WO2012165117A1 - InPナノ粒子の合成方法およびナノ粒子 - Google Patents

InPナノ粒子の合成方法およびナノ粒子 Download PDF

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WO2012165117A1
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inp
inp nanoparticles
synthesizing
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菊池 信
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富士フイルム株式会社
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    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
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    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • C09K11/70Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing phosphorus

Definitions

  • the present invention relates to a method for synthesizing InP nanoparticles, and nanoparticles synthesized by this synthesis method.
  • the present invention relates to a method for synthesizing InP nanoparticles having both good solution dispersibility and high PL emission intensity, and to this synthesis method. It relates to synthesized nanoparticles.
  • nano-order semiconductor fine particles are used for light-emitting diodes (LEDs), electroluminescence elements, photoelectric conversion elements, and the like.
  • LEDs light-emitting diodes
  • nano-order semiconductor fine particles CdSe, CdS, etc. are used for II-VI group compound semiconductors, and InP, for III-V group compound semiconductors.
  • solvothermal method As a method for synthesizing InP nanoparticles, there is a so-called solvothermal method in which a raw material and an organic solvent are sealed in a reaction vessel in an inert atmosphere, heated with a heater or the like, and reacted at a high temperature and high pressure.
  • heating is performed in an oil bath or the like while passing an inert gas through the flask, and the reaction is performed by injecting the raw material into a high-temperature reaction solution using a syringe.
  • soap method There is a soap method.
  • Patent Documents 1 to 8 describe a synthesis method (manufacturing method) of InP nanoparticles by a solvothermal method and a hot soap method.
  • Patent Document 1 describes the following method as a method for synthesizing InP fine particles.
  • indium isopropoxide In (O
  • Patent Document 2 describes the following method as a method for producing InP nanoparticles.
  • TOPO trioctylphosphine oxide
  • TOP trioctylphosphine
  • the synthesized InP nanoparticles are aggregated with methanol, decanted after centrifugation (step S3), and dispersed in hexane to remove impurities contained in the solution (step S4).
  • hexane is removed from the InP nanoparticles using a rotary evaporator (step S5).
  • the reaction solvent in which InP nanoparticles were dispersed was transferred to a three-necked flask and heated to 175 ° C. Then, after 60 minutes, the heating source is removed from the three-necked flask and heating is terminated (step S7).
  • Patent Document 3 discloses a III-V type semiconductor / SiO 2 type having a core formed of a III-V type semiconductor and a shell formed of SiO 2 and having a core particle size in the range of 1 to 50 nm. Nanoparticles are described. Patent Document 3 describes the following method as a method for producing III-V type semiconductor / SiO 2 type nanoparticles.
  • trioctylphosphine oxide TOPO
  • TOP trioctylphosphine
  • Patent Document 4 discloses a method for synthesizing semiconductor fine particles made of InP.
  • the method for synthesizing semiconductor fine particles comprising InP in Patent Document 4 first, 200 mL of trioctylphosphine as an organic compound and 17.3 g of trioctylphosphine oxide as an organic compound are weighed in a glove box in a dry nitrogen atmosphere. Trioctylphosphine and trioctylphosphine oxide are mixed and stirred for 10 minutes. Let this mixed solution be the mixed solvent A.
  • the raw material solution B was placed in a reaction kettle of a supercritical synthesis autoclave apparatus in a vacuum atmosphere, heated to 350 ° C. over 1 hour with stirring, and then the temperature of the raw material solution B was increased to 350 ° C.
  • the synthesis reaction is carried out by maintaining for 6 hours.
  • the raw material solution B after the synthesis reaction is referred to as a synthesis solution C.
  • the synthetic solution C is cooled by natural heat dissipation, and after the synthetic solution C is cooled to room temperature, the synthetic solution C is recovered in a dry nitrogen atmosphere.
  • the semiconductor fine particles in which the semiconductor microcrystals are made of InP were softly aggregated and precipitated in the collected synthesis solution C.
  • the synthesis solution C is centrifuged at 4000 rpm for 10 minutes, and the semiconductor fine particles are recovered from the synthesis solution C.
  • the collected semiconductor fine particles are redissolved in dehydrated toluene as a redispersion solvent, and the semiconductor fine particles re-dissolved in dehydrated toluene are soft-aggregated and precipitated with dehydrated methanol, and the dehydrated toluene is centrifuged at 4000 rpm for 10 minutes.
  • the semiconductor fine particles containing InP are collected again.
  • Patent Document 5 describes a method for producing InP nanoparticles, and InP nanoparticles are produced according to the following steps S1 to S12.
  • step S1 the organic solvent TOPO (1 g), TOP (8.5 g), hexadecylamine (HDA) (0. 0) is adjusted so that the hexadecylamine (HDA) concentration in the organic solvent is 5 wt%.
  • step S2 the organic solvent TOPO (1 g), TOP (8.5 g), hexadecylamine (HDA) (0. 0) is adjusted so that the hexadecylamine (HDA) concentration in the organic solvent is 5 wt%.
  • step S2 the organic solvent TOPO (1 g), TOP (8.5 g), hexadecylamine (HDA) (0. 0) is adjusted so that the hexadecylamine (HDA) concentration in the organic solvent is 5 wt%.
  • step S2 the organic solvent TOPO (1 g), TOP
  • Trimethylsilylphosphine (0.5 mg) as a P raw material was added to the heated transparent solution using a syringe (step S4), immediately cooled to 210 ° C. and held for 10 minutes. InP nanoparticles are synthesized by the above process (step S5). Moreover, the heat source was removed from the three-necked flask after holding for a predetermined time. The above steps are performed in a glove box inactivated with argon.
  • step S6 30 ⁇ L of the synthesized InP nanoparticles are taken in a sample tube, and 1 mL of hexane and 1 mL of butanol are added thereto to obtain a transparent solution (step S6). Further, 50 ⁇ L of a hydrofluoric acid etching solution (hydrofluoric acid 5%, water 10%, 1-butanol 85% mixed solution) is added to this solution (step S7), and this is left to stand under a xenon lamp (500 W) for 1 hour. Then, the surface treatment of InP nanoparticles is performed (step S8). The above steps are performed in the atmosphere.
