JP2022057384A - Nitride semiconductor nanoparticles and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノ粒子、特に、窒化物半導体ナノ粒子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to nanoparticles, particularly nitride semiconductor nanoparticles and a method for producing the same.
近年、蛍光体、自発光素材、太陽電池等の用途への利用に関してナノ粒子が注目されるようになっている。従来から、ナノ粒子は、ソルボサーマル(solvothermal)法、ホットインジェクション法または液相合成法等の化学合成法で生成されていた。 In recent years, nanoparticles have been attracting attention for use in applications such as phosphors, self-luminous materials, and solar cells. Conventionally, nanoparticles have been produced by a chemical synthesis method such as a solvothermal method, a hot injection method, or a liquid phase synthesis method.
特許文献1には、液相合成法によって金属窒化物ナノ粒子を生成する方法が開示されている。しかし、このような従来の化学合成法で金属窒化物ナノ粒子を生成する場合、副生成物として金属不純物が大量に生成されてしまい、金属窒化物ナノ粒子がほとんど得られないことが問題の1つとしてあげられる。 Patent Document 1 discloses a method for producing metal nitride nanoparticles by a liquid phase synthesis method. However, when metal nitride nanoparticles are produced by such a conventional chemical synthesis method, a large amount of metal impurities are generated as by-products, and one problem is that almost no metal nitride nanoparticles can be obtained. It can be given as one.
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、金属副生成物の発生が抑制され、高い収率で得られる高品質な窒化物半導体ナノ粒子及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide high-quality nitride semiconductor nanoparticles obtained by suppressing the generation of metal by-products and obtaining high yields, and a method for producing the same. And.
本発明の窒化物半導体ナノ粒子の製造方法は、アルカリ金属及び窒素を含む原料である窒素原料、ハロゲン化金属並びに溶媒を含む溶液を第1の温度において反応させて固体の前駆体を形成する第1の工程と、前記溶液を前記第1の温度より高い第2の温度で反応させる第2の工程と、を有することを特徴とする。 In the method for producing nitride semiconductor nanoparticles of the present invention, a solution containing a nitrogen raw material containing an alkali metal and nitrogen, a metal halide and a solvent is reacted at a first temperature to form a solid precursor. It is characterized by having one step and a second step of reacting the solution at a second temperature higher than the first temperature.
以下に、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明においては、インジウム(In)を含むハロゲン化金属の原料(以下、インジウム原料とも称する)、窒素(N)を含む原料(以下、窒素原料とも称する)及び溶媒からなる合成溶液を加熱して反応させ、III-V族半導体のナノ粒子、具体的には、窒化インジウム(InN)の窒化物半導体ナノ粒子を得る場合について説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, a synthetic solution consisting of a raw material for a metal halide containing indium (In) (hereinafter, also referred to as an indium raw material), a raw material containing nitrogen (N) (hereinafter, also referred to as a nitrogen raw material), and a solvent is heated. To obtain III-V semiconductor nanoparticles, specifically, indium nitride (InN) nitride semiconductor nanoparticles, a case will be described.
図1は、本発明の窒化物半導体ナノ粒子の製造方法の工程を示すフロー図である。 FIG. 1 is a flow chart showing a process of a method for producing nitride semiconductor nanoparticles of the present invention.
まず、最初に、窒化物半導体ナノ粒子の原料となるIII族材料すなわちインジウム原料及びV族原料すなわち窒素原料を溶媒と混合し、溶液を生成する(工程S1)。 First, a group III material, that is, an indium raw material, and a group V raw material, that is, a nitrogen raw material, which are raw materials for nitride semiconductor nanoparticles, are mixed with a solvent to generate a solution (step S1).
III族材料すなわちインジウム原料としては、ヨウ化インジウム、塩化インジウム、臭化インジウム等、ハロゲン化金属を用いることができる。V族材料、すなわち窒素原料としては、ナトリウムアミド、セシウムアミド、リチウムアミド等のアルカリ金属系材料を用いることができる。また、溶媒としては、トリオクチルホスフィン、ジフェニルエーテル、ジエチルエーテル、ベンゼンを用いることができる。 As a group III material, that is, an indium raw material, a metal halide such as indium iodide, indium chloride, and indium bromide can be used. As the group V material, that is, the nitrogen raw material, an alkali metal-based material such as sodium amide, cesium amide, or lithium amide can be used. Further, as the solvent, trioctylphosphine, diphenyl ether, diethyl ether and benzene can be used.
