JP5539643B2 - Pb合金及びコア/シェルナノワイヤの合成 - Google Patents

Pb合金及びコア/シェルナノワイヤの合成 Download PDF

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Description

本発明の態様は、一般的にはナノ合金及びコア/シェルナノワイヤの合成に関し、具体的にはPbSex1-xナノ合金及びPbSe/PbYコア/シェル(Y=S、Te)ナノワイヤの製造方法に関する。
ナノ構造(例えば、半導体ナノ構造)は、独特の光学的、物理的及び電気的性質を提供し、そのことがそれらを、電子的、光子的、熱電性及びセンサーに基づくデバイスなどの種々のデバイスにおける主要な構成要素にする。提供される多くの利益のために、ナノスケールのサイズの新規な構造(例えば、半導体ナノ構造)を開発するための絶えざる努力がされているが、しかしながら、ナノ構造のサイズ及び形状を制御することは、依然として難題である。制御されると、ナノ構造は、サイズの1つが対応する励起子ボーア直径より小さい強い閉じ込め領域におけるバンドギャップを変化させることにより、半導体の光学的及び物理的性質を改良することができる。
合金又はコア/シェル系の形態をしている半導体ナノワイヤは、半導体の材料として利用することができ、種々のバンドギャップエネルギーを生ずるように作動し得る。また、鉛カルコゲニド材料は、効果的なナノ構造として同定されている。例えば、鉛カルコゲニド材料は、熱伝導率が低いので、熱電性デバイス中にしばしば利用される。
したがって、改良されたナノ合金並びにそれらのナノ合金の改良された製造方法は、半導体ナノ構造で使用するために望ましい。
1つの態様によれば、PbSex1-xナノワイヤ合金(式中、Y=S又はTe)の製造方法が提供される。本方法は、PbSeナノワイヤを提供する工程、Pb前駆体溶液をY前駆体溶液と混合することによりPbY溶液を生成させる工程、前記PbSeナノワイヤを合金成長溶液に周囲温度で加える工程、PbSeナノワイヤを加えた後、該成長溶液を少なくとも約150℃の温度に加熱する工程、及び加熱された成長溶液に前記PbY溶液を加えることによりPbSex1-xナノワイヤ合金を生成させる工程を含む。
別の態様によれば、PbSeコアとPbSシェルを含むナノワイヤの製造方法が提供される。本方法は、PbSeナノワイヤを含むコア/シェル成長溶液を提供する工程、該コア/シェル成長溶液を該PbSeナノワイヤ上にPbSシェルを生成させるのに十分な温度に加熱する工程、Pb前駆体溶液を該コア/シェル成長溶液に加える工程、及びPb前駆体を加えた後のコア/シェル成長溶液にS前駆体溶液を加えてPbSeコアとPbSシェルを含むナノワイヤを生成させる工程を含む。
さらに別の態様によれば、PbSeコアとPbTeシェルを含むナノワイヤの製造方法が提供される。本方法は、Pb前駆体溶液を提供する工程、Te前駆体溶液を該Pb前駆体溶液に加えてPbTe溶液を生成させる工程、PbSeナノワイヤを含む約150℃の温度に加熱されたコア/シェル成長溶液を提供する工程、及び前記PbTe溶液を該コア/シェル成長溶液に加えてPbSeコアとPbTeシェルを含むナノワイヤを形成させる工程を含む。
本発明の態様によって提供されるこれら及び追加の特徴は、以下の詳細な説明を図面と合わせて見れば、より十分に理解されるであろう。
本発明の特定の態様の以下の詳細な説明は、図面と合わせて読むと、最もよく理解することができる。
本発明の1つ又は複数の態様による、図1Bに示した三元PbSe0.40.6合金の形成前のPbSeコアナノワイヤを例示する透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 本発明の1つ又は複数の態様によるPbSe0.40.6合金を例示するTEM顕微鏡写真である。 本発明の1つ又は複数の態様による、図2Bに示したPbSシェルのコーティング前のPbSeコアナノワイヤを例示するTEM顕微鏡写真である。 本発明の1つ又は複数の態様による、PbSシェルを有するPbSeコアを例示するTEM顕微鏡写真である。 本発明の1つ又は複数の態様によるPbTeシェルを有するPbSeコアを例示する高分解能透過電子顕微鏡(HRTEM)写真である。 本発明の1つ又は複数の態様による、図1BのPbSe0.40.6合金の一部の粉末X線回折(XRD)パターンである。 本発明の1つ又は複数の態様による、図1BのPbSe0.40.6合金の一部の電子エネルギー損失分光法(EELS)のスペクトルである。 本発明の1つ又は複数の態様による、図2BのPbSe/PbSコア/シェルの粉末(XRD)パターンである。 PbSeナノワイヤを製造する方法を例示するフローチャートである。 本発明の1つ又は複数の態様による、PbSex1-x(Y=Te又はS)合金を製造する方法を例示するフローチャートである。 本発明の1つ又は複数の態様による、PbSe/PbSコア/シェル合金を製造する方法を例示するフローチャートである。 本発明の1つ又は複数の態様による、PbSe/PbTeコア/シェル合金を製造する方法を例示するフローチャートである。