  • a hydrofluoric acid etching solution hydrofluoric acid 5%, water 10%, 1-butanol 85% mixed solution
  • step S9 After the surface-treated sample was transferred to a round bottom flask, the solvent was removed by reducing the pressure using a hydraulic rotary pump while heating on a hot plate set at 130 ° C. (step S9). After 1 hour, the round bottom flask was moved into a glove box inactivated with argon gas, and argon gas was injected into the flask. Furthermore, 1 mL of hexane (dry solvent) and 1 mL of butanol (dry solvent) are added to obtain a solution in which InP nanoparticles are dispersed (step S10). After being transferred to the sample bottle, it is completely sealed to form a sealed container (step S11), and the space not filled with the solvent in the sample bottle is filled with argon gas. The sample bottle is irradiated with a xenon (Xe) lamp (500 W) at a light irradiation intensity of 0.3 W / cm 2 for 1 hour (step S12).
  • Xe xenon
  • Patent Document 6 describes a method for producing a nanocrystal having a three-layer structure in which a nanocrystal core is made of InP, a buffer layer is made of Se, and a shell layer is made of ZnS. Patent Document 6 describes the following method as a method for producing a nanocrystal having a three-layer structure. First, 0.07 mmol of indium acetate, 0.3 mmol of oleic acid and 10 g of octadecene are mixed and stirred while maintaining a vacuum up to 120 ° C.
  • the semiconductor nanoparticle phosphor of Patent Document 7 is a semiconductor nanoparticle phosphor having two or more light-emitting regions and a barrier region that exhibit different quantum effects independently, so that the two or more light-emitting regions are separated by the barrier region.
  • the two or more light emitting regions have the same quantum level through the barrier region.
  • Patent Document 7 describes the following method as a method for producing a semiconductor nanoparticle phosphor having an InP / InGaP / InP core-shell structure.
  • an InP core (first light emitting region) is formed as follows. Using a commercially available solvent distillation apparatus, after synthesizing a first solution in which indium chloride and trioctylphosphine oxide (TOPO) dissolved in trioctylphosphine (TOP) solvent were reacted in a heating tank, the temperature of the first solution was adjusted. Raise to 285 ° C. Next, a second solution was prepared by dissolving trimethylsilylphosphine in a TOP solvent, and the second solution was injected into the first solution in the heating tank with a syringe, and the temperature was maintained at 285 ° C.
  • TOPO trioctylphosphine oxide
  • TOP trioctylphosphine
  • an InGaP first shell (barrier region) is formed as follows.
  • the colloidal solution containing InP core particles was again placed in the heating tank, and a mixed solution of indium chloride and gallium chloride (substance ratio: 1: 1) was added to raise the temperature to 285 ° C.
  • the aforementioned second solution is injected into the heating tank with a syringe and maintained at 285 ° C., and cooling, purification and isolation operations are performed to collect a colloidal solution in which a GaInP shell is formed on the surface of the InP core.
  • the collected colloid solution is washed with an organic solvent after performing the above-described etching treatment.
  • the InP second shell (second light emitting region) is formed as follows.
  • the colloidal solution containing InP core / GaInP shell particles was placed in a heating bath three times and the same operation as in InP core formation was performed except that the holding temperature was set to 300 ° C., and the colloidal solution in which the InP shell was formed on the GaInP shell surface was recovered. .
  • the collected colloid solution is washed with an organic solvent after performing the above-described etching treatment. By the above operation, the semiconductor nanoparticle phosphor described above is obtained.
  • the autoclave is transferred to an electric furnace and kept at 75 ° C. for 1 hour, and then heated to 180 ° C. to grow nanoparticles in 24 hours to obtain a nanoparticle dispersion.
  • a nanoparticle dispersion 10 ml of toluene and 6 ml of methanol are added, and after sufficient stirring, the mixture is centrifuged for 10 minutes, and after centrifugation, the transparent supernatant is taken out to obtain a by-product after reaction with InP nanoparticles. Isolate.
  • nanoparticles having different particle diameters are taken out by a size selective precipitation method to obtain InP nanoparticles.
  • Patent Document 8 also discloses a method of manufacturing semiconductor nanoparticles having a core / shell structure in which a zinc sulfide shell is formed on InP nanoparticles using ultraviolet light irradiation.
  • Patent Documents 1 to 8 disclose methods for producing or synthesizing InP nanoparticles, in these methods for producing or synthesizing, the temperature during production or synthesis is as high as 170 ° C. to 350 ° C. It is presumed that the particles are aggregated during particle formation, and even when trying to disperse the obtained InP nanoparticles in toluene or hexane, the InP nanoparticles settled over time, and the dispersibility of the InP nanoparticles is reduced. bad. For this reason, it is difficult to produce a uniform photoelectric conversion material coating film using InP nanoparticles. InP nanoparticles (semiconductor fine particles) obtained by the InP nano particle (semiconductor fine particle) production (synthesis) method disclosed in Patent Documents 1 to 8 have insufficient PL (photoluminescence) emission intensity. .
  • An object of the present invention is to provide a method for synthesizing InP nanoparticles that solves the above-described problems based on the prior art and achieves both good solution dispersibility and high PL emission intensity, and nanoparticles synthesized by this synthesis method. It is in.
  • a first aspect of the present invention is a method for synthesizing InP nanoparticles using indium trichloride (anhydrous) as an In raw material and using trisdimethylaminophosphine as a P raw material. It has a synthesis step of synthesizing InP nanoparticles by heating a mixture obtained by mixing raw materials, P raw materials, an organic solvent having a boiling point of 170 ° C. or higher, and a particle surface ligand to a temperature of 150 ° C. or higher and lower than 170 ° C.
  • the particle surface ligand is an aliphatic amine having 18 or more carbon atoms, and provides a method for synthesizing InP nanoparticles.
  • the InP nanoparticle is preferably a primary aliphatic amine having a particle surface ligand of 18 or more carbon atoms, and preferably has a heat synthesis time of 30 to 360 minutes.
  • a nanoparticle characterized by being synthesized by the method for synthesizing InP nanoparticles according to the first aspect of the present invention.