次に、工程S1で得た溶液を撹拌しつつ、ヒータを用いてインジウム原料の分解温度以下の所定の温度まで加熱し、最終生成物である窒化インジウムのナノ粒子の前駆体を形成する(工程S2)。工程S2において、溶液を140℃~160℃の温度で所定時間、例えば5分程度反応させ、固体の前駆体を析出させる。この工程においては、溶液を、最終生成物である窒化物半導体ナノ粒子である窒化インジウムのナノ粒子を成長させる温度よりも低い所定の温度範囲に一定時間維持する。この固体の前駆体は、後述の事情から、その構造や組成については調べることができず、詳細は不明である。恐らくは、前駆体形成温度より低い温度で溶解したIII族材料がV族材料と共に固体の前駆体を形成したものであり、III族元素、ハロゲン、アルカリ金属を含むアミド系錯体と考えられる。なお、この固体の前駆体は溶媒に対する溶解度が低いために析出してしまうので、撹拌などの操作によって合成溶液中の前駆体の分布を均一にすることが好ましい。 Next, while stirring the solution obtained in step S1, the solution is heated to a predetermined temperature equal to or lower than the decomposition temperature of the indium raw material using a heater to form a precursor of nanoparticles of indium nitride, which is the final product (step). S2). In step S2, the solution is reacted at a temperature of 140 ° C. to 160 ° C. for a predetermined time, for example, about 5 minutes to precipitate a solid precursor. In this step, the solution is maintained in a predetermined temperature range for a certain period of time, which is lower than the temperature at which the nanoparticles of indium nitride, which are the final product of the nitride semiconductor nanoparticles, are grown. The structure and composition of this solid precursor cannot be investigated due to the circumstances described below, and the details are unknown. Probably, the group III material melted at a temperature lower than the precursor formation temperature forms a solid precursor together with the group V material, and is considered to be an amide-based complex containing a group III element, a halogen, and an alkali metal. Since the precursor of this solid is precipitated due to its low solubility in a solvent, it is preferable to make the distribution of the precursor uniform in the synthetic solution by an operation such as stirring.
前駆体が形成された後、最終生成物である窒化インジウムナノ粒子を成長させる温度、例えば200℃以上まで溶液を加熱し所定時間、例えば1時間程度反応させる(工程S3)。 After the precursor is formed, the solution is heated to a temperature at which the final product, indium nitride nanoparticles, is grown, for example, 200 ° C. or higher, and reacted for a predetermined time, for example, about 1 hour (step S3).
上記窒化インジウムナノ粒子の成長工程の後、溶液を冷却して遠心分離し、窒化インジウムナノ粒子を回収する(工程S4)。すなわち、本発明の窒化物半導体ナノ粒子の製造方法は、窒素原料、ハロゲン化金属及び溶媒を含む溶液を固体の前駆体が析出するように所定の第1の温度(前駆体形成温度)で所定の時間だけ反応させる第1の工程と、溶液を前駆体形成温度より高い第2の温度で反応させる第2の工程と、を有する。 After the growth step of the indium nitride nanoparticles, the solution is cooled and centrifuged to recover the indium nitride nanoparticles (step S4). That is, in the method for producing nitride semiconductor nanoparticles of the present invention, a solution containing a nitrogen raw material, a metal halide and a solvent is predetermined at a predetermined first temperature (precursor formation temperature) so that a solid precursor is deposited. It has a first step of reacting only for the time of the above, and a second step of reacting the solution at a second temperature higher than the precursor formation temperature.
本発明の発明者達は、このように、III-V族の窒化物半導体ナノ粒子の製造において、最終生成物である窒化物半導体ナノ粒子である窒化インジウムのナノ粒子を成長させる温度よりも低い温度にて固体の前駆体を析出させる工程を経て、最終生成物である窒化物半導体ナノ粒子を成長させることで、高品質な窒化物ナノ粒子を単相で合成できることを見出した。 Thus, the inventors of the present invention have a temperature lower than the temperature at which nanoparticles of indium nitride, which is the final product of the nitride semiconductor nanoparticles, are grown in the production of group III-V nitride semiconductor nanoparticles. It has been found that high-quality nitride nanoparticles can be synthesized in a single phase by growing nitride semiconductor nanoparticles, which are the final products, through a step of precipitating a solid precursor at a temperature.
これは、最終的な窒化物半導体ナノ粒子を形成する前に窒素を取り込んだ安定な前駆体を形成することで、溶液において窒素が溶液から気化することを抑制できることが一因であると考えられる。逆に、V族材料を固体の前駆体にしないままナノ粒子生成温度まで溶液を加熱した場合、窒素原料が分解し、アンモニアガスとして溶液から放出されてしまい、III族金属を十分に窒化させることができないと考えられる。すなわち、最終的な窒化物半導体ナノ粒子を生成する200℃以上の高温の条件下において、従来の手法よりも溶液中に窒素が残留していることによって、溶液中において多くのインジウムが窒素と反応し、インジウムが残留せず、高品質な窒化物ナノ粒子を収率良く得ることができると考えられる。 It is considered that this is partly because it is possible to suppress the vaporization of nitrogen from the solution in the solution by forming a stable precursor that takes in nitrogen before forming the final nitride semiconductor nanoparticles. .. On the contrary, when the solution is heated to the nanoparticle formation temperature without using the group V material as a solid precursor, the nitrogen raw material is decomposed and released from the solution as ammonia gas, so that the group III metal is sufficiently nitrided. It is thought that it cannot be done. That is, under high temperature conditions of 200 ° C. or higher to produce the final nitride semiconductor nanoparticles, more indium reacts with nitrogen in the solution due to the residual nitrogen in the solution than in the conventional method. However, it is considered that high-quality nitride nanoparticles can be obtained in good yield without residual indium.
