RO128498B1 - Procedeu de obţinere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeaşi dimensiune - Google Patents

Procedeu de obţinere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeaşi dimensiune Download PDF

Info

Publication number
RO128498B1
RO128498B1 ROA201101143A RO201101143A RO128498B1 RO 128498 B1 RO128498 B1 RO 128498B1 RO A201101143 A ROA201101143 A RO A201101143A RO 201101143 A RO201101143 A RO 201101143A RO 128498 B1 RO128498 B1 RO 128498B1
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
nanoparticles
light
suspension
particles
semiconductor
Prior art date
Application number
ROA201101143A
Other languages
English (en)
Other versions
RO128498A2 (ro
Inventor
Gabriel Moagăr-Poladian
Original Assignee
Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Microtehnologie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Microtehnologie filed Critical Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Microtehnologie
Priority to ROA201101143A priority Critical patent/RO128498B1/ro
Publication of RO128498A2 publication Critical patent/RO128498A2/ro
Publication of RO128498B1 publication Critical patent/RO128498B1/ro

Links

Landscapes

  • Silicon Compounds (AREA)

Description

Invenția se referă la un procedeu de obținere a nanoparticulelordin materiale semiconductoare, nanoparticulele rezultate în urma aplicării acestui procedeu având toate aceeași dimensiune sau, în anumite situații, având o distribuție foarte îngustă a dispersiei dimensionale a ansamblului de nanoparticule.
Este cunoscut un procedeu de obținere a nanoparticulelor care constă în măcinarea unui material într-o moară cu bile, sau în alt sistem cunoscut.
Este, de asemenea, cunoscută o metodă de obținere a nanoparticulelor care constă în precipitarea acestora în soluție, folosind anumiți reactanți, în urma pocesului respectiv rezultând un coloid/suspensie.
Este, de asemenea, cunoscută o metodă de obținere a nanoparticulelor care constă în depunerea chimică din fază de vapori, pornind de la anumite gaze de lucru.
în F. A. Houle Basic Mechanisms in Laser Etching and Deposition, Applied Physics A, 41, p 315-330, 1986 sunt prezentate mecanismele de bază în corodarea și depunerea cu laser.
K. Zimmer, A. Braun, R. Bohme, Etching of fused silica and glass with excimer laser at 351 nm, Applied Surface Science, Voi. 208-209, p. 199-204, 15 Martie 2003 descrie corodarea silicei și a sticlei topite cu laser excimer la 351 nm.
US 5486264 dezvăluie o tehnică de corodare cu laser a unui substrat semiconductor care este amplasat într-o soluție de corodare.
Dezavantajele procedeului de măcinare sunt:
- particulele care rezultă au dimensiunile cuprinse într-un interval relativ larg de valori, funcția de distribuție a dimensiunii nanoparticulelor fiind de tip Gauss;
- nu se pot obține nanoparticule poroase;
- procesul de măcinare introduce defecte structurale în grăunții nanocristalini formați, ceea ce alterează proprietățile acestora.
Dezavantajele metodei de precipitare în soluție sunt:
- particulele care rezultă au dimensiunile cuprinse într-un interval relativ larg de valori, ceea ce face ca, în aplicațiile în care este necesară utilizarea unui ansamblu de nanoparticule având aceeași dimensiune, să fie necesar un proces de filtrare a acestora după dimensiuni;
- nu se pot obține nanoparticule poroase.
Dezavantajele metodei de depunere chimică din fază de vapori sunt:
- particulele care rezultă au dimensiunile cuprinse într-un interval relativ larg de valori, determinat de condițiile locale de germinare a grăunților nanocristalini;
- nanoparticulele formează un strat depus pe substratul de interes, acestea neputând fi separate și utilizate individual;
- nu se pot obține nanoparticule poroase.
Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în obținerea unor nanoparticulele care au toate aceeași dimensiune sau, în anumite situații, au o distribuție foarte îngustă a dimensiunii. în plus, nanoparticulele obținute au o structură poroasă.
Procedeul conform invenției elimină dezavantajele de mai sus prin aceea că va cuprinde următoarele etape:
- introducerea particulelor de material în lichidul de lucru și agitarea suspensiei astfel rezultate;
- aplicarea luminii asupra suspensiei, astfel încât aceasta să fie luminată cât mai uniform;
- aplicarea la anumite intervale de timp a unor impulsuri scurte de radiație ultravioletă de mică putere, urmărindu-se spectrul de fluorescență emis de particulele din suspensie;
- determinarea dimensiunii particulelor la anumite intervale de timp; și oprirea iluminării la obținerea dimensiunii dorite pentru nanoparticule.
RO 128498 Β1
Procedeul de obținere a nanoparticulelor constă în fotocorodarea chimică umedă în 1 lumină monocromatică. Lichidul în care se află imersate nanoparticulele este inert la întuneric, adică nu atacă nanoparticulele, dar devine activ la iluminarea cu lumină, având anu- 3 mite lungimi de undă. Acest lucru face ca, în cazul materialelor semiconductoare, procesul de fotocorodare să se oprească de la sine, atunci când dimensiunea particulelor a atins o 5 anumită valoare.
Avantajele procedeului propus conform invenției sunt: 7
-toate nanoparticulele rezultateîn urma aplicării procedeului au aceeași dimensiune;