  • the third aspect of the present invention is a core-shell structure having a core composed of InP nanoparticles synthesized by the method of synthesizing InP nanoparticles according to the first aspect of the present invention, and a shell covering the core.
  • the present invention provides nanoparticles characterized by the above.
  • InP nanoparticles having both good solution dispersibility and high PL emission intensity can be synthesized even if the temperature during synthesis is lower than that of the conventional one. Furthermore, the synthesized InP nanoparticles have high PL emission intensity and can be used as a photoelectric conversion material for optical devices, and can be used for electroluminescence elements, photoelectric conversion elements (solar cells), and the like. In addition, since the synthesized InP nanoparticles have good solution dispersibility, a uniform photoelectric conversion material coating film can be produced using InP nanoparticles, and a coating-type electroluminescent device and solar cell Can be applied to.
  • reaction vessel for synthesizing the InP nanoparticles of this embodiment either a pressure-resistant reaction vessel (autoclave) used in the solvothermal method or a glass flask used in the hot soap method may be used.
  • the particle synthesis reaction is carried out in an inert atmosphere at a high temperature (maximum temperature is 150 ° C. or higher and lower than 170 ° C.).
  • InP nanoparticles are produced in an atmosphere that substantially excludes moisture and oxygen.
  • an atmosphere in which moisture and oxygen are substantially excluded from the time when raw materials, organic solvents, and particle surface ligand species, which will be described later, are filled into the sealed container until the particle synthesis is completed and the reaction product is taken out from the sealed container.
  • the atmosphere in which moisture and oxygen are substantially excluded is, for example, a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of less than 0.5 ppm and a moisture concentration of less than 1 ppm. Note that there is no particular limitation on an apparatus or the like for obtaining an atmosphere in which moisture and oxygen can be substantially eliminated.
  • a raw material and an organic solvent are used for manufacture of InP nanoparticles.
  • an In compound and a P compound are used.
  • particle surface ligand species described later are further added to the raw material and the organic solvent. Functions of the particle surface ligand species are particle surface protection (antioxidation and aggregation prevention) and particle surface passivation (inactivation of dangling bonds).
  • InP nanoparticles having a particle surface ligand (ligand) formed on the surface are produced by the particle surface ligand species.
  • a mixed solution of an In compound, a P compound, an organic solvent, and a particle surface ligand is used, for example, an autoclave with a belt drive type agitator, or a magnetic stirrer.
  • InP nanoparticles are synthesized by heating with stirring using a flask.
  • the inside of the autoclave and flask closed vessel is an inert atmosphere (nitrogen atmosphere or argon atmosphere) that substantially excludes moisture and oxygen
  • the synthesis of InP nanoparticles is an inert atmosphere that substantially excludes moisture and oxygen. Made in an atmosphere.
  • the autoclave and flask are preferably sealed in an inert atmosphere and heated in a sealed state, but may be heated while venting an inert gas. However, heating in a sealed state using a glass flask to a temperature higher than the boiling point of the organic solvent should be avoided.
  • the InP nanoparticles are synthesized under conditions of a temperature of 150 ° C. or more and less than 170 ° C.
  • the heating synthesis time for heating at a temperature of 150 ° C. or higher and lower than 170 ° C. is preferably 30 minutes to 360 minutes.
  • the heating synthesis time is a time during which the temperature is maintained after the temperature is raised to a temperature of 150 ° C. or higher and lower than 170 ° C.
  • the reaction product obtained from this synthesis is taken out of the autoclave and, for example, using a centrifuge, toluene or octane is used as a good solvent, and centrifugation is repeated using dehydrated ethanol, which is a poor solvent, to obtain a product.
  • a surface treatment of InP nanoparticles by adding a solution containing hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid before finally dispersing InP nanoparticles in a dispersion solvent. It is considered that dangling bonds on the surface of the InP particles are removed by the surface treatment of the InP nanoparticles.
  • Appl. Phys. Lett. 68 (96) 3150 and J.H. chem. Phys. 123,084706 (2005) describes that dangling bonds on the surface of InP particles are removed by surface treatment of InP nanoparticles.
  • the PL emission intensity of the InP nanoparticles of the present invention is improved by the particle surface treatment using the above-described hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid.
  • UV light ultraviolet light
  • UV lamp ultraviolet light lamp
  • UV lamp ultraviolet light lamp
  • UV lamp ultraviolet light lamp
  • UV lamp ultraviolet light lamp
  • the irradiation time of ultraviolet light (UV light) is at least 10 minutes, preferably 30 minutes or more, more preferably 60 minutes or more.
  • the PL emission intensity is improved by this ultraviolet light (UV light) irradiation.
  • the average particle size of InP nanoparticles is preferably 1 to 10 nm, and more preferably 3 to 10 nm.
  • the average particle diameter can be determined by, for example, direct observation using a transmission electron microscope, dynamic scattering, or the half width of an X-ray diffraction peak (Debye-Scherrer equation).
  • the average particle size of InP nanoparticles is preferably determined by directly observing at least 20, preferably at least 100 particles with a transmission electron microscope, and calculating the arithmetic average thereof.
  • Indium trichloride anhydrous
  • Trisdimethylaminophosphine is used as the raw material P compound (P supply source).
  • a nonpolar solvent having a boiling point of 170 ° C. or higher is used as the organic solvent.
  • nonpolar solvents include aliphatic saturated hydrocarbons such as n-decane, n-dodecane, n-hexadecane, and n-octadecane, 1-undecene, 1-dodecene, 1-hexadecene, 1-octadecene, and the like.
  • examples of the aliphatic unsaturated hydrocarbon and trioctylphosphine include aliphatic unsaturated hydrocarbons having 12 or more carbon atoms, and more preferably 1-octadecene. Note that by using an organic solvent having a boiling point of 170 ° C. or higher, the particles are less likely to aggregate during the formation of the particles, and the solution dispersibility of the InP nanoparticles becomes better.
  • an aliphatic amine having 18 or more carbon atoms is used as the particle surface ligand species (surfactant) for forming the surface ligand (ligand) of InP nanoparticles.
  • the carbon chain may have a saturated or unsaturated bond, and may be linear or branched, but preferably has a long carbon chain, and a long chain aliphatic amine is preferably used. It is done. Further, primary aliphatic amines having 18 or more carbon atoms are particularly preferably used.