以下に、本発明の実施例1である窒化物半導体ナノ粒子の製造方法について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, a method for producing nitride semiconductor nanoparticles according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[製造装置]
図2は、実施例1の製造方法において用いる合成装置10の断面図である。溶液容器11は、円筒状の容器部11A及び円板状の蓋部11Bからなる円筒状の容器である。溶液容器11は、プラチナまたはイリジウム等の白金族元素材料からなる円筒状の容器である。実施例1においては、溶液容器11に、ナノ粒子の原料を含む溶液LQを入れてこれを反応させることでナノ粒子を製造する。
[manufacturing device]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
また、実施例1においては、溶液LQを撹拌するための撹拌子SBが、溶液容器11内に投入されている。撹拌子SBは、棒状の磁石をガラス、テフロン(登録商標)等で封止して形成されている。従って、撹拌子SBは、溶液容器11の外からの磁力の作用によって、例えば回転等の動作が可能である。なお、本実施例においては、撹拌子SBとしてアイシス社製のCM1219を用いた。
Further, in Example 1, a stirrer SB for stirring the solution LQ is put into the
圧力容器13は、円筒状の容器部13A及び当該容器部13Aとともに、溶液容器11を収納可能な密閉空間SSを形成可能な密閉蓋部13Bを含んでいる。本実施例では圧力容器として、Parr社製の4740番を用いた。圧力容器13は、容器内部の高温または高圧に耐えられる容器であればよい。本実施例においては、圧力容器13は、例えば、500℃程度の容器内部温度または1MPa程度の容器内部圧力に耐えられればよい。
The
ヒータ15は、圧力容器13を収納可能な円筒状の容器形状を有している。ヒータ15は、内部に収納された圧力容器13を加熱可能な加熱装置であり、例えば、マントルヒータである。本実施例では、ヒータ15として、アズワン製のMS-ESBを用いた。
The
実施例1においては、ヒータ15には、底部に撹拌子STを回転させるための磁力を発生させるスターラーSTが内蔵されている。すなわち、スターラーSTが磁力を発生することで、撹拌子SBが回転し、溶液LQが撹拌されることとなる。なお、スターラーSTは、ヒータ15と別体であってもよい。例えば、マントルヒータ等のヒータと別体のスターラー上にヒータを配置するような構成であってもよい。
In the first embodiment, the
[製造手順]
以下、実施例1の製造方法の工程について、上記説明した図1を再度参照しつつ説明する。まず、最初に、III族材料であるインジウム原料及びV族材料である窒素原料と溶媒とを混合し、溶液LQとして溶液容器11に充填した(工程S1)。この際、溶液LQを撹拌するための撹拌子SBも溶液容器11に投入した。溶液LQを溶液容器11に充填した後、溶液容器11を圧力容器内に収納した。
[Manufacturing procedure]
Hereinafter, the process of the manufacturing method of Example 1 will be described with reference to FIG. 1 described above again. First, an indium raw material as a group III material, a nitrogen raw material as a group V material, and a solvent were mixed and filled in a
インジウム原料としては、ヨウ化インジウム(Aldrich製、純度99.998%)を用いた。窒素原料としては、ナトリウムアミド(Aldrich製、hydrogen-storage grade)を用いた。また、溶媒としては、トリオクチルホスフィン(Aldrich製、純度97%)を用いた。 As the indium raw material, indium iodide (manufactured by Aldrich, purity 99.998%) was used. As a nitrogen raw material, sodium amide (manufactured by Aldrich, hydrogen-storage grade) was used. As the solvent, trioctylphosphine (manufactured by Aldrich, purity 97%) was used.
本実施例では、ヨウ化インジウム89.2mg(0.18mmol)、ナトリウムアミド149.5mg(3.84mmol)を、トリオクチルホスフィン6ml(13.44mmol)を混合して、溶液LQを調製した。なお、溶液LQの溶液容器11への充填は、酸素・水分濃度が1ppm以下に管理されたグローブボックス内で行った。
In this example, indium iodide 89.2 mg (0.18 mmol), sodium amide 149.5 mg (3.84 mmol) and trioctylphosphine 6 ml (13.44 mmol) were mixed to prepare a solution LQ. The solution LQ was filled in the
次に、圧力容器13をヒータ15内に収容し、溶液LQを撹拌しつつ、ヒータ15を用いて溶液LQを前駆体形成温度まで加熱し、最終生成物である窒化インジウムの窒化物半導体ナノ粒子の前駆体を形成した(工程S2)。本実施例においては、工程S2において、溶液LQを25℃から5℃/minで昇温し、150℃で5分間維持して溶液を反応させた。また、本実施例においては、工程S2における撹拌速度は600rpmとした。
Next, the
図3は、溶液LQを加熱してから前駆体が形成されるまで変化する溶液の様子を写真で示す図である。なお、図3の各写真は、透明ガラス容器を用いて溶液LQの様子を見えるようにして撮影したものである。 FIG. 3 is a photograph showing the state of the solution that changes from the heating of the solution LQ until the precursor is formed. In addition, each photograph of FIG. 3 was taken by using a transparent glass container so that the state of the solution LQ could be seen.