図面で説明した態様は、本来例示的なものであり、特許請求の範囲によって規定される本発明を限定するものではない。さらに、本発明の個々の特徴は、詳細な説明に照らしてより十分明確になり、理解されるであろう。
本発明の態様は、PbSex1-x合金ナノワイヤ及びPbSe/PbYコア/シェルナノワイヤ(Y=S又はTe)を作製する方法を指向する。本明細書で使用する「合金」は、1種以上の金属元素の混合物を含む構造である。本明細書で使用する「コア/シェル」は、「コア」金属を主体とする材料とその上の少なくとも1つの別のコーティング層(「シェル」)を含む構造であり、その際シェルは、コア組成と同一の又は異なった組成を含んでいてよい。以下で示すように、生成物が合金ナノワイヤの形態であるか又はコア/シェルナノワイヤの形態であるかを調製ステップで決めることができる。
図7及び8のフローチャートを一般的に参照すると、PbSex1-x合金を製造する方法は、PbSeナノワイヤ及びPbY溶液(Y=S又はTe)を調製する最初のステップを含んでいてよい。図8に示したように、PbSeナノワイヤは、Pb前駆体溶液をSe前駆体溶液と混合することにより、追加の処理ステップと合わせて、製造することができる。
図7を参照すると、PbSeナノワイヤ合成は、10mLのジフェニルエーテル(DPE)に溶解した0.76gの酢酸鉛三水和物及び2mLのオレイン酸を含むPb前駆体溶液を含んでよい。このPb前駆体溶液は、少なくとも30分間アルゴン雰囲気中で150℃に加熱してオレイン酸鉛錯体を形成させることができる。次に、その溶液を乾燥させることができる。約30ないし40分後、溶液を60℃に冷却して、例えば、0.167MのTOPSe/トリオクチルホスフィン(TOP)溶液4mLを含むセレン(Se)溶液と混合することができる。そのSe溶液を、PbSe核生成を防止するためにゆっくりと加えることができる。次に、PbSe溶液を、15mLのDPEに溶解した0.2gのリン酸テトラデシル(TDPA)を含む加熱された成長溶液(例えば、250℃)中に、激しく攪拌しながら注入することができる。成長溶液は、180℃に加熱することにより精製することができる。約50秒加熱後、反応混合物は、水浴を使用して室温に冷却することができる。次に粗溶液を、等量のヘキサンと混合することができる。次に、6000rpmで5分間遠心分離することによりナノワイヤを分離することができる。遠心分離により沈殿した生成物は、さらにキャラクタリゼーションのためにクロロホルム又はトルエン中に再分散させることができる。図1Aは、上記の合成方法により生成したPbSeナノワイヤのTEM顕微鏡写真例示を示す。生成したPbSeナノワイヤの直径は、4nmから15nmまでばらついてよく、長さは50μmまでである。しかしながら、PbSeナノワイヤを調製する上記の態様は典型的なもので、PbSeナノワイヤを製造するために、他の方法が考慮されることは理解されるべきである。
図8に示したPbY溶液を調製するために、Pb前駆体溶液をY前駆体溶液と混合する。上記のように、Pb前駆体溶液は、酢酸鉛三水和物、オレイン酸、及びジフェニルエーテル(DPE)の混合物から形成されたオレイン酸鉛錯体を含んでいてよい。Y前駆体溶液は、トリオクチルホスフィン(TOP)、又はオクタデセン、トリブチルホスフィン、トリフェニルホスフィンなどの適当な溶媒を含む溶液中にS又はTeを含んでいてよい。実験例で、S前駆体溶液は、0.1gのSを0.5mlのTOP中に溶解して、溶液を50℃に10分間加熱し、室温に冷却することにより調製することができる。Pb前駆体溶液は、0.2gの酢酸鉛三水和物、2mlのTOP、2mlのDPE及び1.5mlのオレイン酸を使用して調製することができる。Pb溶液は、150℃に30分間加熱してから室温に冷却することができる。室温で、S前駆体溶液をPb前駆体溶液に攪拌しながら加えることができる。本発明において、Pb及びY前駆体溶液を調製するための他の組成物及び調製ステップが考慮される。