- mărimea nanoparticulelor este riguros controlată de către lungimea de undă a 9 luminii folosite;
- se pot obține nanoparticule cu suprafața poroasă prin simpla alegere a valorii inten- 11 sității luminii incidente;
- nu se introduc defecte structurale; 13
- nanoparticulele sunt procesate individual și în paralel, adică toate nanoparticulele în același timp; 15
- procedeul este compatibil cu oricare dintre tehnicile menționate de obținere a nanoparticulelor; 17
- nanoparticulele pot fi obținute într-un timp scurt, de ordinul zecilor de minute, și în cantitate mare. 19
Procedeul pornește de la o suspensie de particule semiconductoare imersate într-un lichid care, în condiții normale, la întuneric, nu atacă particulele respective. Un exemplu în 21 acest sens îl constituie particulele de silciu imersate în soluție de acid fluorhidric. Aceste particule sunt obținute prin oricare dintre tehnicile în sine cunoscute enumerate mai sus. De 23 asemenea, suspensia respectivă poate fi formată din particule filtrate, adică particule având o dimensiune minimă aleasă de utilizator sau, după caz, din particule având o distribuție 25 oarecare a valorii dimensiunilor, de exemplu, o distribuție de tip Gauss.
Lichidul utilizat nu reacționează cu particulele aflate în suspensie, ci doar la ilumina- 27 rea suspensiei cu o lumină cu o lungime de undă mai mică decât lungimea benzii interzise a materialului semiconductor care intră în compoziția particulelor. 29
Pentru a obține nanoparticule pornind de la această suspensie, se iluminează lichidul respectiv cu lumină monocromatică, lumină ai cărei fotoni au energia mai mare sau egală 31 cu lărgimea benzii interzise a materialului semiconductor care intră in compoziția particulelor.
După cum se știe din literatura de specialitate, acest tip de iluminare face ca, în materialul 33 semiconductor, să fie generați purtători de sarcină liberi, care schimbă echilibrul electrochimie la interfața material-lichid. Astfel, apare un proces chimic de corodare a materialului 35 în prezența luminii. în funcție de intensitatea luminii incidente, materialul este porozificat sau, după caz, fotocorodat. De regulă, la intensități mici ale luminii incidente, apare porozificarea, 37 în timp ce, la intensități peste o anumită valoare, dependentă de material și de lungimea de undă a luminii, apare fotocorodarea. 39
După cum este, de asemenea, cunoscut, structura de benzi de energie a nanoparticulelor variază cu dimensiunea acestora, ceea ce face ca și energia necesară creării de pur- 41 tători de sarcină liberi să varieze cu dimensiunea respectivă. Un caz concret este cel al siliciului, care are, în mod normal, o structură de benzi indirectă, în timp ce nanoparticulele 43 de siliciu cu dimensiuni sub 10 nm au o structură de benzi directă. Lărgimea benzii interzise crește cu scăderea dimensiunii particulei. Acesta este și mecanismul folosit de procedeu: 45 suspensia de particule este iluminată cu lumină monocromatică, lumină ai cărei fotoni au energia egală cu Ευ unde Εή este mai mare decât lărgimea benzii interzise a particulelor 47 inițiale. Dacă intensitatea luminoasă este suficient de mare, are loc procesul de fotocorodare a particulelor. Acest procedeu se desfășoară în paralel pentru toate particulele. 49
RO 128498 Β1
Dimensiunea acestora scade ca urmare a fotocorodării, până când structura de benzi de energie a acestora se modifică conform celor menționate mai sus. în momentul în care lărgimea benzii interzise, în cazul nanoparticulelor astfel obținute, depășește cu puțin valoarea E1; procesul defotocorodare se oprește, deoarece lumina nu mai poate genera purtători de sarcină liberi. în acest fel, toate particulele inițiale sunt aduse la aceeași dimensiune. Alegând convenabil lungimea de undă a luminii incidente, se alege astfel dimensiunea finală a nanoparticulelor. Pericolul supra-corodării complete a particulei este astfel inhibat în mod automat, ceea ce reprezintă un avantaj pentru procedeul descris în invenție.
Dacă se pornește de la o suspensie inițială de particule filtrată, de exemplu, care conține numai particule cu dimensiunea peste o anumită valoare d0, la care nu apar încă efectele de modificare a structurii de benzi de energie, atunci toate nanoparticulele obținute la final au aceeași dimensiune și, astfel, au aceleași proprietăți, cum ar fi spectrul de fotoluminescență. Dacă se pornește de la o suspensie inițială de particule nefiltrată, care conțin și particule cu dimensiuni mai mici decât cea care se dorește a fi obținută, atunci suspensia finală de nanoparticule va conține un maximum de concentrație de nanoparticule având dimensiunea dorită urmată de o coadă de concentrație mai redusă, ale cărei dimensiuni sunt situate sub cea dorită.
Dacă se lucrează cu intensități luminoase mici, atunci se obține o porozificare a particulelor respective. O variantă de lucru este cea în care se pornește de la o suspensie inițială filtrată, în care particulele au dimensiunea minimă peste cea care se dorește a fi obținută și în care se face mai întâi un proces de fotocorodare la intensitate mare a luminii incidente, rezultând astfel o micșorare a particulelor până la o dimensiune intermediară, după care se scade intensitatea și, după caz, se crește energia fotonilor incidenți, astfel încât particulele intermediare să fie porozificate. Porozificarea se poate face total, adică în întreg volumul nanoparticulei, sau parțial, în acest al doilea caz rezultând o nanoparticulă având un nucleu compact învelit într-un strat porozificat.