図3(a)は、25℃における溶液LQ、図3(b)は、100℃における溶液LQ、図3(c)は、120℃における溶液LQの様子を示している。また、図3(d)は、溶液LQを150℃まで昇温して5分経過した後の様子を示している。 3A shows the solution LQ at 25 ° C., FIG. 3B shows the solution LQ at 100 ° C., and FIG. 3C shows the solution LQ at 120 ° C. Further, FIG. 3D shows the state after the solution LQ has been heated to 150 ° C. and 5 minutes have passed.
図3に示すように、溶液LQの温度が120℃になるまでは、溶液に多少色が付くものの、溶液中に固体が析出する様子はない。しかし、溶液LQを150℃まで昇温して5分経過した後には、溶液LQ内に黒色の析出物が発生している。この黒色の析出物の反応性が高い故に、具体的には、空気中に晒すとすぐに燃焼する性質を有する故に、この黒色の析出物の成分を解析するのは困難である。 As shown in FIG. 3, until the temperature of the solution LQ reaches 120 ° C., the solution is slightly colored, but the solid does not appear to precipitate in the solution. However, after the temperature of the solution LQ was raised to 150 ° C. and 5 minutes had passed, black precipitates were generated in the solution LQ. It is difficult to analyze the components of this black precipitate because of its high reactivity and, specifically, its property of burning immediately when exposed to air.
図4は、工程S2を行いつつ溶液を150℃、165℃、200℃、250℃と昇温した際の各温度において採取されたサンプル溶液内のIn濃度を、蛍光X線測定の測定値に基づいて算出した値を示すグラフである。なお、前駆体の存在が目視で確認できている溶液のサンプルの採取は、前駆体が溶液容器の下部に沈殿するまで待ち、サンプルに前駆体が混じらないように採取した。 FIG. 4 shows the In concentration in the sample solution collected at each temperature when the solution was heated to 150 ° C., 165 ° C., 200 ° C., and 250 ° C. while performing step S2 as the measured value of fluorescent X-ray measurement. It is a graph which shows the value calculated based on. The sample of the solution in which the presence of the precursor was visually confirmed was collected by waiting until the precursor settled in the lower part of the solution container so that the precursor would not be mixed with the sample.
このグラフからわかるように、溶液温度が150℃を超えると急激にIn濃度が減少し、165℃以上でInが検出できなくなる。このことから、150℃前後の温度において、溶媒に溶け込んでいたヨウ化インジウムが前駆体を形成して固相化していることが予想される。なお、アルカリ金属であるNa、ハロゲンであるヨウ素も同様の傾向を示した。また、この黒い析出物である前駆体は、III族材料及びV族材料を含むアミド系の錯体であると推測される。 As can be seen from this graph, when the solution temperature exceeds 150 ° C., the In concentration sharply decreases, and when the solution temperature exceeds 165 ° C., In cannot be detected. From this, it is expected that indium iodide dissolved in the solvent forms a precursor and solidifies at a temperature of about 150 ° C. In addition, Na which is an alkali metal and iodine which is a halogen also showed the same tendency. Further, it is presumed that the precursor, which is a black precipitate, is an amide-based complex containing a group III material and a group V material.
なお、上記説明において、溶液LQを150℃で維持することで前駆体を形成する場合について説明した。しかし、140~160℃の温度範囲で前駆体が形成されることが、実験により確認されているため、前駆体の形成は、140~160℃の間の温度で一定時間溶液LQを反応させることでも実現可能である。本願において、この温度を前駆体形成温度と呼ぶこととする。 In the above description, a case where a precursor is formed by maintaining the solution LQ at 150 ° C. has been described. However, since it has been experimentally confirmed that the precursor is formed in the temperature range of 140 to 160 ° C., the formation of the precursor is to react the solution LQ at a temperature between 140 and 160 ° C. for a certain period of time. But it is feasible. In the present application, this temperature will be referred to as a precursor formation temperature.
また、前駆体を形成する工程S2において、撹拌しながら溶液LQを反応させたが、これは、形成される前駆体の構成組成を均一化させるためである。具体的に説明すると、V族原料のアルカリ金属系材料は、溶媒への溶解度が低く、溶媒中での濃度が不均一になりやすい。溶媒中のアルカリ金属系材料の濃度が不均一になると、形成する前駆体の構成組成が不均一になり、III族金属の窒化にばらつきが生じる。十分に窒化が進んでいない前駆体の生成は、窒化物ナノ粒子以外の副生成物の発生、特にIII族金属の発生の原因となる。 Further, in the step S2 for forming the precursor, the solution LQ was reacted with stirring in order to make the constituent composition of the precursor to be formed uniform. Specifically, the alkali metal-based material of the group V raw material has low solubility in a solvent, and the concentration in the solvent tends to be non-uniform. When the concentration of the alkali metal-based material in the solvent becomes non-uniform, the constituent composition of the precursor to be formed becomes non-uniform, and the nitriding of the group III metal varies. The formation of precursors that are not sufficiently nitrided causes the generation of by-products other than nitride nanoparticles, especially the generation of Group III metals.
