いので、ナノ粒子の成長を抑制することができることである。それでも、分解促進剤の添加の前、または同時に、表面結合剤を反応混合物に添加することは可能である。   Advantageously, by adding a surface binder after the initial degradation of the precursor, parasitic side reactions of the surface binder with the degradation promoter can be prevented. The second motivation to add a strong binding surface binder after the initial degradation of the precursor is that the binding between the nanoparticles and the surface binder is so strong that it can inhibit the growth of the nanoparticles. It is. Nevertheless, it is possible to add a surface binder to the reaction mixture prior to or simultaneously with the addition of the degradation accelerator.

分解促進剤が強還元剤である場合の態様で、寄生副反応として還元を受けやすい好適な表面結合剤に、トリオクチルホスフィン酸化物、カルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸、アルコール、チオール、および他の陽子供与化合物が含まれるが、これらに限定されない。   In embodiments where the degradation accelerator is a strong reducing agent, suitable surface binders that are susceptible to reduction as a parasitic side reaction include trioctyl phosphine oxide, carboxylic acid, sulfonic acid, phosphonic acid, alcohol, thiol, and others But not limited to these proton donor compounds.

S、Se、Te、P、As、および0価状態のこれらの元素のうちの1種および2種以上を含む化合物からなる群から分解促進剤を選択した場合の態様で、寄生副反応の発生としての還元を受けやすいであろう好適な表面結合剤には、第一ホスフィン、第二ホスフィンおよび第三ホスフィンが含まれるが、これらに限定されない。   Generation of a parasitic side reaction in the case where a decomposition accelerator is selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As, and compounds containing one or more of these elements in the zero-valent state. Suitable surface binders that may be susceptible to reduction include, but are not limited to, primary phosphines, secondary phosphines, and tertiary phosphines.

有利なことに、表面結合剤がアルケニル部分、またはアルキニル部分を含む場合の態様では、表面結合剤は、ナノ粒子の表面において、第IV族金属と炭素との間の安定な結合を形成することができる。   Advantageously, in embodiments where the surface binder comprises an alkenyl moiety or an alkynyl moiety, the surface binder forms a stable bond between the Group IV metal and carbon at the surface of the nanoparticle. Can do.

他の態様では、表面結合剤は、一般式R−N(式中、Rは、アルキル、アルケニルまたはアリールであり、そしてNは、第IV族金属のナノ粒子の表面と結合可能な官能基である。)の化合物を含む。   In other embodiments, the surface binder is of the general formula RN, wherein R is alkyl, alkenyl or aryl, and N is a functional group capable of binding to the surface of the Group IV metal nanoparticles. A).

また、表面結合剤は、一般式L−R−N(式中、Rは、アルキル、アルケニルまたはアリールであり、Lは、所望の機能を有する官能基、そしてNは、第IV族金属のナノ粒子の表面と結合可能な官能基である。)で表される二官能価の化合物でもよい。   In addition, the surface binder is represented by the general formula L—R—N, wherein R is alkyl, alkenyl or aryl, L is a functional group having a desired function, and N is a group IV metal nano A functional group capable of binding to the particle surface).

好ましい態様では、LおよびNは、−NH2、−COOH、−CONH2、−OH、−CHO、−SO3H、−PO32、−PH2、−SH、−CH=CH2、−C≡CH、-Cl、−F、−Br、および−Iを含む群の中から、それぞれ独立して選択される。 In a preferred embodiment, L and N, -NH 2, -COOH, -CONH 2 , -OH, -CHO, -SO 3 H, -PO 3 H 2, -PH 2, -SH, -CH = CH 2, Each is independently selected from the group comprising —C≡CH, —Cl, —F, —Br, and —I.

好ましい態様では、表面結合剤は急冷剤と同じものである。この態様では、表面結合剤が過剰であると、過剰な分解促進剤が反応混合物から除去される。   In a preferred embodiment, the surface binder is the same as the quenching agent. In this embodiment, if the surface binder is in excess, excess degradation promoter is removed from the reaction mixture.

表面結合剤の添加の後、ナノ粒子は懸濁液に残る。ナノ粒子は、一般的に、精製/回収のステップに入る。   After the addition of the surface binder, the nanoparticles remain in the suspension. The nanoparticles generally enter the purification / recovery step.

−ナノ粒子の回収と精製−
以上のように開示した方法によってナノ粒子を作製した後、ナノ粒子を回収し、任意選択的に精製する。回収および精製は、当業者に知られている多くの技法によって行うことができる。そのような技法には、ナノ粒子フロキュレーションおよび遠心分離法、または、不混和溶媒を適切に選択する2相分離法が含まれるが、これらに限定されない。
-Recovery and purification of nanoparticles-
After producing the nanoparticles by the method disclosed above, the nanoparticles are collected and optionally purified. Recovery and purification can be accomplished by a number of techniques known to those skilled in the art. Such techniques include, but are not limited to, nanoparticle flocculation and centrifugation, or two-phase separation methods that appropriately select an immiscible solvent.

一例に過ぎないが精製手順例は、以下のようになる。
(a)反応混合物に凝集剤を添加する。
(b)1000Gを超える回転加速度で凝集した混合物の遠心分離を行う。
(c)上澄みの除去および処理を行う。
(d)約120℃より低い沸点の有機溶媒(低沸点溶媒)の中で再懸濁を行う。そして、任意選択的に、
(e)必要な純度が得られるまでステップ(a)からステップ(d)を繰り返す。
An example of a purification procedure, which is only an example, is as follows.
(A) Add a flocculant to the reaction mixture.
(B) Centrifugation of the mixture aggregated at a rotational acceleration exceeding 1000 G.
(C) The supernatant is removed and processed.
(D) Resuspension is performed in an organic solvent having a boiling point lower than about 120 ° C. (low boiling point solvent). And optionally,
(E) Repeat steps (a) to (d) until the required purity is obtained.

好適な凝集剤には、蒸留水もしくは適当に精製された水、ならびにメタノール、エタノール、プロパノールおよびブタノールを含むアルコール、メチルホルムアミドおよびアセトンが含まれるが、これらに限定されない。   Suitable flocculants include, but are not limited to, distilled water or appropriately purified water, and alcohols including methanol, ethanol, propanol and butanol, methylformamide and acetone.

好適な低沸点媒体には、トルエン、テトラヒドロフラン(THF)、クロロホルム、ジクロロメタンおよび10未満の炭素原子を有する液体アルカンが含まれるが、これらに限定されない。   Suitable low boiling point media include, but are not limited to, toluene, tetrahydrofuran (THF), chloroform, dichloromethane and liquid alkanes having less than 10 carbon atoms.