Intensitatea luminoasă poate fi constantă pe durata procesului sau variată în timp după o anumită lege.
Deoarece se pornește de la particule având dimensiuni inițiale de ordinul micronilor sau zecilor de microni, procedeul de aducere al acestora la dimensiunea dorită este foarte scurt, de ordinul minutelor sau al zecilor de minute, după caz. De asemenea, deoarece este iluminată toată masa de suspensie în același timp, rezultă căse poate obține, în acest fel, o cantitate mare de nanoparticule într-un timp relativ scurt, ceea ce face ca procedeul să fie aplicabil pe scară industrială. Se poate lucra cu o suspensie statică sau cu una aflată în flux, după caz.
Fasciculul de lumină poate ilumina total sau parțial suspensia, și poate fi fix sau poate baleia volumul suspensiei, după caz. Fasciculul de lumină este monocromatic, lungimea sa de undă putând fi fixă sau variată, după nevoi, și având valori cuprinse între 190 nm și 2000 nm. De asemenea, fasciculul de lumină aplicat suspensiei poate fi coerent, parțial coerent sau necoerent, poate fi polarizat, parțial polarizat sau nepolarizat, intensitatea sa la nivelul suspensiei putând fi variată, după nevoi, între 1 pW/cm2 și 100 MW/cm2. De asemenea, fasciculul poate fi de tip undă continuă sau în impulsuri, durata impulsurilor fiind cuprinsă între 1 fs și 1 s, frecvența de repetiție a acestora fiind cuprinsă înre 0,1 Hz și 1 GHz.
în realitate, poată să mai apară o supra-corodare datorată stărilor de suprafață existente în cazul nanoparticulei, chiar dacă lărgimea benzii interzise este mai mare decât energia fotonilor incidenți. Este de așteptat ca acest efect să fie mic în comparație cu absorbția de volum, și ca, astfel, nanoparticulele respective să nu fie corodate complet. Este posibil să aibă loc o porozificare a suprafeței lor. Rezultatul poate fi faptul că, în loc să avem
RO 128498 Β1 un ansamblu de nanoparticule având toate riguros aceeași dimensiune, dimensiunea 1 acestora să aibă, în realitate, o distribuție foarte îngustă având maximumul distribuției la dimensiunea dorită. Ceea ce este important, alături de lungimea de undă a luminii incidente 3 și de intensitatea acesteia, este timpul de iluminare și, respectiv, modul de variație al intensității luminoase pe durata procesului. Acestea pot reduce supracorodarea datorată stărilor de 5 suprafață, mai ales dacă se lucrează în flux. De asemenea, pentru a reduce stratul porozificat în mod neintenționat, se poate aplica un flash cu o energie a fotonilor mai mare decât 7 lărgimea benzii interzise a nanoparticulelor, astfel încât stratul porozificat să fie corodat fără a afecta restul particulei. 9
Pentru a estima timpul de iluminare este util să se facă anumite calibrări. Acestea se pot realiza astfel: se pornește de la o suspensie de particule filtrate atât ca dimensiune 11 maximă cât și ca dimensiune minimă, preferabil fiind ca variația dimensiunii în cadrul ansamblului să nu depășească +/-1% față de valoarea centrală. Această suspensie este supusă 13 procedeului de fotocorodare la diferite lungimi de undă și la diferite intensități. Din timp în timp se prelevează eșantioane din suspensie și se determină dimensiunea nanoparticulelor 15 pin metode în sine cunoscute.
De asemenea, din timp în timp, se pot aplica impulsuri de radiație ultravioletă, pentru 17 a verifica spectrul de emisie prin fotoluminescență al particulelor și a determina, astfel, dimensiunea la care acestea au ajuns pe durata procesului. Din datele respective, se poate 19 determina dacă procesul trebuie să continue sau poate fi oprit.
Se dau, în continuare, 2 exemple de realizare a invenției. 21
Exemplul 1
Astfel, considerăm o suspensie de particule de siliciu, obținute prin măcinare în 23 Argon, particulele fiind filtrate după dimensiune în așa fel încât toate particulele sunt mai mari de 10 pm. Aceste particule de siliciu se află într-o soluție de acid fluorhidric 50%. Aceste 25 particule trebuie reduse în dimensiune până la aproximativ 10 nm, atunci când pot să emită lumină vizibilă, prin fotoluminescență, cu lungimea de undă de 632 nm. Asupra suspensiei 27 se aplică un fascicul laser cu o lungime de undă de 640 nm și o intensitate de 20 W/cm2.
Acesta este menținut constant un anumit interval de timp, pe durata căruia se aplică impui- 29 suri de radiație ultravioletă de mică putere și se măsoară spectrul de fotoluminescență.
Atunci când apare fotoluminescență la lungimea de 650 nm, procesul mai este continuat 31 pentru 2 s.
Exemplul 2 33
Un alt exemplu de realizare este cel în care se dorește obținerea unor nanoparticule de siliciu cu dimensiunea de 10 nm, dar care să aibă un strat poros de aproximativ 2 nm. în 35 acest caz, se procedează ca în exemplul anterior, după care intensitatea luminii incidente este scăzută la 1 mW/cm2 și este aplicată pentru o durată de 0,5 s. 37