また、前駆体の構成物質が不均一であると、窒素原料が未反応のまま残存する場合がある。その場合、粒子合成後の粒子洗浄、加工などのプロセスにおいて、残存した窒素原料が反応し、粒子の酸化や予期せぬ反応による窒化物ナノ粒子の劣化につながる。そのため、前駆体形成過程では、反応溶液の撹桙や反応容器を超音波で振動させるなど反応溶液中で材料を均一化し、十分に窒素を取り込みかつ均質な前駆体を形成することが好ましい。 Further, if the constituent substances of the precursor are non-uniform, the nitrogen raw material may remain unreacted. In that case, in processes such as particle cleaning and processing after particle synthesis, the remaining nitrogen raw material reacts, leading to oxidation of the particles and deterioration of the nitride nanoparticles due to an unexpected reaction. Therefore, in the precursor formation process, it is preferable to homogenize the material in the reaction solution by stirring the reaction solution or vibrating the reaction vessel with ultrasonic waves to sufficiently take in nitrogen and form a homogeneous precursor.
前駆体の生成の後、さらに温度を上昇させ、窒化物半導体ナノ粒子の成長温度において一時間反応させた(工程S3)。本実施例において、成長温度は、200℃、250℃、300℃の3パターンとした。 After the precursor was formed, the temperature was further increased and the reaction was carried out at the growth temperature of the nitride semiconductor nanoparticles for 1 hour (step S3). In this example, the growth temperature was set to three patterns of 200 ° C, 250 ° C, and 300 ° C.
上記工程S3の後、圧力容器13をヒータ15から取り出し、圧力容器13を冷水を用いて冷却することで溶液を冷却した(工程S4)。冷水を用いて冷却したのは、溶液中の反応を速やかに停止させるためである。
After the above step S3, the
その後、圧力容器13から溶液容器11を取り出し、溶液容器11内の溶液LQを取り出し、溶液LQを遠心分離した(工程S4)。この遠心分離は、超遠心機によって行った。具体的には、まず、合成液にエタノールを加えて遠心分離を行い、遠心分離後の上澄みを除去した後、再びエタノールを加え遠心分離を行った。その後、さらに遠心分離後の上澄みを除去した後に、再びエタノールを加えて遠心分離を行った。この工程では、各遠心分離について回転数を28000rpmとして30分間分離を行った。その後、ヘキサンを加えさらに遠心分離をした。最後にエタノールを加えて遠心洗浄を行い、窒化インジウムのナノ粒子を回収した。
Then, the
[評価]
上記実施例の製造方法で生成されて回収された窒化物半導体ナノ粒子を、比較例の製造方法で生成されて回収された窒化物半導体ナノ粒子と比較して評価した。比較例の製造方法は、工程S2を行わない点において、上記実施例1の製造方法と異なる。すなわち、比較例の製造方法においては、溶液を一気にナノ粒子の成長温度である200℃、250℃または300℃まで昇温して、窒化物半導体ナノ粒子を生成する。
[evaluation]
The nitride semiconductor nanoparticles produced and recovered by the production method of the above example were evaluated in comparison with the nitride semiconductor nanoparticles produced and recovered by the production method of Comparative Example. The manufacturing method of the comparative example is different from the manufacturing method of the first embodiment in that the step S2 is not performed. That is, in the production method of the comparative example, the solution is heated to 200 ° C., 250 ° C., or 300 ° C., which is the growth temperature of the nanoparticles, to produce nitride semiconductor nanoparticles.
実施例1の製造方法で生成された窒化物半導体ナノ粒子及び比較例の製造方法で生成された窒化物半導体ナノ粒子に含まれるIn金属の比率を、X線回折装置(XRD)の測定結果を用いて算出した。具体的には、XRDの測定結果のピークを精密構造解析、例えばリートベルト解析し、回収物に対するインジウム(In)金属のWt%を算出した。 The ratio of In metal contained in the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Example 1 and the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Comparative Example was measured by an X-ray diffractometer (XRD). Calculated using. Specifically, the peak of the XRD measurement result was subjected to precision structural analysis, for example, Rietveld analysis, and the Wt% of indium (In) metal with respect to the recovered material was calculated.