  • Examples of the primary aliphatic amine having 18 or more carbon atoms include C 18 H 37 NH 2 , C 19 H 39 NH 2 , C 20 H 41 NH 2 , C 21 H 43 NH 2 , C 22 H 45 NH 2 , such as C 18 H 39 NH 2, C 19 H 41 NH 2, C 20 H 43 NH 2, C 21 H 45 NH 2, C 22 H 47 NH 2 and the like.
  • the particle surface ligand species are coordinated to the surface of InP nanoparticles.
  • the particle surface ligand species are changed to dodecylamine, tetradecylamine, hexadecylamine, oleylamine, trioctylamine, or eicosylamine
  • the PL emission intensity increases.
  • the PL emission intensity is remarkably increased when the number of carbon atoms of the particle surface ligand species is from 16 or less to 18.
  • the core-shell structure nanoparticle which made InP nanoparticle a core may be sufficient.
  • the shell is made of, for example, ZnS, ZnO, InGaZnO or the like, and ZnS is preferably used.
  • a nanoparticle surface ligand (coordination) composed of an aliphatic amine having 18 or more carbon atoms or a primary aliphatic amine having 18 or more carbon atoms. There may be a child).
  • the average particle size of the core-shell structured nanoparticles is preferably 1 to 10 nm, and more preferably 3 to 10 nm. Since the method for obtaining the average particle diameter can use the same method as that of the above-mentioned InP nanoparticles, a detailed description thereof is omitted.
  • the average particle size is obtained by directly observing at least 20, preferably at least 100 particles with a transmission electron microscope, and calculating the arithmetic average thereof. It is preferable.
  • the method for synthesizing the core-shell structured nanoparticles is the same as the method for synthesizing InP nanoparticles described above until the step of stirring the mixed solution of the raw material, the organic solvent, and the particle surface ligand (particle surface ligand species). For this reason, the detailed description is abbreviate
  • the stirring of the mixed solution is completed, the autoclave or the flask is sufficiently cooled.
  • the reaction product is obtained by holding at a predetermined temperature for a predetermined time, for example, 180 ° C. for 1 hour.
  • the reaction product is taken out from the autoclave or flask, and, for example, using a centrifuge, toluene or octane is used as a good solvent, and dehydrated ethanol, which is a poor solvent, is used, as in the above-described method for synthesizing InP nanoparticles.
  • a centrifuge By centrifuging repeatedly to wash the product, unreacted products and by-products are discarded, InP nanoparticles are extracted, and dispersed in a dispersion solvent such as octane.
  • the octane solution containing the particles is distilled under reduced pressure using, for example, a rotary evaporator to completely remove ethanol.
  • an octane dispersion containing the synthesized core-shell structured nanoparticles is obtained.
  • core-shell structured nanoparticles are produced.
  • the InP nanoparticles and the core-shell structured nanoparticles of the present embodiment have both good solution dispersibility and high PL emission intensity, and can be used as photoelectric conversion materials for optical devices. Since the InP nanoparticles and the core-shell structured nanoparticles have good solution dispersibility, it is possible to produce a uniform photoelectric conversion material coating film using InP nanoparticles, and further, the PL emission intensity is high, Since it is a quality crystal
  • both the InP nanoparticles and the core-shell structured nanoparticles can be used, for example, in a light emitting layer of an electroluminescence element and a light absorption layer (photoelectric conversion layer) of a solar cell.
  • a light emitting layer of an electroluminescence element and a light absorption layer (photoelectric conversion layer) of a solar cell.
  • the electroluminescence element can be configured, for example, as a substrate / transparent electrode / hole transport layer / light emitting layer / electron transport layer / back electrode disclosed in JP-A-2003-257671.
  • all the layers constituting the electroluminescent element can be formed by a coating method (wet), so that a large area can be manufactured at high speed and at low cost. .
  • transparent electrode / positive electrode interface layer ensuring smoothness
  • light absorption layer / back electrode It can be configured.
  • all the layers constituting the solar cell can be formed by a coating method (wet method), so that a large area can be manufactured at high speed and at low cost.
  • the present invention is basically configured as described above. As described above, the method of synthesizing InP nanoparticles and the nanoparticles of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements or modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course it is also good.
  • samples 1 to 22 of nanoparticles shown in Table 1 below were synthesized using the methods shown below, and each sample 1 to 22 was evaluated for solution dispersibility and PL emission intensity.
  • sample 1 using an autoclave with a belt drive stirrer manufactured by AKICO, InP nanoparticles were synthesized by the following method. First, the inside of the autoclave is made a nitrogen atmosphere (oxygen concentration less than 0.5 ppm, moisture concentration less than 1 ppm).
  • the mixed liquid in the autoclave was heated with a heating wire heater for autoclave while stirring the mixed liquid with an agitator.
  • the mixture was heated from room temperature to 140 ° C. (maximum heating temperature) with a heating wire heater for autoclave, held for 180 minutes, and then cooled.
  • the time of heating and holding (heating synthesis time) is the “holding time” in Table 1 below.
  • reaction product is removed from the well-cooled autoclave, and the product is washed by repeatedly centrifuging using toluene or octane as a good solvent and dehydrated ethanol as a poor solvent using a centrifuge. Unreacted substances and by-products are discarded and InP nanoparticles are extracted. Finally, before extracting the nanoparticles, 0.1 ml of a buffered hydrofluoric acid solution (HF 22% by volume) was added to the precipitate, and the nanoparticles were subjected to a surface treatment for 1 minute.
  • a buffered hydrofluoric acid solution HF 22% by volume
  • the synthesized nanoparticles extracted at the end were subjected to ultrasonic dispersion by adding octane to the precipitate, and the remaining ethanol was removed by distillation under reduced pressure using a rotary evaporator to obtain an octane dispersion. Further, the octane dispersion containing the synthesized nanoparticles was irradiated with UV light (ultraviolet light) having a wavelength of 365 nm for 60 minutes with a UV lamp (6 W).
  • UV light ultraviolet light
  • the solution dispersibility was evaluated by aging the octane dispersion containing the synthesized nanoparticles without stirring and estimating the number of days until the nanoparticles naturally settled.