PbSeナノワイヤが調製された後、PbSeナノワイヤは、成長溶液に送達することができる。それらは、PbSeナノワイヤとPbY溶液との反応の媒質として作用することができる。成長溶液は、TOP及びDPE、または他の適当な材料を含んでいてよい。前述のように、トリアルキルホスフィン、又はトリアルキルアミンは、溶媒として使用することができる。これらの溶媒は、ナノワイヤ表面に適合性であり(ルイス酸/塩基反応機構により)、カルコゲニド金属を溶解することができる。PbSeナノワイヤを加えるとき、成長溶液は周囲温度に保つことができる;しかしながら、他の適当な温度が本発明において考慮される。1つの実験例において、成長溶液は、2mlのDPE及び2mlのTOPを含むことができ、それを,180℃で20ないし25分間加熱してから室温に冷却し、次に30mgのPbSeナノワイヤを加える。
PbSeナノワイヤを成長溶液に加えた後、成長溶液を少なくとも150℃(例えば、上記のPbY溶液)又は1つの態様においては、約190と約200℃の間の温度に加熱する。それに続いてPbY溶液を加える。PbYは、自己核生成、又は望ましくない結晶構造の形成を防止するために、ゆっくりと加えることができる。1つの態様においては、PbS溶液を約0.25ml/分の速度で滴下した。
PbSex1-X合金の形成のために、追加の処理ステップが考慮される。例えば、成長溶液を10分間アニールしてから室温に冷却することができる。次にヘキサンを加えて6000rpmで5分間遠心分離することにより、合金生成物を分離することができる。
上で提供された典型的な方法にしたがって、三元PbSex1-x合金を形成することができ、それは図1BのTEM顕微鏡写真で示されるようにPbSe0.40.6の組成を含むことができる。他の適当なPbSex1-xの組成も考慮される。本発明者らは、上記の調製ステップはPbSeコアとPbYシェルとの間の拡散を促進して、その結果、三元ナノ合金を生成させるが、コア/シェルナノワイヤを生成させないことを認めた。拡散過程は、2段階に分けることができる。第1段階では、PbY(例えば、Y=S)溶液のPbSeナノワイヤ溶液への添加の結果として、PbSのシェルとしての成長が起こる。第2段階では、多くの要因(即ち、高い温度、PbSeコアの小さい直径及びPbSeコアとPbYとの間の小さい格子の不整合)が、コアとシェルの間の拡散を促進して合金を形成させる。例えば、PbS溶液添加に先立つ成長溶液の加熱は、PbSeナノワイヤコアとPbSシェルとの間のより大きい粒子の移動を促進する。ナノワイヤの直径が小さいほど、反応性は大きく且つエネルギー的安定性は小さくなるので、PbSeナノワイヤの直径を最小化することも拡散を助ける。上で説明したような1つの態様において、PbSeナノワイヤは、約4nmと15nmの間の直径を有する。さらに、PbSeコアとPbYシェルの間の小さな格子の不整合は(DPbSe/DPbS≒3%及びDPbSe/DPbTe≒5%;ただしDは結晶の格子定数である)さらなる拡散を促進する。
本明細書に記載した方法により形成されたPbSe0.40.6合金などの合金を示すために、図4及び5を提供する。図4のEDX(エネルギー分散X線分光法)スペクトル中に例示されるように、強度パターンは、立方体PbSe及び立方体PbSのいずれとも異なり、立方体PbSe及び立方体PbSのピークの間に配置されている。このパターンは、合金生成物が、コア/シェル配置ならば存在するであろう明確なPbSe及びPbS組成を含まないことを示す。図5の電子エネルギー損失分光法(EELS)スペクトルに示されるように、Sは165eVで同定された。さらに、PbSeナノワイヤはPbSe0.40.6合金に変換されたので、6nmから約10nmへの直径変化が、PbS材料の添加により観察された。
合金を形成させる方法に加えて、本発明は、コア/シェル合成も指向しており、例えば、PbSeコアとPbSシェルを含むコア/シェルナノワイヤを製造する方法が考慮される。図9を参照すれば、シェル合成は、ナノスケールのサイズのコア材料の上にシェルを成長させる手法である、連続イオン層吸着反応(SILAR)法に基づく。SILAR法においては、シェルの成長は、カチオン性(Pb前駆体溶液)及びアニオン性(S前駆体溶液)の前駆体の、PbSeナノワイヤを含むコア/シェル成長溶液中への添加を交互に行うことにより、一度に1つの単層を成長させるようにデザインされている。コア/シェル成長溶液は、トリオクチルホスフィン(TOP)及びジフェニルエーテル(DPE)などの溶媒も含んでいてよい。