Claims (4)

  1. Revendicări
    1. Procedeu de obținere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeași dimensiune conform invenției, caracterizat prin aceea că va consta din următorii pași:
    - introducerea particulelor de material semiconductor în lichidul de lucru și agitarea suspensiei astfel rezultate;
    - aplicarea luminii asupra suspensiei, astfel încât suspensia să fie iluminată cât mai uniform;
    - aplicarea, la anumite intevale de timp, a unor impulsuri scurte de radiație ultravioletă, de mică putere, urmărindu-se spectrul de fluorescență emis de către particulele din suspensie;
    - determinarea dimensiunii particulelor la anumite intervale de timp;
    - dacă sunt necesare particule cu exterior porozificat, atunci se efectuează varierea intensității luminii aplicate în timp, de exemplu prin scăderea acesteia, astfel încât să se obțină nanoparticule cu porozitate totală, în întreg volumul nanoparticulei, sau parțială, stratul poros fiind situat la suprafața nanoparticulei și având o grosime și o porozitate determinate de condițiile de lucru, cum arfi intensitatea luminii incidente, lungimea de undă a acesteia, durata de iluminare și modul de variație în timp al intensității luminii incidente;
    - oprirea iluminării în momentul în care este obținută dimensiunea dorită a nanoparticulelor;
    - separarea nanoparticulelor din lichidul de lucru prin metode în sine cunoscute, putând fi introduse ulterior într-un alt lichid.
  2. 2. Procedeu de obținere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeași dimensiune conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că lumina folosită în timpul procesului de obținere a nanoparticulelor semiconductoare are următoarele caracteristici:
    - nu reacționează cu particulele aflate în suspensie, la întuneric;
    - reacționează cu particulele aflate în suspensie la iluminarea cu lumină cu o lungime de undă mai mică decât lungimea de undă corespunzătoare lățimii benzii interzise a nanoparticulelor care se obțin.
  3. 3. Procedeu de obținere a nanoparticulelor semiconductoare conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că particulele de material sunt selectate dintre materialele semiconductoare elementare, cum arfi siliciul sau germaniul, sau dintre semiconductorii de compuși de tipul A(lll)- B(V), A(ll) - B(VI), A(l) - B(VII), A(l I) - B(IV), A(IV) - B(VI), A(IV) - B(IV), A(ll) - B(V).
  4. 4. Procedeu de obținere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeași dimensiune conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că lumina folosită în timpul procesului de obținere a nanoparticulelor semiconductoare are următoarele caracteristici:
    - lungimea de undă mai mică sau egală cu lungimea de undă corespunzătoare lățimii benzii interzise a nanoparticulelor care se doresc a fi obținute;
    - lungimea de undă poate varia în timp, având valori cuprinse între 190 nm și 2000 nm;
    - lumina aplicată suspensiei poate avea orice grad de coerență, preferată fiind cea de coerență redusă;
    - intensitatea luminii la nivelul suspensiei poate fi variată, după nevoi, între 1 pW/cm2 și 100 MW/cm2;
    - lumina poate avea orice grad de polarizare, preferată fiind lumina nepolarizată;
    - lumina poate fi aplicată în undă continuă sau în impulsuri, durata impulsurilor fiind cuprinsă între 1 fs și 1 s, frecvența de repetiție a acestora fiind cuprinsă între 0,1 Hz și 1 GHz.
ROA201101143A 2011-11-14 2011-11-14 Procedeu de obţinere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeaşi dimensiune RO128498B1 (ro)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201101143A RO128498B1 (ro) 2011-11-14 2011-11-14 Procedeu de obţinere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeaşi dimensiune