  • the time until the nanoparticles settle and separate from the supernatant solution is defined as “D” when the time is within 1 day, “C” when within 7 days, and within 30 days.
  • the thing which was set as "B” and did not settle for 30 days or more was set as "A”.
  • the half width of PL (photoluminescence) emission intensity was obtained by measuring the fluorescence spectrum of the octane dispersion containing the synthesized nanoparticles using light having an excitation wavelength of 400 nm at room temperature.
  • the InP nanoparticles of Samples 2 to 21 indicate the maximum heating temperature, retention time (heating synthesis time), organic solvent species, particle surface ligand species, presence / absence of buffered hydrofluoric acid treatment, and presence / absence of UV light irradiation during particle synthesis.
  • the sample was manufactured by the same synthesis method as Sample 1 described above, except that it was changed as shown in Table 1. Therefore, detailed description of the synthesis method of Samples 2 to 21 is omitted.
  • the evaluation of the solution dispersibility and PL emission intensity of each of Samples 2 to 21 was performed in the same manner as Sample 1, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the mixed liquid in the autoclave was heated with a heating wire heater for autoclave while stirring the mixed liquid with an agitator.
  • the mixture was heated from room temperature to 160 ° C. (maximum heating temperature) with a heating wire heater for autoclave, held for 180 minutes, and then cooled.
  • the sufficiently cooled autoclave is opened, and further mixed with 4.6 mmol of anhydrous zinc acetate and 4.6 mmol of 1-dodecanethiol in the mixed solution in the autoclave to obtain a second mixed solution, and the autoclave is sealed. did. And the 2nd liquid mixture was heated at 180 degreeC for 60 minute (s), and the reaction material was obtained. Thereafter, in the same manner as the InP nanoparticle synthesis method of Sample 1, the nanoparticles were extracted and dispersed as described above to obtain InP / ZnS core-shell particles of Sample 22. As a result of observing the InP / ZnS core-shell particles of Sample 22 with HR-TEM (High Resolution Transmission Electron Microscope), the average particle size of the obtained InP / ZnS core-shell particles of Sample 22 was 6 nm.
  • Samples 2, 3, Samples 7-12 and Samples 15-22 which fall within the scope of the present invention, had good solution dispersibility and high PL emission intensity.
  • Samples 2 and 3 having the same retention time, organic solvent, and particle surface ligand species the higher the maximum heating temperature, the higher the PL emission intensity.
  • Samples 7 to 9 having the same maximum heating temperature, holding time, and organic solvent the secondary aliphatic amine has higher PL emission intensity than the primary aliphatic amine as the particle surface ligand species.
  • the amine has higher PL emission intensity than the secondary aliphatic amine.
  • the primary aliphatic amine has better solution dispersibility.
  • the PL emission intensity tends to increase by performing buffered hydrofluoric acid treatment and UV light irradiation. Since the sample 21 is not irradiated with UV light, the PL emission intensity is lower than that of the sample 3.