その方法にしたがって、Pb前駆体溶液は、コア/シェル成長溶液に加えられる。合金を形成させる上記の方法のように、Pb前駆体溶液は、オレイン酸鉛錯体を含んでよい。それに続いてS前駆体溶液(例えば、TOP溶液中のS)を、PbSeナノワイヤ及びPb前駆体溶液を含むコア/シェル成長溶液に加える。次に、コア/シェル成長溶液をPbSシェルを生成させるために十分な温度に加熱する。1つの態様において、PbSシェルは、コア/シェル成長溶液を約130℃の温度に加熱することにより生成させることができる。上記の合金を形成させる方法よりも低い加熱温度を使用することにより、コアとシェルの間の拡散量は最小化され、コア/シェル配置はそれにより維持される。さらなる態様において、Pb及びS前駆体溶液の添加は、PbSシェルの厚さを増すために複数回繰り返すことができる。他の処理が本発明で考慮される。
1つの実験例において、PbSe/PbSコア/シェルナノワイヤの合成が、0.3mlのPb前駆体溶液及び0.1mlのS前駆体溶液(0.063g/2mlTOP)をPbSeナノワイヤを含むコア/シェル成長溶液に、ゆっくりと加えることにより実施された。Pb前駆体溶液を最初に加え、次に、3分の待機時間の後、S前駆体溶液を0.3ml/分の速度で加える。PbSeナノワイヤに加えて、コア/シェル成長溶液は2mlのDPE及び2mlのTOPを含み、200℃に25分間加熱することにより精製された。Pb及びS前駆体の添加後、その溶液を130℃に加熱した。PbSe/PbSコア/シェルナノワイヤ生成物は、図2Bに示したように、約11nmの厚さを有した。本発明者らは、シェルの厚さ、及びそれによりナノワイヤの厚さを、前駆体の濃度を変更することにより調節できることを認めている。
図6は、前述の例にしたがって製作されたコア/シェルナノワイヤのXRDスペクトルである。示されているように、2組のピークが、XRDパターン中で同定され、その結果2つの異なった結晶構造(即ちPbSe及びPbSの結晶構造)の存在が示されている。XRD測定は、試料を精製してPbSe/PbSコア/シェルナノワイヤを抽出した後実施された。試料は、洗浄して、選択的沈殿により精製した(PbSナノ結晶がシェル成長中に形成された)。
さらに、本発明の方法は、PbSeコアとPbTeシェルとを含むコア/シェルナノワイヤを製造することも指向している。図10を参照すると、PbSe/PbTeコア/シェル材料の合成は、本質的に2段階合成であり、PbSeナノワイヤは第1段階で調製され、シェルは第2段階で成長した。PbSeナノワイヤコアは、上記の及び図7に示された合成方法にしたがって調製することができる。PbTeシェルを調製するためには、Pb前駆体溶液が調製され、次にTe前駆体がPb前駆体に加えられてPbTe溶液を生成させる。上と同様に、Pb前駆体溶液は、オレイン酸鉛錯体を含んでいてよく、また、Te前駆体は、Te及びTOPを含んでいてよい。Te前駆体は、PbTeシェルに代わる自己核生成即ちPbTeナノ結晶の形成を防止するために、滴下して又は低濃度で加えることができる。下記のように、自己核生成はPbSeナノワイヤの表面積が大きくなるほどより重要な問題になる。
PbTe溶液を形成させた後、PbSeナノワイヤ上にPbTeシェルを形成させるために、PbTe溶液をPbSeナノワイヤを含むコア/シェル成長溶液に加える。コア/シェル成長溶液は、150℃より上の温度に、又は特に約190℃に加熱することができる。上記の方法のように、コア/シェル成長溶液は、TOP及びDPEを含むことができる。
1つの実験例において、シェルの成長は、2mlのTOP中に0.07mgのPb(合金のために使用されたものと同じPb前駆体溶液)及び0.063gのTeを添加することにより実施される。Pb溶液は、140℃に10分間加熱することにより乾燥して、それから冷却した。室温に冷却後、Te溶液を滴下した。このPbTe溶液を、次に、2mlのTOP、2mlのDPE及び20mgのPbSeナノワイヤを含むコア/シェル成長溶液(190℃で)に、ゆっくりと加えた。全ての前駆体を加えた後、反応物を130℃でさらに7分間アニールしてから室温に冷却した。生成物を分離するために、2mlのトルエン及び2mlのエタノールを溶液に加え、次にそれを5分間遠心分離した。