−ナノ粒子の特性化−
本発明の方法により、第IV族金属またはそれらの合金のナノ粒子および/またはナノ結晶が形成される。ナノ粒子は、堅固で、化学的に安定であり、結晶質となることができ、有機不動態化層または無機不動態化層で被覆することができる。
-Characterization of nanoparticles-
By the method of the present invention, nanoparticles and / or nanocrystals of Group IV metals or their alloys are formed. The nanoparticles are firm, chemically stable, can be crystalline, and can be coated with an organic passivation layer or an inorganic passivation layer.

本明細書で、ナノ粒子またはナノ結晶について本発明の方法による生成物を説明したが、当業者は、第IV族金属ナノ粒子は被覆層を有し、その被覆層の組成は表面結合剤に依存することがわかるであろう。たとえば、表面結合剤がオレイン酸の場合、図9aと図9cとに示すようにオレイン酸は表面と結合する。   In the present specification, the product according to the method of the present invention has been described for nanoparticles or nanocrystals. However, those skilled in the art will recognize that the Group IV metal nanoparticles have a coating layer, and the composition of the coating layer is a surface binder. You will see that it depends. For example, if the surface binder is oleic acid, the oleic acid binds to the surface as shown in FIGS. 9a and 9c.

図9aは、表面結合剤71を有する第IV族金属のナノ粒子のコア70を示し、表面結合剤71は、オレイン酸のようなカルボン酸にすることができ、有機表面層を形成する。図9bは、本発明の1つの態様にしたがって製造された、水素を末端に有する第IV族金属のナノ粒子の図である。図9cは、オレイン酸に存在するようなカルボン酸基を示し、カルボン酸基は第IV族金属のナノ粒子の表面と結合している。   FIG. 9a shows a group IV metal nanoparticle core 70 having a surface binder 71, which can be a carboxylic acid, such as oleic acid, to form an organic surface layer. FIG. 9b is a diagram of hydrogen terminated Group IV metal nanoparticles prepared according to one embodiment of the present invention. FIG. 9c shows a carboxylic acid group as present in oleic acid, which is attached to the surface of the Group IV metal nanoparticles.

第IV族金属のナノ粒子の表面と結合できる官能基の他の一般例には、−NH2、−COOH、−CONH2、−OH、−CHO、−SO3H、−PO32、−PH2、−SH、−CH=CH2、−C≡CH、−Cl、−F、−Br、−Iおよび−Hが含まれる。 Other general examples of functional groups capable of binding to a Group IV metal surface of nanoparticles, -NH 2, -COOH, -CONH 2 , -OH, -CHO, -SO 3 H, -PO 3 H 2, -PH 2, -SH, -CH = CH 2, -C≡CH, -Cl, -F, -Br, include -I, and -H.

−追加のステップ−
−水素を末端に有するナノ粒子−
第IV族金属のナノ粒子における多くの潜在的用途において、ナノ粒子の表面に特定の分子を付加することによってナノ粒子を化学的に官能化できることは、有利である。それゆえ、そこから官能化反応が進行できるように、官能化されていない清浄な結晶面を得ることは重要である。図9bに示すような水素を末端に有する結晶面が特に興味深い。
-Additional steps-
-Nanoparticles with hydrogen termination-
In many potential applications in Group IV metal nanoparticles, it is advantageous to be able to chemically functionalize the nanoparticles by adding specific molecules to the surface of the nanoparticles. Therefore, it is important to obtain a clean crystal face that is not functionalized so that the functionalization reaction can proceed therefrom. Of particular interest is the crystal plane with hydrogen ends as shown in FIG. 9b.

本発明の追加の態様は、グローブボックス環境の外で成長した、酸、アルデヒド、アルコールまたはアミドを末端に有する第IV族金属のナノ粒子から、水素を末端に有する第IV族金属のナノ粒子を作製である。   An additional aspect of the present invention is the use of Group IV metal nanoparticles terminated with acids, from Group IV metal nanoparticles terminated with acids, aldehydes, alcohols or amides, grown outside the glove box environment. It is production.

好ましい態様では、酸を末端に有するナノ粒子から水素を末端に有するナノ粒子を作製する。   In a preferred embodiment, nanoparticles terminated with hydrogen are made from nanoparticles terminated with acid.

この態様は、一例として示す以下の方法によって達成される。
(a)不活性雰囲気下、大気圧で、溶媒の沸点またはそれよりも低い温度の溶媒の中で、酸、アルデヒド、アルコールまたはアミドを末端に有する精製された第IV族金属のナノ粒子の混合物に、水素還元剤を添加する。
(b)結果として得られた混合物を、水分および酸素のない状態で最大で48時間、反応させる。
(c)反応を急冷する。
This aspect is achieved by the following method shown as an example.
(A) A mixture of purified Group IV metal nanoparticles terminated with an acid, aldehyde, alcohol or amide in a solvent at or below the boiling point of the solvent at an atmospheric pressure and under an inert atmosphere. And a hydrogen reducing agent is added.
(B) The resulting mixture is reacted for up to 48 hours in the absence of moisture and oxygen.
(C) Quench the reaction.

好適な水素還元剤には、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムカリウム、トリエチル水素化ホウ素リチウム、トリエチル水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素ガス、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化リチウム、ボラン−テトラヒドロフラン錯体、トリ−tert−ブトキシル水素化アルミニウムリチウム、シアノ水素化ホウ素ナトリウムおよびジイソブチル水素化アルミニウムが含まれるが、これらに限定されない。   Suitable hydrogen reducing agents include lithium aluminum hydride, sodium aluminum hydride, potassium aluminum hydride, lithium triethyl borohydride, sodium triethyl borohydride, sodium borohydride, lithium borohydride, potassium borohydride, Examples include, but are not limited to, hydrogen gas, sodium hydride, potassium hydride, lithium hydride, borane-tetrahydrofuran complex, lithium tri-tert-butoxyl aluminum hydride, sodium cyanoborohydride and diisobutylaluminum hydride.

好適な不活性ガスは当業者に知られているものである。そのような不活性ガスには、窒素、アルゴンおよびヘリウムが含まれるが、これらに限定されない。不活性ガスは窒素であることが好ましい。   Suitable inert gases are those known to those skilled in the art. Such inert gases include, but are not limited to nitrogen, argon and helium. The inert gas is preferably nitrogen.