  • the sample 21 not subjected to the buffered hydrofluoric acid treatment and the UV light irradiation has a lower PL emission intensity than the sample 20.
  • the PL emission intensity was highest in Samples 1 to 22 by adopting a core-shell structure as in Sample 22.
  • Sample 1 in which the maximum heating temperature is less than the lower limit of the present invention has insufficient PL emission intensity.
  • Sample 4 in which the maximum heating temperature exceeds the upper limit of the present invention has poor solution dispersibility.
  • Sample 5 and Sample 6 whose particle surface ligand species are not aliphatic amines having 18 or more carbon atoms have poor solution dispersibility.
  • Samples 13 and 14 having a boiling point of the organic solvent less than the lower limit of the present invention have poor solution dispersibility.

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Abstract

 In原料として三塩化インジウム(無水)を用い、P原料としてトリスジメチルアミノホスフィンを用いてInPナノ粒子を合成する方法である。In原料、P原料、沸点170℃以上の有機溶媒および粒子表面リガンドを混合して得られた混合液を、150℃以上170℃未満の温度に加熱してInPナノ粒子を合成する合成工程を有する。粒子表面リガンドは、炭素数18以上の脂肪族アミンである。

Description

InPナノ粒子の合成方法およびナノ粒子
 本発明は、InPナノ粒子の合成方法、およびこの合成方法で合成されたナノ粒子に関し、特に、良好な溶液分散性と高いPL発光強度が両立したInPナノ粒子の合成方法、およびこの合成方法で合成されたナノ粒子に関する。
 現在、ナノオーダの半導体微粒子について、種々の研究がなされている。このナノオーダの半導体微粒子は、発光ダイオード(LED)、エレクトロルミネッセンス素子、光電変換素子等に利用される。
 ナノオーダの半導体微粒子としては、II-VI族化合物の半導体ではCdSe、CdSなどが用いられ、III-V族化合物の半導体ではInPなどが用いられる。
 InPナノ粒子の合成方法としては、不活性雰囲気中で原料と有機溶媒を反応容器中に密閉してヒーターなどで加熱し、高温高圧下で反応を行う、いわゆるソルボサーマル法がある。これに以外にInPナノ粒子の合成方法として、フラスコに不活性ガスを通気しながらオイルバスなどで加熱を行い、高温の反応溶液中にシリンジを用いて原料を注入して反応を行う、いわゆるホットソープ法がある。
 特許文献1~8にはソルボサーマル法およびホットソープ法によるInPナノ粒子の合成方法(製造方法)が記載されている。
 特許文献1には、InP微粒子の合成方法として以下の方法が記載されている。
 まず、In原料として、17.6mg(60μmol)のインジウムイソプロポキシド(In(OiPr))と、13.3mg(60μmol)の無水塩化インジウム(InCl)を混合し、ルイス塩基性溶媒であるトリオクチルホスフィン2gに溶解させる。続いてこの溶液に、P原料として、26.3μl(90μmol)のトリス(トリメチルシリル)ホスフィン(P(TMS))を加えて300℃に加熱する。このとき、黄色から濃茶色へと溶液の色の変化が観察される。10分間の加熱によって、InP微粒子を合成した。その後反応溶液を室温まで自然冷却させて、TOP溶媒に分散したInP微粒子の分散液が得られる。
 特許文献2には、InPナノ粒子の製造方法として以下の方法が記載されている。
 まず、配位性有機溶媒であるトリオクチルホスフィンオキサイド(TOPO)とトリオクチルホスフィン(TOP)とを、重量比TOPO:TOP=1:9にて混合し、10mlを3つ口フラスコへ分取した。これにIn原料である塩化インジウム0.6gを導入し、一晩室温で攪拌することで透明溶液を得る(ステップS1)。
 この透明溶液を175℃に加熱し、加熱した透明溶液中にP原料であるトリメチルシリルホスフィン0.5mgをシリンジを用いて添加し、7分間保持する。これにより、InPナノ粒子を合成する。また7分間の保持後には、3つ口フラスコから熱源を取り除く(ステップS2)。
 以上までの全ての操作は、アルゴンで不活性化された雰囲気中で行う。
 次に、合成したInPナノ粒子をメタノールで凝集させ、遠心分離の後にデカンテーションし(ステップS3)、ヘキサンに分散させることで溶液中に含まれる不純物を除去する(ステップS4)。この工程を3回繰り返した後、ロータリーエバポレーターを用いてInPナノ粒子からヘキサンを除去する(ステップS5)。
 TOPOとTOPとを重量比TOPO:TOP=1:9にて混合した反応溶媒10ml中に、洗浄したInPナノ粒子を分散させる(ステップS6)。InPナノ粒子を分散させた反応溶媒を3つ口フラスコに移して175℃に加熱した。そして、60分後に、3つ口フラスコから加熱源を取り除いて加熱を終了させる(ステップS7)。
 特許文献3には、III-V型半導体で形成されたコアとSiOで形成されたシェルとを有し、コアの粒径が1~50nmの範囲であるIII-V型半導体/SiO型ナノ粒子が記載されている。
 特許文献3には、III-V型半導体/SiO型ナノ粒子の製造方法として以下の方法が記載されている。
 まず、三口フラスコ中にトリオクチルホスフィンオキサイド(TOPO)を0.5g、トリオクチルホスフィン(TOP)を4.5g入れ、290℃に昇温する。この中にInClを0.8g、トリスメチルシリルホスフィンを0.75g、TOPOを0.5g、TOPを4.5gの混合液を急速に注入する。この後、温度を270℃で1日保った後、室温まで降温する。この状態で脱水メタノールを滴下し凝集沈殿させ、遠心分離で上澄み液を除去し、ナノ粒子を得る。この際、脱水メタノールの量をコントロールし、メタノール滴下→沈殿→遠心分離を繰り返すことで、ナノ粒子の沈殿凝集物を得、更にピリジンで洗浄して、TOP、TOPOを表面から除去し、5.1nmのInPナノ粒子凝集物が得られる。
 その後、3.7×10-3gのテトラエトキシシラン、0.5mol/LのHClを50ml、50mlのエタノールおよび10-6molのInPナノ粒子凝集物をビーカー中に入れ80℃に昇温し、1時間攪拌する。これにより、粒径5.1nmのInP粒子表面に1.2nmのSiOシェリングを行った10-5Mナノ粒子分散液を得る。