図5は、当該算出されたインジウム(In)金属の含有比率を示すグラフである。横軸に工程S3における成長温度、縦軸にIn金属の比率が取られている。図5に示されている通り、実施例1の製造方法によって生成された窒化物半導体ナノ粒子のインジウム(In)金属の含有率は、いずれの成長温度においても比較例の製造方法によって生成された窒化物半導体ナノ粒子よりも低く、含有率がほぼ0%であった。 FIG. 5 is a graph showing the calculated content ratio of indium (In) metal. The horizontal axis represents the growth temperature in step S3, and the vertical axis represents the ratio of In metal. As shown in FIG. 5, the content of indium (In) metal in the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Example 1 was produced by the production method of Comparative Example at any growth temperature. It was lower than the nitride semiconductor nanoparticles and had a content of almost 0%.
上述したように、このインジウム金属含有率の低さは、最終的な窒化物半導体ナノ粒子を形成する前に窒素を取り込んだ安定な前駆体を形成することで、溶液において窒素が溶液から気化することを抑制できることが一因であると考えられる。すなわち、最終的な窒化物半導体ナノ粒子を生成する200℃以上の高温の条件下において、従来の手法よりも溶液中に窒素が残留していることによって、溶液中において多くのインジウムが窒素と反応し、インジウムが残留せず、高品質な窒化物ナノ粒子を収率良く得ることができると考えられる。 As mentioned above, this low indium metal content causes nitrogen to vaporize from solution in solution by forming a stable precursor that incorporates nitrogen before forming the final nitride semiconductor nanoparticles. It is thought that one of the reasons is that it can suppress this. That is, under high temperature conditions of 200 ° C. or higher to produce the final nitride semiconductor nanoparticles, more indium reacts with nitrogen in the solution due to the residual nitrogen in the solution than in the conventional method. However, it is considered that high-quality nitride nanoparticles can be obtained in good yield without residual indium.
図6は、実施例1の製造方法で生成された窒化物半導体ナノ粒子のTEM画像(×100000)である。図6(a)は、成長温度を200℃として生成したもの、図6(b)は、成長温度を250℃として生成したもの、図6(c)は、成長温度を300℃として生成したものである。 FIG. 6 is a TEM image (× 100,000) of nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Example 1. FIG. 6A is a product generated with a growth temperature of 200 ° C., FIG. 6B is a product produced with a growth temperature of 250 ° C., and FIG. 6C is a product produced with a growth temperature of 300 ° C. Is.
図6から分かるように、成長温度が200℃では粒径が5-7nm、成長温度が250℃では粒径が7-10nm、成長温度が300℃では粒径が7-15nmの大きさの均一な粒子が形成されていた。 As can be seen from FIG. 6, when the growth temperature is 200 ° C., the particle size is 5-7 nm, when the growth temperature is 250 ° C., the particle size is 7-10 nm, and when the growth temperature is 300 ° C., the particle size is 7-15 nm. Particles were formed.
以上のことより、窒化物半導体ナノ粒子の製造において、V族材料にアルカリ金属系材料を使い、窒化物半導体ナノ粒子の成長温度以下の温度で前駆体を形成することで、窒化物半導体ナノ粒子均一な窒化の促進でき、III族金属の含有量が少なく均一な粒径を有する高品質な窒化物ナノ粒子を高い収量で得られることがわかった。 Based on the above, in the production of nitride semiconductor nanoparticles, nitride semiconductor nanoparticles are formed by using an alkali metal-based material as the Group V material and forming a precursor at a temperature equal to or lower than the growth temperature of the nitride semiconductor nanoparticles. It was found that uniform nitride can be promoted, and high-quality nitride nanoparticles having a low content of Group III metal and a uniform particle size can be obtained with high yield.
上記実施例1においては、溶媒としてトリオクチルホスフィンを用いた。トリオクチルフホスフィンは、窒化物半導体ナノ粒子の表面修飾剤としての性質も持っている。そのため、実施例1において製造された窒化物半導体ナノ粒子は、その後の工程において、表面修飾を行う工程を省略することが可能である。 In Example 1 above, trioctylphosphine was used as a solvent. Trioctylphphosphine also has properties as a surface modifier for nitride semiconductor nanoparticles. Therefore, the nitride semiconductor nanoparticles produced in Example 1 can omit the step of surface modification in the subsequent steps.
以下に、実施例2の製造方法について説明する。実施例2の製造方法は、溶液の調製において、溶媒としてトリオクチルホスフィンではなくジフェニルエーテルを用いる点でのみ実施例1の製造方法とは異なり、他の工程は全く同一である。よって、溶液の調製以外の点については、説明を省略する。 The manufacturing method of Example 2 will be described below. The production method of Example 2 is different from the production method of Example 1 only in that diphenyl ether is used as a solvent instead of trioctylphosphine in the preparation of the solution, and the other steps are exactly the same. Therefore, the description is omitted except for the preparation of the solution.
実施例2においては、インジウム原料としては、ヨウ化インジウム(Aldrich製、純度99.998%)を用いた。窒素原料としては、ナトリウムアミド(Aldrich製、hydrogen-storage grade)を用いた。また、溶媒としては、ジフェニルエーテル(Aldrich製、純度99.9%)を用いた。 In Example 2, indium iodide (manufactured by Aldrich, purity 99.998%) was used as the indium raw material. As a nitrogen raw material, sodium amide (manufactured by Aldrich, hydrogen-storage grade) was used. Further, as a solvent, diphenyl ether (manufactured by Aldrich, purity 99.9%) was used.