好ましい態様では、アルコールを用いて反応を急冷する。好適なアルコールには、メタノール、エタノール、ブタノールおよびプロパノールが含まれるが、これらに限定されない。   In a preferred embodiment, the reaction is quenched with alcohol. Suitable alcohols include but are not limited to methanol, ethanol, butanol and propanol.

−化学的官能化−
本発明の追加の態様では、本発明の水素を末端に有するナノ粒子の表面と特定の化学的活性種を反応させて、化学的に官能化された第IV族金属のナノ粒子を作製する。
-Chemical functionalization-
In an additional aspect of the present invention, chemically functionalized Group IV metal nanoparticles are produced by reacting the surface of the hydrogen terminated nanoparticles of the present invention with certain chemically active species.

化学的活性種は、一般式L−R−N(式中、Rは、アルキル、アルケニルまたはアリールであり、Lは、所望の機能を有する官能基、Nは、水素を末端に有する第IV族金属のナノ粒子の表面と結合可能な官能基である。)の化合物とすることができる。そのような官能基には、−NH2、−COOH、−CONH2、−OH、−CHO、−Cl、−F、−Br、−I、−PO2H、−PH2、−SH、−SO3H、−CH=CH2および−C≡CHが含まれるが、これらに限定されない。 The chemically active species is of the general formula L—R—N, wherein R is alkyl, alkenyl or aryl, L is a functional group having the desired function, and N is a hydrogen-terminated group IV. A functional group capable of binding to the surface of the metal nanoparticles). Such functional groups, -NH 2, -COOH, -CONH 2 , -OH, -CHO, -Cl, -F, -Br, -I, -PO 2 H, -PH 2, -SH, - SO 3 H, —CH═CH 2 and —C≡CH are included, but are not limited to these.

本発明の1つの具体的な態様では、水素を末端に有するナノ粒子を一般式L−R−N(式中、Lは有極性官能基である。)で表され化合物と反応させることによって水溶性ナノ粒子を作製することができる。別の態様では、水素を末端に有するナノ粒子を一般式L−R−N(式中、Lは、生化学的抗体および/または生化学的に活性な分子と結合することが可能な官能基である。)で表され化合物と反応させることによって生化学的に官能化されたナノ粒子を作製することができる。ここで、好適なL基には、−NH2、−COOH、−CONH2、−OH、−CHO、−SO3H、−PO32、−PH2、−SH、−CH=CH2、−C≡CH、−Cl、−F、−Brおよび−Iが含まれるが、これらに限定されない。 In one specific embodiment of the present invention, a hydrogen-terminated nanoparticle is represented by the general formula L-RN (where L is a polar functional group) and is reacted with a compound to react with water. Nanoparticles can be produced. In another aspect, the hydrogen-terminated nanoparticles are of the general formula L-R-N, where L is a functional group capable of binding to biochemical antibodies and / or biochemically active molecules. Biochemically functionalized nanoparticles can be made by reacting with a compound represented by: Here, suitable L groups include —NH 2 , —COOH, —CONH 2 , —OH, —CHO, —SO 3 H, —PO 3 H 2 , —PH 2 , —SH, —CH═CH 2. , -C≡CH, -Cl, -F, -Br and -I.

−好ましい特性−
好ましい態様では、本発明の方法および結果として生じるナノ粒子は、多くの好ましい特性を組み入れる。
-Preferred characteristics-
In preferred embodiments, the methods and resulting nanoparticles of the present invention incorporate a number of favorable properties.

−作製の相対的容易性−
有利なことに、ドラフトチャンバーまたはベンチトップの位置で本発明の方法を行ってもよい。一方、先行技術の方法の多くは、高圧および/または制御された雰囲気のグローブボックス技法もしくは他の保護環境の使用が必要である。これは、本発明の方法は、大気圧で行い、先行技術の方法の多くに比べて比較的温和な、または無害の試薬を使用するからである。
-Relative ease of production-
Advantageously, the method of the present invention may be performed at a draft chamber or bench top location. On the other hand, many of the prior art methods require the use of a high pressure and / or controlled atmosphere glove box technique or other protective environment. This is because the method of the present invention is performed at atmospheric pressure and uses relatively mild or harmless reagents compared to many of the prior art methods.

したがって、本発明の方法の好ましい態様は大気圧で実行され、不活性ガスを用いてパージされた一般的なガラス製装置を使用する。そのような装置は、図8に説明されている。   Accordingly, a preferred embodiment of the method of the present invention uses a common glass apparatus that is run at atmospheric pressure and purged with an inert gas. Such a device is illustrated in FIG.

−高収率−
本明細書に記載されている方法によって、60%を超えるナノ粒子の高い反応収率を達成することができる。そのような収率は、非水素化物分解剤を使用して達成することができ、これにより、揮発性を有する副産物であるシラン、ゲルマン、スタンナンおよびこれらの誘導体の生成を防止する。この方法では、前駆体種の第IV族元素は、反応が完了するまで反応容器の中に残る。固相ナノ粒子のところで反応が終結し、元素粒子が反応溶液から結晶化することにより、完了へと進む分解反応を確実にする。
-High yield-
By the methods described herein, high reaction yields of nanoparticles exceeding 60% can be achieved. Such yields can be achieved using non-hydride decomposers, thereby preventing the formation of volatile by-products, silanes, germanes, stannanes and their derivatives. In this method, the group IV element of the precursor species remains in the reaction vessel until the reaction is complete. The reaction is terminated at the solid-phase nanoparticles, and the elemental particles crystallize from the reaction solution, thereby ensuring a decomposition reaction that proceeds to completion.

当業者は、ナノ粒子の表面と結合する化学種の存在によりナノ粒子の収率は上がるが、その収率をある精度で確認することが困難であることを理解している。本明細書で得られた収率の数字は、急冷剤、表面活性剤または表面活性材料がない場合の合成に由来する収率である。   One skilled in the art understands that the presence of a chemical species that binds to the surface of the nanoparticle increases the yield of the nanoparticle, but it is difficult to confirm the yield with some accuracy. The yield figures obtained here are the yields from the synthesis in the absence of quenching agent, surfactant or surface active material.

−比較的高い処理量−
本発明の好ましい態様では、反応時間が短く、概して1時間未満であり、さらに好ましくは30分未満である。その上、2gl-1を超える溶液濃度でナノ粒子を合成することができ、さらに好ましい態様では、10gl-1を超える濃度でナノ粒子を合成することができる。そのような生成率は、先行技術の製法の多くに比べて著しく向上している。
-Relatively high throughput-
In a preferred embodiment of the invention, the reaction time is short, generally less than 1 hour, more preferably less than 30 minutes. In addition, nanoparticles can be synthesized at a solution concentration greater than 2 gl −1, and in a more preferred embodiment, nanoparticles can be synthesized at a concentration greater than 10 gl −1 . Such production rates are significantly improved compared to many of the prior art processes.