上の実験例で、図3に示すPbSe/PbTeコア/シェルナノワイヤが生成した。PbSe/PbTeコア/シェルナノワイヤは、PbTeシェルコーティングを加える前の太さが約8nmであったのに対して、40nmの最終太さを有していた。シェル厚さは、Pb及びTe前駆体溶液の濃度を変化させることにより、調節することができる。その結果、PbTeシェルは、約5ないし約30nmの厚さを有することができ、また、コア/シェルナノワイヤは、約10ないし約45nmの太さを有することができる。シェル厚さは、PbSeコアの物理的及び光学的性質に強く影響し、その結果、シェル厚さは最良のナノワイヤ性能を生じさせるために最適化することができる。
上で論じたように、PbSe上へのPbTeシェル材料のコーティングは、PbSシェルと比較してより高温で実施される。具体的な例で、PbSシェルは、130℃に加熱されたコア/シェル成長溶液中で形成されるのに対して、PbTeシェルは、190℃に加熱されたコア/シェル成長溶液中で形成される。これはPbTeに対する、より高い格子不整合(PbTe5.5%対PbS3.0%)に一部は基づく。このより高い格子不整合が理由で、PbSeコア上に均一なPbTeシェルを成長させるためには、より高い温度が求められる。調製ステップは、望ましくない副反応(例えばPbTeの自己核生成)を抑制するために最適化することもできる。PbSeナノワイヤが大きい表面積を有するとき、コア表面上におけるシェル材料のクラスター及び島を形成する可能性のために、シェル形成が困難であることがある。先の実験例において、本発明者らは、溶液を130℃で7分間アニールすることにより、可能性のあった望ましくないクラスター形成を最小化して、均一及び単一の結晶性シェルコーティングを形成した。
本明細書においては、本発明を説明し及び明確にする目的で、用語「実質的に」及び「約」は、任意の定量的な比較、値、測定値、又は他の表現に属すると考えられる固有の不確実性の程度を表すために使用していることに特に言及しておく。本明細書において、用語「実質的に」及び「約」は、定量的な表現が、論点にある主題の基本的機能に変化を生ずることなく、示された基準から変化することができる程度を表すためにも使用される。
本発明を詳細に説明したので、また、その具体的実施形態を参照することにより、特許請求の範囲で規定した本発明の範囲から逸脱することなく、改変及び変形が可能であることは明かであろう。より具体的に、本発明の幾つかの態様は本明細書中で明確化され且つ図面中に例示されているが、本発明は、本発明のこれらの態様に必ずしも限定されないことが意図されている。

Claims (9)

  1. PbSeナノワイヤを提供する工程、
    Pb前駆体溶液をY前駆体溶液と混合することによりPbY溶液(式中、Y=S又はTe)を生成させる工程、
    前記PbSeナノワイヤを成長溶液に周囲温度で加える工程、
    PbSeナノワイヤを加えた後の成長溶液を少なくとも約150℃の温度に加熱する工程、及び
    PbSeナノワイヤを含む加熱された成長溶液に前記PbY溶液を加えることによりPbSex1-xナノワイヤ合金を生成させる工程
    を含む、PbSex1-xナノワイヤ合金(式中、Y=S又はTe)の製造方法。
  2. 遠心分離によって前記加熱された成長溶液から前記PbSex1-xナノワイヤ合金を分離する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 遠心分離によってPbSeYナノワイヤを分離する前に、前記成長溶液を加熱する工程、該成長溶液を冷却する工程、ヘキサンを該成長溶液に加える工程、又はそれらの組み合わせをさらに含む、請求項2に記載の方法。
  4. PbSeナノワイヤを加えた後の成長溶液が約190℃〜約200℃の温度に加熱される、請求項1に記載の方法。
  5. PbYが前記成長溶液にある速度で滴下される、請求項1に記載の方法。
  6. 前記成長溶液がトリオクチルホスフィン(TOP)とジフェニルエーテル(DPE)を含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記Y前駆体溶液が硫黄(S)又はテルル化物(Te)及びトリオクチルホスフィン(TOP)を含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記PbSex1-xナノワイヤ合金がPbSe0.40.6の組成を含み、これはPbSeナノワイヤに加えられるPbSの量を調節することで制御することができる、請求項1に記載の方法。
  9. 前記PbSex1-xナノワイヤ合金が約10nmの厚さを有する、請求項1に記載の方法。
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