 特許文献4には、InPからなる半導体微粒子の合成方法が開示されている。
 特許文献4のInPからなる半導体微粒子の合成方法においては、まず、乾燥窒素雰囲気のグローブボックス内で、有機化合物としてのトリオクチルホスフィン200mLと有機化合物としてのトリオクチルホスフィンオキシド17.3gとを秤量し、トリオクチルホスフィンとトリオクチルホスフィンオキシドとを混合して10分間攪拌する。この攪拌した後の溶液を混合溶媒Aとする。その後、III族金属元素原料としての三塩化インジウム9.9gと半導体微粒子のV族元素原料であるトリスジメチルアミノホスフィン7.3gとを、グローブボックス内で秤量し、三塩化インジウムとトリスジメチルアミノホスフィンとを、混合溶媒A中に混合する。混合した後、三塩化インジウムとトリスジメチルアミノホスフィンとを含む混合溶媒Aを20℃で加熱しながら10分間攪拌する。この攪拌した後の混合溶媒Aを原料溶液Bとする。
 次に、原料溶液Bを真空雰囲気の超臨界合成用オートクレーブ装置の反応釜に入れ、攪拌しながら、1時間をかけて350℃にまで昇温した後、原料溶液Bの温度を350℃に、6時間維持することで、合成反応を行う。合成反応後の原料溶液Bを合成溶液Cとする。反応工程後に、合成溶液Cを自然放熱により冷却させ、合成溶液Cが室温まで冷却された後、乾燥窒素雰囲気中で合成溶液Cを回収する。
 次に、合成溶液Cに貧溶媒としての脱水メタノールを滴下することにより、回収した合成溶液Cにおいて、半導体微結晶がInPからなる半導体微粒子を軟凝集させ、沈殿させた。その後、合成溶液Cを4000rpmで10分間遠心分離して、合成溶液Cから該半導体微粒子を回収する。回収した半導体微粒子を、再分散溶媒としての脱水トルエンにて再溶解させ、脱水メタノールにより、脱水トルエンに再溶解した半導体微粒子を軟凝集させ、沈殿させ、脱水トルエンを4000rpmで10分間遠心分離して再びInPを含む半導体微粒子を回収する。このような脱水トルエンと脱水メタノールとを用いた上述のような工程を3回繰り返して、半導体微粒子の精製を行ない、精製を行なった後の半導体微粒子を溶解した脱水トルエンを合成溶液Dとする。この合成溶液Dは、不必要な表面修飾剤の遊離物およびInP以外の合成副生成物などが除去された状態であり、このようにしてInPからなる半導体微粒子(以下、InPナノ粒子という)が合成される。
 特許文献5には、InPナノ粒子の製造方法が記載されており、以下に示す工程S1~工程S12に従ってInPナノ粒子が製造される。
 まず、工程S1において、有機溶媒中のヘキサデシルアミン(HDA)濃度が5wt%となるように、有機溶媒であるTOPO(1g)、TOP(8.5g)、ヘキサデシルアミン(HDA)(0.5g)を3つ口フラスコへ分取する。これにIn原料である塩化インジウム(InCl)(1g)を導入し(工程S2)、230℃で30分間攪拌することで透明溶液を得る(工程S3)。
 加熱した透明溶液中にP原料であるトリメチルシリルホスフィン(0.5mg)を、シリンジを用いて添加し(工程S4)、ただちに210℃に降温したのち、10分間保持した。以上のプロセスにより、InPナノ粒子を合成する(工程S5)。また所定時間の保持後には、3つ口フラスコから熱源を取り除いた。以上の工程は、アルゴンで不活性化されたグローブボックス内で行う。
 次に、合成したInPナノ粒子をサンプル管に30μLとり、これに、ヘキサン1mLとブタノール1mLを加えることで透明溶液を得る(工程S6)。更に、この溶液にフッ酸エッチング溶液(フッ酸5%、水10%、1-ブタノール85%混合溶液)50μLを添加し(工程S7)、これにキセノンランプ(500W)下で1時間放置することで、InPナノ粒子の表面処理を行う(工程S8)。以上の工程は大気中で行う。
 次に、表面処理を行ったサンプルを丸底フラスコに移した後、130℃にセットしたホットプレート上で加熱しながら油圧回転式ポンプを用いて減圧することで溶媒を除去した(工程S9)。1時間経過後、アルゴンガスで不活性化したグローブボックス内へ丸底フラスコを移動し、フラスコ内へアルゴンガスを注入した。更に、ヘキサン(乾燥溶媒)1mLとブタノール(乾燥溶媒)1mLを加えることで、InPナノ粒子が分散した溶液を得る(工程S10)。
 サンプル瓶へ移した後完全に密閉して密閉容器とし(工程S11)、サンプル瓶内の溶媒で満たされていない空間はアルゴンガスで満たされている状態とする。上記サンプル瓶に、キセノン(Xe)ランプ(500W)を光照射強度0.3W/cmで1時間照射する(工程S12)。
 特許文献6には、ナノ結晶コアがInPから構成され、バッファ層がSeから構成され、シェル層がZnSから構成される3層構造のナノ結晶の製造方法が記載されている。
 特許文献6には、3層構造のナノ結晶の製造方法として以下の方法が記載されている。
 まず、酢酸インジウム0.07mmol、オレイン酸0.3mmolおよびオクタデセン10gを混合して120℃まで真空を維持しながら撹拌する。250℃でトリス(トリメチルシリル)ホスフィン0.05mmolとオクタデセン1mLを添加して20分反応させる。その後、0.1Mのセレン化トリオクチルホスフィン溶液0.02mLを添加して30分間維持した後、亜鉛、オレイン酸、およびオクタデセンを含む溶液を、亜鉛の添加量が0.2mmolとなるように添加して1時間撹拌しながら反応させる。その後、反応温度を300℃まで上げ、0.4Mの硫化トリオクチルホスフィン溶液1mLを添加して1時間反応させる。このようして、上述の3層構造のナノ結晶を製造する。
 特許文献7の半導体ナノ粒子蛍光体は、単独では異なる量子効果を呈する2以上の発光領域と障壁領域とを有する半導体ナノ粒子蛍光体であって、2以上の発光領域が障壁領域によって隔てられるような積層構造を有し、2以上の発光領域が障壁領域を介して同じ量子準位を有する。
 特許文献7には、InP/InGaP/InPのコアシェル構造による半導体ナノ粒子蛍光体の製造方法として以下の方法が記載されている。
 まず、InPコア(第1発光領域)を以下のようにして形成する。
 市販の溶媒蒸留装置を用い、加熱槽でトリオクチルホスフィン(TOP)溶媒に溶かした塩化インジウムおよびトリオクチルフォスフィンオキシド(TOPO)を反応させた第1溶液を合成した後、第1溶液の温度を285℃に上昇させる。
 次に、TOP溶媒にトリメチルシリルホスフィンを溶解させてなる第2溶液を作製し、第2溶液を加熱槽中の第1溶液にシリンジで注入し、温度を285℃に保持した。冷却、精製および単離の操作を行ない、InPコア粒子を含むコロイド溶液を回収した。回収したコロイド溶液はフッ化水素酸(HF)エッチング溶液(重量比でHF:純水:n-ブタノール=1:2:17)中で攪拌し、失活要因となるInPコア粒子表面の欠陥および異物を取り除いた後に有機溶媒で洗浄する。
 次に、InGaP第1シェル(障壁領域)を以下のようにして形成する。
 InPコア粒子を含むコロイド溶液を再び加熱槽に入れ、塩化インジウムと塩化ガリウムの混合溶液(物質量比1:1)を加えて温度を285℃に上昇させた。前述の第2溶液を加熱槽にシリンジで注入して285℃に保持し、冷却、精製および単離の操作を行なって、InPコア表面にGaInPシェルを形成したコロイド溶液を回収する。回収したコロイド溶液は前述のエッチング処理を行った後に有機溶媒で洗浄する。