−良好な単分散−
図4aおよび図4bは、本発明の方法によって作製されたゲルマニウムナノ粒子の透過電子顕微鏡(TEM)像を示す。両方の写真のスケールバーは20nmである。高単分散であることがわかる。これは、反応溶媒相の性状が均質であることによって達成される。
-Good monodispersion-
4a and 4b show transmission electron microscope (TEM) images of germanium nanoparticles produced by the method of the present invention. The scale bar for both photos is 20 nm. It can be seen that it is highly monodisperse. This is achieved by the homogeneous nature of the reaction solvent phase.

図5は、本発明の方法によって作製されたゲルマニウムナノ粒子のX線回折データを示し、ナノ粒子の高い結晶化度を示す。X線回折データにおいて観察される銅のピークは、TEMグリッドバーによるものである。本発明の好ましい態様では、平均直径の20%未満の直径標準偏差を有するナノ粒子が作製され、より好ましい態様では、平均直径の5%未満の直径標準偏差を有するナノ粒子が作製される。   FIG. 5 shows X-ray diffraction data of germanium nanoparticles produced by the method of the present invention, indicating high crystallinity of the nanoparticles. The copper peak observed in the X-ray diffraction data is due to the TEM grid bar. In a preferred embodiment of the invention, nanoparticles having a diameter standard deviation of less than 20% of the average diameter are made, and in a more preferred embodiment, nanoparticles having a diameter standard deviation of less than 5% of the average diameter are made.

図6は、本発明の方法によって作製された8nmのゲルマニウムナノ粒子の電子線回折パターンを示す。   FIG. 6 shows an electron diffraction pattern of 8 nm germanium nanoparticles prepared by the method of the present invention.

−スペクトル特性−
1つの態様では、本発明のナノ粒子は、光励起状態で可視スペクトル内の波長の着色光を放出する。他の態様では、ナノ粒子は、光励起状態で、バルク結晶物質のバンドギャップに比べて短い波長の近赤外および赤外の波長の光を放出する。ナノ粒子から放出された光の波長は、ナノ粒子の大きさ、不動態化層の化学的構造、およびナノ粒子を構成する第IV族金属もしくは合金の化学組成の操作を通じて変えることができる。1つの態様では、本明細書で開示された方法により、離散的な光遷移とホトルミネセンスを示す、不動態化されたゲルマニウムナノ粒子が作製される。図7は、ゲルマニウムナノ粒子の溶液の一般的な(励起波長の関数として)ルミネセンスを示す。本発明の方法における好ましい態様により、量子効率が1%を超える、より好ましくは量子効率が20%までの、そして20%以上のルミネセンスを伴うナノ粒子を生成する。
-Spectral characteristics-
In one embodiment, the nanoparticles of the present invention emit colored light of a wavelength in the visible spectrum in the photoexcited state. In other embodiments, the nanoparticles emit light in the near-infrared and infrared wavelengths with short wavelengths relative to the band gap of the bulk crystalline material in the photoexcited state. The wavelength of the light emitted from the nanoparticles can be varied through manipulation of the size of the nanoparticles, the chemical structure of the passivation layer, and the chemical composition of the Group IV metal or alloy comprising the nanoparticles. In one aspect, the methods disclosed herein produce passivated germanium nanoparticles that exhibit discrete optical transitions and photoluminescence. FIG. 7 shows the typical (as a function of excitation wavelength) luminescence of a solution of germanium nanoparticles. Preferred embodiments in the method of the present invention produce nanoparticles with a luminescence with a quantum efficiency of more than 1%, more preferably up to 20% and more than 20%.

−用途−
本発明のナノ粒子は、当業者によって理解されるように、多くの可能な用途を有している。
-Use-
The nanoparticles of the present invention have many possible uses, as will be appreciated by those skilled in the art.

本発明のナノ粒子は、可視スペクトルに発光することが観察され、生化学イメージングの分野で、または新規光電子的素子のための出発原料として使用することができる。ゲルマニウム、シリコンおよびスズの、寿命が長く安定性が高く毒性が低い点は、今日の代替物に比べて非常に魅力的であるので、第IV族ナノ粒子は、生化学イメージングの分野で特に興味深い。   The nanoparticles of the present invention are observed to emit in the visible spectrum and can be used in the field of biochemical imaging or as starting materials for new optoelectronic devices. Group IV nanoparticles are of particular interest in the field of biochemical imaging because the long-lived, stable and low toxicity of germanium, silicon and tin is very attractive compared to today's alternatives .

本発明のナノ粒子は、生化学イメージングマーカーに組み入れることができる。そのような用途の場合、ナノ粒子の平均粒径を、約1オングストローム〜約200オングストロームとすることができ、光励起に応答して、可視スペクトル内のほぼ単色のルミネセンスを生じる。生化学イメージングシステムは、生化学活性分子をナノ粒子に結合させるリンカーを含むことができ、特定の化合物にタグを付けることを可能にする。この生化学イメージングシステムは、2タイプ以上リンカータイプを有することができ、それぞれのタイプのリンカーは、ほぼ単色の可視波長で異なる波長で発光するナノ粒子と接続する。   The nanoparticles of the present invention can be incorporated into biochemical imaging markers. For such applications, the average particle size of the nanoparticles can be from about 1 angstrom to about 200 angstroms, resulting in nearly monochromatic luminescence in the visible spectrum in response to photoexcitation. The biochemical imaging system can include a linker that attaches the biochemically active molecule to the nanoparticle, allowing for the tagging of specific compounds. The biochemical imaging system can have more than one type of linker, with each type of linker connecting to nanoparticles that emit at different wavelengths with a substantially monochromatic visible wavelength.