実施例2においては、ヨウ化インジウム89.2mg(0.18mmol)、ナトリウムアミド149.5mg(3.84mmol)を、ジフェニルエーテル6ml(13.44mmol)を混合して、溶液LQを調製した。なお、溶液LQの溶液容器11への充填は、酸素・水分濃度が1ppm以下に管理されたグローブボックス内で行った。
In Example 2, 89.2 mg (0.18 mmol) of indium iodide, 149.5 mg (3.84 mmol) of sodium amide, and 6 ml (13.44 mmol) of diphenyl ether were mixed to prepare a solution LQ. The solution LQ was filled in the
上記実施例2の製造方法で生成された窒化物半導体ナノ粒子を、比較例の製造方法で生成された窒化物半導体ナノ粒子と比較して評価した。比較例の製造方法は、実施例1において上述したのと同様に、工程S2を行わない点において、上記実施例2の製造方法と異なる。すなわち、比較例の製造方法においては、溶液を一気にナノ粒子の成長温度である200℃、250℃または300℃まで昇温して、窒化物半導体ナノ粒子を生成する。 The nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Example 2 were evaluated in comparison with the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Comparative Example. The manufacturing method of the comparative example is different from the manufacturing method of the second embodiment in that the step S2 is not performed, as described above in the first embodiment. That is, in the production method of the comparative example, the solution is heated to 200 ° C., 250 ° C., or 300 ° C., which is the growth temperature of the nanoparticles, to produce nitride semiconductor nanoparticles.
実施例2の製造方法で生成された窒化物半導体ナノ粒子及び比較例の製造方法で生成された窒化物半導体ナノ粒子に含まれるインジウム(In)の比率を、X線回折装置(XRD)の測定結果を用いて算出した。具体的には、XRDの測定結果のピークを精密構造解析、例えばリートベルト解析し、回収物に対するインジウム(In)のWt%を算出した。 The ratio of indium (In) contained in the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Example 2 and the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of the comparative example is measured by an X-ray diffractometer (XRD). Calculated using the results. Specifically, the peak of the XRD measurement result was subjected to precision structural analysis, for example, Rietveld analysis, and the Wt% of indium (In) with respect to the recovered material was calculated.
図7は、当該計測されたインジウム(In)含有比率を示すグラフである。横軸に工程S3における成長温度、縦軸にインジウム(In)の比率が取られている。図7に示されている通り、実施例2の製造方法によって生成された窒化物半導体ナノ粒子のIn含有率は、いずれの成長温度においても比較例の製造方法によって生成された窒化物半導体ナノ粒子よりも低かった。 FIG. 7 is a graph showing the measured indium (In) content ratio. The horizontal axis represents the growth temperature in step S3, and the vertical axis represents the ratio of indium (In). As shown in FIG. 7, the In content of the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Example 2 is the nitride semiconductor nanoparticles produced by the production method of Comparative Example at any growth temperature. Was lower than.
以上のことより、窒化物半導体ナノ粒子の製造において、V族材料にアルカリ金属系材料を使い、窒化物半導体ナノ粒子の成長温度以下の温度で前駆体を形成することで、窒化物半導体ナノ粒子均一な窒化の促進でき、III族金属の含有量が少なく均一な粒径を有する高品質な窒化物ナノ粒子を高い収量で得られることがわかった。 Based on the above, in the production of nitride semiconductor nanoparticles, nitride semiconductor nanoparticles are formed by using an alkali metal-based material as the Group V material and forming a precursor at a temperature equal to or lower than the growth temperature of the nitride semiconductor nanoparticles. It was found that uniform nitride can be promoted, and high-quality nitride nanoparticles having a low content of Group III metal and a uniform particle size can be obtained with high yield.
上記実施例においては、工程2において、溶液を150℃で5分間反応させることで前駆体を形成するとした。しかし、前駆体の形成時間はこれに限られない。前駆体の形成が終わってから、すなわち前駆体の生成反応が飽和してから、工程S3の窒化物半導体ナノ粒子の成長を行うのが好ましい。よって、140~160℃程度の温度で、前駆体の析出が収束した後に、窒化物半導体ナノ粒子の成長温度まで昇温して、窒化物半導体ナノ粒子を成長させるのが好ましい。 In the above example, in step 2, the solution was reacted at 150 ° C. for 5 minutes to form a precursor. However, the precursor formation time is not limited to this. It is preferable to grow the nitride semiconductor nanoparticles in step S3 after the formation of the precursor is completed, that is, after the reaction for producing the precursor is saturated. Therefore, it is preferable to raise the temperature to the growth temperature of the nitride semiconductor nanoparticles after the precipitation of the precursor has converged at a temperature of about 140 to 160 ° C. to grow the nitride semiconductor nanoparticles.