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201101143A RO128498B1 (ro) 2011-11-14 2011-11-14 Procedeu de obţinere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeaşi dimensiune

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO128498A2 RO128498A2 (ro) 2013-06-28
RO128498B1 true RO128498B1 (ro) 2017-05-30

Family

ID=48667386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201101143A RO128498B1 (ro) 2011-11-14 2011-11-14 Procedeu de obţinere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeaşi dimensiune

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO128498B1 (ro)

Also Published As

Publication number Publication date
RO128498A2 (ro) 2013-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huisken et al. Light‐emitting silicon nanocrystals from laser pyrolysis
Akcakir et al. Detection of luminescent single ultrasmall silicon nanoparticles using fluctuation correlation spectroscopy
Christodoulou et al. Synthesis of highly luminescent wurtzite CdSe/CdS giant-shell nanocrystals using a fast continuous injection route
Wei et al. Observation of ultrafast exciton–exciton annihilation in CsPbBr3 quantum dots
Vadavalli et al. Optical properties of germanium nanoparticles synthesized by pulsed laser ablation in acetone
Lee et al. Light-driven transformation processes of anisotropic silver nanoparticles
CN107922184B (zh) 发光光子结构、制造发光光子结构的方法和感测化学物质的方法
Jeon et al. Blinking photoluminescence properties of single TiO 2 nanodiscs: interfacial electron transfer dynamics
Chon et al. Shell and ligand-dependent blinking of CdSe-based core/shell nanocrystals
Saitow et al. Enhancement of fluorescence intensity by silicon particles and its size effect
Messina et al. Photoluminescence of carbon dots embedded in a SiO2 matrix
Zhang et al. Femtosecond laser-induced size reduction and emission quantum yield enhancement of colloidal silicon nanocrystals: effect of laser ablation time
CN111934185B (zh) 基于银纳米棒超材料与发光体耦合的随机激光器制作方法
Reale et al. Excitation‐Wavelength‐Tunable Lasing in Individual Quantum Dot Superparticles
Rashed et al. Physical investigations of GaN/porous silicon at different laser wavelengths
Amri et al. Effect of acid vapor etching on morphological and opto-electric properties of flat silicon and silicon nanowire arrays: A comparative study
RO128498B1 (ro) Procedeu de obţinere a nanoparticulelor semiconductoare de aceeaşi dimensiune
Volkov et al. Fluorescence saturation spectroscopy in probing electronically excited states of silver nanoclusters
Sanz et al. Femtosecond dynamics of CdTe quantum dots in water
Zhu et al. Polarization-dependent enhanced photoluminescence and polarization-independent emission rate of quantum dots on gold elliptical nanodisc arrays
Congli et al. Synthesis of porous silicon nano-wires and the emission of red luminescence
Abed et al. Production and characterization of porous silicon via laser-assisted etching as photodetector: Effect of different HF concentrations
Sadighian et al. Rapid sampling during synthesis of lead halide perovskite nanocrystals for spectroscopic measurement
Panfil et al. Room-Temperature Quantum Emission from CuZn–VS Defects in ZnS: Cu Colloidal Nanocrystals
KR101707205B1 (ko) 다공성 은(Ag)막 구조체의 제조 방법 및 그 구조체를 이용한 형광 신호 측정 방법