本発明のナノ粒子は、基板上へのナノ粒子の薄膜堆積を含む様々な方法によって光電子物質に組み入れることができる。そのナノ粒子に、たとえば、シリコンもしくはゲルマニウムまたはこれらの化合物を含むことができる。そのような用途の場合、ナノ粒子の平均粒径を、約1オングストローム〜約200オングストロームとすることができる。堆積されたナノ粒子を約300℃〜900℃の温度で焼成することができ、光電子特性を示す物質の薄膜を生成する。ある態様では、薄膜は複数のナノ粒子から構成することができ、その結果、他結晶物質になる。光起電力素子、赤外発光素子および発光素子を含む様々な電子素子を製造するために、この物質をさらに使用することができる。   The nanoparticles of the present invention can be incorporated into optoelectronic materials by a variety of methods including thin film deposition of nanoparticles on a substrate. The nanoparticles can include, for example, silicon or germanium or a compound thereof. For such applications, the average particle size of the nanoparticles can be from about 1 angstrom to about 200 angstroms. The deposited nanoparticles can be fired at a temperature of about 300 ° C. to 900 ° C. to produce a thin film of material exhibiting optoelectronic properties. In some embodiments, the thin film can be composed of a plurality of nanoparticles, resulting in other crystalline materials. This material can be further used to manufacture various electronic devices including photovoltaic devices, infrared light emitting devices and light emitting devices.

光電子物質の別の態様は、1種または2種以上の高分子種のマトリックスに1種または2種以上のナノ粒子を混合することを含むことができ、それにより、電子は、外部電子接点によってナノ粒子からナノ粒子へ移動することができる。ナノ粒子は、シリコンもしくはマグネシウムまたはそれらの合金が含むことができる。少なくともナノ粒子の1つは、約1nm〜約20nmの平均粒径を有することができる。基板上または可撓姓を有するフィルム上に前記ナノ粒子混合マトリックスを形成することができる。この物質をさらに使用して、光起電力素子、赤外発光素子および発光素子を含む様々な電子素子を作製することができる。   Another aspect of the optoelectronic material can include mixing one or more nanoparticles in a matrix of one or more macromolecular species so that the electrons are transmitted by external electronic contacts. It can move from nanoparticle to nanoparticle. The nanoparticles can include silicon or magnesium or alloys thereof. At least one of the nanoparticles can have an average particle size of about 1 nm to about 20 nm. The nanoparticle mixed matrix can be formed on a substrate or a flexible film. This material can be further used to make various electronic devices including photovoltaic devices, infrared light emitting devices and light emitting devices.

本発明のナノ粒子は、光放射および近赤外放射から電力を発生する光起電力素子に組み入れることができる。上記素子は複数のナノ粒子を含むことができる。その光起電力素子は、陽極と陰極とにおいて電気接点を有することができる。光起電力素子は、入射太陽スペクトルの吸収が最大になるように最適化された大きさのナノ粒子が含むことができる。   The nanoparticles of the present invention can be incorporated into photovoltaic devices that generate power from light and near infrared radiation. The device can include a plurality of nanoparticles. The photovoltaic element can have electrical contacts at the anode and the cathode. The photovoltaic device can include nanoparticles of a size optimized for maximum absorption of the incident solar spectrum.

以下の実施例を参照して本発明の様々な態様を、限定されない方法で次に説明する。   Various aspects of the invention will now be described in a non-limiting manner with reference to the following examples.

例1
1)4.5gのヘキサデシルアミン(HAD)または7.5mlのオレイルアミンを三口丸底フラスコに入れる。
2)0.05gのトリフェニルクロロゲルマニウムをフラスコに添加する。
3)冷水凝縮器と窒素パージ流との下で撹拌加熱マントルの中にフラスコを置く。
4)撹拌しながら285℃〜300℃に加熱する。
5)1.5mlのトリオクチルアミンの中に0.005gの硫黄を入れた溶液を注入する。
6)約5分待機する。
7)溶液が黒くなる反応を速やかに(30秒未満)観察する。
8)0.2〜5mlのオレイン酸をただちに添加する。溶液は急速に透明になる。
9)285℃〜360℃の所定温度に最大1時間加熱する。
10)150℃まで冷却し、それから液滴で添加するエタノールおよびトルエンの1:1混合物を用いて急冷する。
11)フラスコを取り外す。凝集が観察されるまで、エタノール(ヘキサデシルアミンの場合)またはメタノール(オレイルアミンの場合)を液滴で添加する。
12)凝集された沈殿物を遠心分離して回収し、上澄みを残しておく。
13)凝集と遠心分離された沈殿物をさらに希釈する。所望の純度に達するまでステップ9〜11を繰り返す。また、選択された大きさのナノ粒子の沈殿を生じさせるために、上澄みについてステップ9〜11を繰り返してもよい。
14)最終的な沈殿物をトルエン、ヘキサンまたはエタノール中に再懸濁する。
Example 1
1) Put 4.5 g hexadecylamine (HAD) or 7.5 ml oleylamine into a three neck round bottom flask.
2) Add 0.05 g of triphenylchlorogermanium to the flask.
3) Place the flask in a stirred heating mantle under a cold water condenser and a nitrogen purge stream.
4) Heat to 285 ° C to 300 ° C with stirring.
5) Inject a solution of 0.005 g of sulfur in 1.5 ml of trioctylamine.
6) Wait about 5 minutes.
7) Observe immediately (less than 30 seconds) that the solution turns black.
8) Immediately add 0.2-5 ml of oleic acid. The solution quickly becomes clear.
9) Heat to a predetermined temperature of 285 ° C. to 360 ° C. for a maximum of 1 hour.
10) Cool to 150 ° C. and then quench with a 1: 1 mixture of ethanol and toluene added dropwise.
11) Remove the flask. Ethanol (in the case of hexadecylamine) or methanol (in the case of oleylamine) is added dropwise until aggregation is observed.
12) Centrifuge the aggregated precipitate and collect it, leaving the supernatant.
13) Further dilute the agglomerated and centrifuged precipitate. Repeat steps 9-11 until the desired purity is reached. Alternatively, steps 9-11 may be repeated on the supernatant to cause precipitation of nanoparticles of a selected size.
14) Resuspend the final precipitate in toluene, hexane or ethanol.

例2
他の処理では、実施例1に記載された処理からステップ(2)とステップ(3)とを省略し、その代わりに硫黄のオレイルアミン溶液およびトリフェニルクロロゲルマニウムのオレイルアミン溶液を用いる。これらの溶液は、260℃〜360℃の温度で加熱された溶媒の中に注入される。その処理は、実施例1のステップ(5)の後に続く。
Example 2
In other processes, steps (2) and (3) are omitted from the process described in Example 1, and instead an oleylamine solution of sulfur and an oleylamine solution of triphenylchlorogermanium are used. These solutions are injected into a solvent heated at a temperature of 260 ° C to 360 ° C. The process continues after step (5) of the first embodiment.