上記実施例においては、工程S2において、5℃/分で溶液を昇温するとしたが、昇温速度はこれに限られない。例えば、毎分5℃以下の昇温速度で昇温を行ってもよい。 In the above embodiment, it is assumed that the temperature of the solution is raised at 5 ° C./min in step S2, but the heating rate is not limited to this. For example, the temperature may be raised at a heating rate of 5 ° C. or less per minute.
また、上記実施例においては、工程S3における成長温度を変化させることで、異なる粒径の窒化物半導体ナノ粒子を生成した。しかし、成長温度を変えるだけではなく、溶液に添加物を投入して窒化物半導体ナノ粒子の成長を阻害することで、生成される窒化物半導体ナノ粒子の粒径を調製することとしてもよい。 Further, in the above embodiment, the nitride semiconductor nanoparticles having different particle sizes were produced by changing the growth temperature in step S3. However, the particle size of the nitride semiconductor nanoparticles to be produced may be adjusted by not only changing the growth temperature but also adding an additive to the solution to inhibit the growth of the nitride semiconductor nanoparticles.
また、上記実施例においては、III族材料としてヨウ化物であるヨウ化インジウムを用いたが、ヨウ化物以外に、塩化物または臭化物を含むIII族元素のハロゲン化物も用いることが可能である。すなわち、ヨウ化インジウム以外のハロゲン化インジウムを用いることも可能である。 Further, in the above examples, indium iodide, which is an iodide, was used as the material for Group III, but in addition to iodide, halides of Group III elements including chlorides or bromides can also be used. That is, it is also possible to use indium halide other than indium iodide.
また、上記実施例においては、III族原料としてInを含む材料を用いてInNの窒化物半導体ナノ粒子を製造した。しかし、III族元素としてGaを含むハロゲン化物を材料として用い、上記実施例の工程と同様の工程にて、GaN、AlNや、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaNなど混晶の窒化物半導体ナノ粒子を製造することも可能である。また、他のIII族元素のハロゲン化物を用いて窒化物半導体ナノ粒子を製造することも可能である。 Further, in the above embodiment, InN nitride semiconductor nanoparticles were produced using a material containing In as a group III raw material. However, a halide containing Ga as a group III element is used as a material, and mixed-crystal nitride semiconductor nanoparticles such as GaN, AlN, InGaN, InAlN, AlGaN, and AlInGaN are obtained in the same step as the step of the above embodiment. It is also possible to manufacture. It is also possible to produce nitride semiconductor nanoparticles using halides of other Group III elements.
上記実施例においては、溶液LQの撹拌を、撹拌子SBとスターラーSTによって行うこととしたが、圧力容器の外部から撹拌翼を有する軸を差し込んで当該軸及び撹拌翼をモータ等で回転させることで溶液を撹拌することとしてもよい。また、超音波振動装置を用いて溶液LQを振動させることで、溶液LQを撹拌することとしてもよい。 In the above embodiment, the solution LQ is stirred by the stirrer SB and the stirrer ST, but a shaft having a stirring blade is inserted from the outside of the pressure vessel and the shaft and the stirring blade are rotated by a motor or the like. The solution may be stirred with. Further, the solution LQ may be agitated by vibrating the solution LQ using an ultrasonic vibration device.
また、撹拌子及び撹拌翼の材料としては、ガラス以外にも、石英、テフロン、白金、金、イリジウム、ロジウム、サファイア等、溶液に溶解する等の影響を受けにくい材料であればよい。 The material of the stirrer and the stirrer blade may be any material other than glass, such as quartz, teflon, platinum, gold, iridium, rhodium, and sapphire, which is not easily affected by being dissolved in a solution.
上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される半導体ナノ粒子等に応じて、適宜選択することができる。 The various numerical values, dimensions, materials, etc. in the above-mentioned examples are merely examples, and can be appropriately selected depending on the intended use, the semiconductor nanoparticles to be manufactured, and the like.
10 合成装置
11 溶液容器
13 圧力容器
15 ヒータ
10
Claims (12)
前記溶液を前記第1の温度より高い第2の温度で反応させる第2の工程と、
を有することを特徴とする窒化物半導体ナノ粒子の製造方法。 The first step of reacting a nitrogen raw material containing an alkali metal and nitrogen, a solution containing a metal halide and a solvent at a first temperature to form a solid precursor, and the first step.
A second step of reacting the solution at a second temperature higher than the first temperature, and
A method for producing nitride semiconductor nanoparticles.
前記窒素原料は、窒素とアルカリ金属の化合物であり、
前記溶媒は、ジフェニルエーテル、トリオクチルフォスフィンまたはベンゼンであることを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体ナノ粒子の製造方法。 The metal halide is a halide of a Group III element including chlorides, bromides or iodides.
The nitrogen raw material is a compound of nitrogen and an alkali metal, and is
The method for producing nitride semiconductor nanoparticles according to claim 7, wherein the solvent is diphenyl ether, trioctylphosphine or benzene.
Nitride semiconductor nanoparticles produced by the method for producing nitride semiconductor nanoparticles according to any one of claims 1 to 11.
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