例3
1)4.5gのヘキサデシルアミンまたは7.5mlのオレイルアミンを三口丸底フラスコに入れる。
2)0.012gのセレニウムをフラスコに添加する。
3)冷水凝縮器と窒素パージ流との下で撹拌加熱マントルの中にフラスコを置く。
4)撹拌しながら285℃〜300℃に加熱する。
5)1.5mlのトリオクチルアミンの中に0.05gのトリフェニルクロロゲルマニウムを入れた溶液を注入する。
6)30分間反応させる。
7)150℃まで冷却し、それから液滴で添加するエタノールおよびトルエンの1:1混合物を用いて急冷する。
8)フラスコを取り外す。凝集が観察されるまで、エタノール(ヘキサデシルアミンの場合)またはメタノール(オレイルアミンの場合)を液滴で添加する。
9)凝集された沈殿物を遠心分離して回収し、上澄みを残しておく。
10)凝集と遠心分離された沈殿物をさらに希釈する。所望の純度に達するまでステップ9〜11を繰り返す。また、選択された大きさのナノ粒子の沈殿を生じさせるために、上澄みについてステップ9〜11を繰り返してもよい。
11)最終的な沈殿物をトルエン、ヘキサンまたはエタノール中に再懸濁する。
Example 3
1) Put 4.5 g hexadecylamine or 7.5 ml oleylamine into a three neck round bottom flask.
2) Add 0.012 g of selenium to the flask.
3) Place the flask in a stirred heating mantle under a cold water condenser and a nitrogen purge stream.
4) Heat to 285 ° C to 300 ° C with stirring.
5) Inject a solution of 0.05 g triphenylchlorogermanium in 1.5 ml trioctylamine.
6) React for 30 minutes.
7) Cool to 150 ° C. and then quench with a 1: 1 mixture of ethanol and toluene added dropwise.
8) Remove the flask. Ethanol (in the case of hexadecylamine) or methanol (in the case of oleylamine) is added dropwise until aggregation is observed.
9) Collect the aggregated precipitate by centrifugation and leave the supernatant.
10) Further dilute the agglomerated and centrifuged precipitate. Repeat steps 9-11 until the desired purity is reached. Alternatively, steps 9-11 may be repeated on the supernatant to cause precipitation of nanoparticles of a selected size.
11) Resuspend the final precipitate in toluene, hexane or ethanol.

例4
1)6gのヘキサデシルアミンまたは10mlのオレイルアミンを三口丸底フラスコに入れる。
2)0.05gのトリフェニルクロロゲルマニウムをフラスコに添加する。
3)もし、ステップ6でテトラグリムを使用する場合、所定量のトリオクチルホスフィンをこの段階で添加することができる。
4)冷水凝縮器と窒素パージ流との下で撹拌加熱マントルの中にフラスコを置く。
5)撹拌しながら285℃(トリフェニルクロロゲルマニウムの沸点)に加熱する。
6)テトラグリムおよびトリオクチルホスフィンのどちらかに可溶な1mlの1M NABH4を注入する。溶液は急速に透明になる。
7)285℃〜360℃の所定温度まで最大1時間加熱する。
8)150℃まで冷却し、それから液滴で添加するメタノールを用いて急冷する。
9)フラスコを取り外す。凝集が観察されるまで、エタノール(ヘキサデシルアミンの場合)またはメタノール(オレイルアミンの場合)を液滴で添加する。
10)凝集された沈殿物を遠心分離して回収し、上澄みを残しておく。
11)凝集と遠心分離された沈殿物をさらに希釈する。所望の純度に達するまでステップ9〜11を繰り返す。また、選択された大きさのナノ粒子の沈殿を生じさせるために、上澄みについてステップ9〜11を繰り返してもよい。
12)最終的な沈殿物をトルエン、ヘキサンまたはエタノール中に再懸濁する。
Example 4
1) Put 6 g hexadecylamine or 10 ml oleylamine into a three neck round bottom flask.
2) Add 0.05 g of triphenylchlorogermanium to the flask.
3) If tetraglyme is used in step 6, a predetermined amount of trioctylphosphine can be added at this stage.
4) Place the flask in a stirred heating mantle under a cold water condenser and a nitrogen purge stream.
5) Heat to 285 ° C. (boiling point of triphenylchlorogermanium) with stirring.
6) Inject 1 ml of 1M NABH 4 soluble in either tetraglyme or trioctylphosphine. The solution quickly becomes clear.
7) Heat to a predetermined temperature of 285 ° C. to 360 ° C. for a maximum of 1 hour.
8) Cool to 150 ° C. and then quench with methanol added dropwise.
9) Remove the flask. Ethanol (in the case of hexadecylamine) or methanol (in the case of oleylamine) is added dropwise until aggregation is observed.
10) Collect the aggregated precipitate by centrifugation and leave the supernatant.
11) Further dilute the agglomerated and centrifuged precipitate. Repeat steps 9-11 until the desired purity is reached. Alternatively, steps 9-11 may be repeated on the supernatant to cause precipitation of nanoparticles of a selected size.
12) Resuspend the final precipitate in toluene, hexane or ethanol.

例5
他の処理では、実施例4に記載された処理からステップ(2)とステップ(3)とを省略し、その代わりにトリフェニルクロロゲルマニウムのオレイルアミンおよびトリオクチルホスフィン溶液を用いる。これらの溶液は、ステップ(6)と同時に260℃〜360℃の温度で加熱された溶媒の中に注入される。その処理は、実施例4のステップ(6)の後に続く。
Example 5
In other processes, steps (2) and (3) are omitted from the process described in Example 4, and instead an oleylamine and trioctylphosphine solution of triphenylchlorogermanium is used. These solutions are poured into a solvent heated at a temperature of 260 ° C. to 360 ° C. simultaneously with step (6). The process continues after step (6) of the fourth embodiment.

広範な種類の還元剤を使用して、アリールを含有している第IV族金属前駆体の分解を、240℃を超える温度で促進することができることは、たとえ、上記の還元剤の多くがこれらの温度で不安定であったとしても明らかである。たとえば、ナフタレンの沸点(〜220℃)に近い温度でナトリウムナフタライドは分解するが、トリフェニルクロロゲルマニウムおよびナトリウム金属の混合物にナフタレンを275℃で添加すると、ナフタレンが溶解し、その周囲と熱平衡に達し、揮発するまでに要する時間内に第IV族金属前駆体は分解する。   The wide variety of reducing agents can be used to promote the decomposition of aryl-containing Group IV metal precursors at temperatures above 240 ° C., even though many of the above reducing agents are Even if the temperature is unstable, it is obvious. For example, sodium naphthalide decomposes at a temperature close to the boiling point of naphthalene (˜220 ° C.), but when naphthalene is added to a mixture of triphenylchlorogermanium and sodium metal at 275 ° C., naphthalene dissolves and is in thermal equilibrium with its surroundings. The group IV metal precursor decomposes within the time it takes to reach and volatilize.

還元剤が溶液中を均質に分散することが重要である。好ましくは、分解された前駆体分子の完全に均質な分散から結晶化が起こるような有用な溶媒システムにおいて還元剤はよく溶けなければならない。しかし、もし、還元剤の分布の均質性が、結晶化を起こす還元された第IV族原子の溶液内の拡散距離と同等の長さスケールであれば、その必要性は緩やかなものにすることができる。たとえば、200℃を超える温度で水素化アルミニウムリチウムがLiHおよびAlH3へ熱的に分解することは、本発明の方法の利用の妨げとはならない。なぜならば、結果として生じる高分散のLiHのエマルジョンが、溶液内における前駆体の分解生成物の均質な分布を形成するために、不溶性の水素化物塩の凝集の前に、前駆体と完全に反応するからである。強く撹拌することは、還元または部分的に還元された前駆体分子の均質な分布の生成に役に立つことができる。 It is important that the reducing agent is homogeneously dispersed in the solution. Preferably, the reducing agent should dissolve well in useful solvent systems where crystallization occurs from a completely homogeneous dispersion of decomposed precursor molecules. However, if the distribution of the reducing agent is uniform on the length scale equivalent to the diffusion distance in the solution of the reduced group IV atom that causes crystallization, the need should be moderate. Can do. For example, the thermal decomposition of lithium aluminum hydride to LiH and AlH 3 at temperatures above 200 ° C. does not hinder the use of the method of the present invention. This is because the resulting highly dispersed LiH emulsion reacts completely with the precursor prior to aggregation of the insoluble hydride salt to form a homogeneous distribution of precursor degradation products in solution. Because it does. Stirring vigorously can help produce a homogeneous distribution of reduced or partially reduced precursor molecules.

本発明は、実施例によっておよび特定の態様を参照して記述されたが、付随の請求項に示したような本発明の範囲から逸脱することなければ、変形および/または改良することができると理解されるべきである。   Although the invention has been described by way of example and with reference to certain embodiments, modifications and / or improvements can be made without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims. Should be understood.

さらに、本発明の特徴または態様が、マーカッシュグループを単位として記載されているところでは、当業者は、それゆえ本発明は、個々のメンバーまたはマーカッシュグループのメンバーのサブグループを単位として記載されていることを認識する。   Further, where features or aspects of the invention are described in units of Markush groups, one skilled in the art will therefore describe the invention in units of individual members or subgroups of members of Markush groups. Recognize that.

1 液体反応媒体
2 三口丸底フラスコ
3 温度計プローブ
4 保護ガラス閉鎖容器
5 磁性撹拌子
6 加熱
7 ガス注入口
8 凝縮器
9 水入口と排水口
10 排気口
70 コア
71 表面結合剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Liquid reaction medium 2 Three-necked round bottom flask 3 Thermometer probe 4 Protective glass closed container 5 Magnetic stirrer 6 Heating 7 Gas inlet 8 Condenser 9 Water inlet and outlet 10 Exhaust outlet 70 Core 71 Surface binder

Claims (35)

不活性雰囲気下大気圧で加熱しながら、1種または2種以上の第IV族金属の前駆体を、高温表面活性剤を含む液体反応媒体の中で、分解促進剤と反応させるステップと、
表面結合剤を加えるステップと、
ナノ粒子を回収するステップとを含むことを特徴とする1種または2種以上の第IV族金属またはそれらの合金のナノ粒子の製造方法。
Reacting a precursor of one or more Group IV metals with a decomposition accelerator in a liquid reaction medium containing a high temperature surfactant while heating at atmospheric pressure under an inert atmosphere;
Adding a surface binder;
Recovering the nanoparticles, and a method for producing nanoparticles of one or more Group IV metals or alloys thereof.
前記第IV族金属が、Si、GeまたはSnであることを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the Group IV metal is Si, Ge, or Sn. 前記第IV族金属が、Geであることを特徴とする請求項2に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 2, wherein the Group IV metal is Ge. 前記第IV族金属前駆体が、一般式G(Ar)x4-x(式中、Gは第IV族金属であり、Arはアリールであり、Yはハロであり、そしてxは少なくとも0であり、かつ、4以下の値をとる)の化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。 The Group IV metal precursor has the general formula G (Ar) x Y 4-x , wherein G is a Group IV metal, Ar is aryl, Y is halo, and x is at least 0 And a compound having a value of 4 or less). The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein 前記第IV族金属前駆体が、一般式G(Ar)y2-y(式中、Gは第IV族金属であり、Arはアリールであり、Yはハロであり、そしてyは少なくとも0であり、かつ、2以下の値をとる)の化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。 The Group IV metal precursor has the general formula G (Ar) y Y 2-y , wherein G is a Group IV metal, Ar is aryl, Y is halo, and y is at least 0 And a compound having a value of 2 or less). 2. The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein Arが、任意選択的に置換されたフェニルであることを特徴とする請求項4または5に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 4 or 5, wherein Ar is an optionally substituted phenyl. Arは、フェニルであることを特徴とする請求項6に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 6, wherein Ar is phenyl. 前記液体反応媒体が、高温溶媒をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the liquid reaction medium further contains a high-temperature solvent. 前記分解促進剤は、
a)強還元剤、または
b)S、Se、Te、PもしくはAsまたはこれらの0価状態の元素のうちの1種または2種以上を含む化合物
から選択されることを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。
The decomposition accelerator is
2. A reducing agent selected from a) a strong reducing agent, or b) S, Se, Te, P or As, or one or more of these zero-valent elements. The manufacturing method of the nanoparticle of description.
前記分解促進剤が、S、Se、Te、PもしくはAsまたは0価状態のこれらの元素のうちの1種または2種以上を含む化合物から選択されることを特徴とする請求項9に記載のナノ粒子の製造方法。   The said decomposition accelerator is selected from the compound containing 1 type, or 2 or more types of these elements of S, Se, Te, P, or As or zero valence state, The method of Claim 9 characterized by the above-mentioned. A method for producing nanoparticles. 前記分解促進剤が、S,Seまたは0価状態のこれらの元素のうちの1種もしくは2種を含む化合物から選択されることを特徴とする請求項9または10に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 9 or 10, wherein the decomposition accelerator is selected from compounds containing one or two of these elements in S, Se, or zero-valent state. . 前記表面結合剤を加える前に急冷剤を加えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method of claim 1, further comprising adding a quenching agent before adding the surface binder. 急冷剤を加える前記ステップが、前記表面結合剤を加える前であるが、前記分解促進剤を加える後であることを特徴とする請求項12に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 12, wherein the step of adding a quenching agent is before adding the surface binder but after adding the decomposition accelerator. 前記表面結合剤が、前記急冷剤でもあることを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the surface binder is also the quenching agent. 前記反応させるステップが、約100℃〜約400℃の温度に加熱することを含むことを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the reacting step includes heating to a temperature of about 100C to about 400C. 前記反応させるステップが、約200℃〜約400℃の温度にの加熱することを含むことを特徴とする請求項15に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 15, wherein the reacting step includes heating to a temperature of about 200C to about 400C. 前記反応させるステップが、約300℃に加熱することを含むことを特徴とする請求項16に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 16, wherein the reacting step includes heating to about 300 ° C. 前記ナノ粒子の直径の標準偏差が平均直径の20%未満であるような単分散のナノ粒子サイズ分布を、前記ナノ粒子が有することを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the nanoparticles have a monodispersed nanoparticle size distribution such that the standard deviation of the diameter of the nanoparticles is less than 20% of the average diameter. 前記ナノ粒子の直径の標準偏差が、平均直径の5%未満であることを特徴とする請求項18に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 18, wherein the standard deviation of the diameter of the nanoparticles is less than 5% of the average diameter. 前記ナノ粒子が、1%を超える量子効率を有する光励起に対する応答におけるルミネセンスを発生させることを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the nanoparticles generate luminescence in response to photoexcitation having a quantum efficiency of more than 1%. 前記量子効率が、20%を超えることを特徴とする請求項20に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 20, wherein the quantum efficiency exceeds 20%. 前記表面結合剤が、カルボン酸、アルデヒド、アミド、またはアルコールであることを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the surface binder is a carboxylic acid, an aldehyde, an amide, or an alcohol. 前記表面結合剤が、カルボン酸であることを特徴とする請求項22に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 22, wherein the surface binder is a carboxylic acid. 前記表面結合剤が、アルケニル部分、またはアルキニル部分を含むことを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 1, wherein the surface binder contains an alkenyl moiety or an alkynyl moiety. 前記表面結合剤が、一般式R−N(式中、Rは、アルキル、アルケニルまたはアリールであり、Nは、前記ナノ粒子の表面と結合可能な官能基である)の化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。   The surface binder comprises a compound of the general formula RN (wherein R is alkyl, alkenyl or aryl, and N is a functional group capable of binding to the surface of the nanoparticle). The method for producing nanoparticles according to claim 1. 水分および酸素のない状態で、前記ナノ粒子を水素化物還元剤と反応させ、水素を末端に有するナノ粒子を得ることをさらに含むことを特徴とする請求項22または23に記載のナノ粒子の製造方法。   24. The production of nanoparticles according to claim 22 or 23, further comprising reacting the nanoparticles with a hydride reducing agent in the absence of moisture and oxygen to obtain nanoparticles terminated with hydrogen. Method. 前記水素を末端に有するナノ粒子を、一般式L−R−N(式中、Rはアルキル、アルケニル、またはアリールであり、Lは、所望の機能を有する官能基であり、Nは、前記水素を末端に有するナノ粒子の表面と結合することができる官能基である)の化合物と反応させることをさらに含むことを特徴とする請求項26に記載のナノ粒子の製造方法。   The hydrogen-terminated nanoparticles are represented by the general formula L—R—N (wherein R is alkyl, alkenyl, or aryl, L is a functional group having a desired function, and N is the hydrogen atom) 27. The method for producing nanoparticles according to claim 26, further comprising reacting with a compound of which is a functional group capable of binding to the surface of the nanoparticles having a terminal thereof. Nが、−NH2、−COOH、−CONH2、−CONH2、−OH、−CHO、−SO3H、−PO32、−PH2、−SH、−CH=CH2、−C≡CH、−Cl、−F、−Br、および−Iからなる群から選択されることを特徴とする請求項25または27に記載のナノ粒子の製造方法。 N is —NH 2 , —COOH, —CONH 2 , —CONH 2 , —OH, —CHO, —SO 3 H, —PO 3 H 2 , —PH 2 , —SH, —CH═CH 2 , —C 28. The method for producing nanoparticles according to claim 25 or 27, wherein the method is selected from the group consisting of ≡CH, -Cl, -F, -Br, and -I. Lが有機性官能基であること特徴とする請求項27に記載のナノ粒子の製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 27, wherein L is an organic functional group. Lが、生化学的抗体、および/または生化学的に活性な分子と結合可能な官能基であることを特徴とする請求項27に記載のナノ粒子の製造方法。   28. The method for producing nanoparticles according to claim 27, wherein L is a functional group capable of binding to a biochemical antibody and / or a biochemically active molecule. Lが、−NH2、−COOH、−CONH2、−OH、−CHO、−SO3H、−PO32、−PH2、−SH、−CH=CH2、−C≡CH、−Cl、−F、−Br、および−Iからなる群から選択されることを特徴とする請求項27に記載のナノ粒子の製造方法。 L is —NH 2 , —COOH, —CONH 2 , —OH, —CHO, —SO 3 H, —PO 3 H 2 , —PH 2 , —SH, —CH═CH 2 , —C≡CH, — 28. The method for producing nanoparticles according to claim 27, wherein the method is selected from the group consisting of Cl, -F, -Br, and -I. 請求項1乃至25のいずれかに記載されたナノ粒子の製造方法によって作製されたことを特徴とする第IV族または第IV族金属の合金のナノ粒子。   A group IV or group IV metal alloy nanoparticle produced by the method for producing a nanoparticle according to any one of claims 1 to 25. 請求項26に記載されたナノ粒子の製造方法によって作製されたことを特徴とする水素を末端に有するナノ粒子。   A nanoparticle having a hydrogen terminal, which is produced by the method for producing a nanoparticle according to claim 26. 請求項27乃至31のいずれかに記載されたナノ粒子の製造方法によって作製された化学的に官能化されたナノ粒子。   32. Chemically functionalized nanoparticles produced by the method for producing nanoparticles according to any one of claims 27 to 31. 請求項32乃至34のいずれかに記載されたナノ粒子を含む素子。   35. A device comprising the nanoparticles according to any one of claims 32 to 34.
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