 最後に、InP第2シェル(第2発光領域)を以下のようにして形成する。
 InPコア/GaInPシェル粒子を含むコロイド溶液を三たび加熱槽に入れ、保持温度を300℃とした他はInPコア形成と同じ操作を行い、GaInPシェル表面にInPシェルを形成したコロイド溶液を回収した。回収したコロイド溶液は前述のエッチング処理を行った後に有機溶媒で洗浄する。以上の操作により、上述の半導体ナノ粒子蛍光体が得られる。
 特許文献8のInPナノ粒子の製造方法においては、まず、グローブボックスでアルゴンガス雰囲気中、オートクレーブに塩化インジウム(InCl)0.4グラム、界面活性剤であるトリオクチルホスフィン(Trioctylphosphine、[CH(CHP、TOP)3ミリリットルとドデシルアミン(Dodecylamine、CH(CH11NH、DDA)2.5グラムを加え、さらに、溶媒としてトルエン(Toluene、CCH)5ミリリットルを加え、トリス(ジメチルアミノ)ホスフィン(Tris(dimethylamino)phosphine、P[N(CH)0.5ミリリットルを入れる。
 その後、オートクレーブを電気炉に移して75℃で1時間保った後、更に180℃に昇温し、24時間でナノ粒子を成長させ、ナノ粒子分散液を得る。このナノ粒子分散液にトルエン10ミリリットルとメタノール6ミリリットルを加え、十分に攪拌した後、10分間遠心分離を行い、遠心分離後、透明な上澄み液を取り出すことによって、InPナノ粒子と反応後の副産物を分離する。さらに、この副産物を取り除いたナノ粒子分散液を使用して、サイズ選択的沈降法により異なる粒径のナノ粒子を取り出し、InPナノ粒子を得る。
 なお、特許文献8には、紫外光照射を利用したInPナノ粒子上に硫化亜鉛シェルが作製されてなるコア/シェル構造の半導体ナノ粒子の製造方法も開示されている。
特開2006-265022号公報 特開2008-44827号公報 国際公開第07/138851号 特開2009-19067号公報 特開2009-40633号公報 特開2008-279591号公報 特開2010-106119号公報 特開2010-138367号公報
 上述のように、InPナノ粒子の合成または製造を行う方法は、様々な方法が提案されているものの、多くの場合、半導体微粒子の表面エネルギーが極めて高いために凝集しやすく、そのため半導体微粒子本来の機能が発現されないことが多い。また、粒子形成中に凝集した半導体微粒子は再分散させることは困難であった。
 特許文献1~8にはInPナノ粒子の製造方法または合成方法が開示されているものの、これらの製造方法または合成方法では、製造時または合成時の温度が170℃~350℃と高く、InPナノ粒子形成中に粒子が凝集していると推測され、得られたInPナノ粒子をトルエンまたはヘキサンに分散させようとしても、経時変化でInPナノ粒子が沈降してしまい、InPナノ粒子の分散性が悪い。このことから、InPナノ粒子を用いた均一な光電変換材料塗布膜を作製することが困難である。
 また、特許文献1~8に開示のInPのナノ粒子(半導体微粒子)の製造(合成)方法で得られたInPのナノ粒子(半導体微粒子)では、PL(フォトルミネッセンス)発光強度が不十分である。
 本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、良好な溶液分散性と高いPL発光強度が両立したInPナノ粒子の合成方法およびこの合成方法で合成されたナノ粒子を提供することにある。
 上記目的を達成するために、本発明の第1の態様はIn原料として三塩化インジウム(無水)を用い、P原料としてトリスジメチルアミノホスフィンを用いてInPナノ粒子を合成する方法であって、In原料、P原料、沸点170℃以上の有機溶媒および粒子表面リガンドを混合して得られた混合液を、150℃以上170℃未満の温度に加熱してInPナノ粒子を合成する合成工程を有し、粒子表面リガンドは、炭素数18以上の脂肪族アミンであることを特徴とするInPナノ粒子の合成方法を提供するものである。
 合成工程の後に、フッ酸またはバッファードフッ酸を含有する溶液を用いて、InPナノ粒子を表面処理する溶液処理工程を有することが好ましく、さらにその後、表面処理されたInPナノ粒子に紫外光を10分以上照射する照射工程とを有することが好ましい。
 また、有機溶媒は、1-オクタデセンを用いることが好ましい。
 InPナノ粒子は、粒子表面リガンドが炭素数18以上の1級脂肪族アミンであることが好ましく、加熱合成時間が30~360分であることが好ましい。
 本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様のInPナノ粒子の合成方法で合成されたものであることを特徴とするナノ粒子を提供するものである。
 さらにまた、本発明の第3の態様は、本発明の第1の態様のInPナノ粒子の合成方法で合成されたInPナノ粒子からなるコアと、コアを被覆するシェルとを有するコアシェル構造であることを特徴とするナノ粒子を提供するものである。
 本発明によれば、良好な溶液分散性と高いPL発光強度が両立したInPナノ粒子を、合成時の温度を従来に比して低くしても合成することができる。
 さらには、合成されたInPナノ粒子は、PL発光強度が高く、光学デバイスの光電変換材料として利用可能であり、エレクトロルミネッセンス素子、光電変換素子(太陽電池)等に利用することができる。
 また、合成されたInPナノ粒子は、溶液分散性が良好であるため、InPナノ粒子を用いて、均一な光電変換材料塗布膜を作製することができ、塗布方式のエレクトロルミネッセンス素子、および太陽電池に適用することができる。
 以下に、好適実施形態に基づいて、本発明のInPナノ粒子の合成方法およびナノ粒子を詳細に説明する。
 本実施形態のInPナノ粒子の合成する反応容器は、ソルボサーマル法で用いられるような耐圧反応容器(オートクレーブ)またはホットソープ法で用いられるようなガラス製フラスコのどちらを用いても良く、これらの容器中、不活性雰囲気、高温(最高温度が150℃以上170℃未満)で粒子合成反応を行う。
 さらには、InPナノ粒子の製造は、水分と酸素を実質的に排除した雰囲気でなされる。InPナノ粒子の製造においては、後述する原料、有機溶媒、粒子表面リガンド種を密閉容器に充填するときから粒子合成が終わって反応物を密閉容器から取り出すまで水分と酸素を実質的に排除した雰囲気でなされる。
 本実施形態において、水分と酸素を実質的に排除した雰囲気とは、例えば、酸素濃度0.5ppm未満、水分濃度1ppm未満の窒素雰囲気のことである。
 なお、水分と酸素を実質的に排除した雰囲気とすることができれば、その雰囲気を得るための装置等は、特に限定されるものではない。
 本実施形態において、InPナノ粒子の製造には、原料と有機溶媒が用いられる。この原料には、In化合物およびP化合物が用いられる。
 なお、InPナノ粒子の製造には、原料と有機溶媒に、更に後述する粒子表面リガンド種を添加する。この粒子表面リガンド種の機能としては、粒子表面保護(酸化防止、凝集防止)と、粒子表面パッシベーション(ダングリングボンドの不活性化)である。粒子表面リガンド種により、表面に粒子表面リガンド(配位子)が形成されたInPナノ粒子が製造される。
 本実施形態のInPナノ粒子の合成方法においては、In化合物とP化合物と有機溶媒と粒子表面リガンド(粒子表面リガンド種)の混合液を、例えば、ベルトドライブ式撹拌機付きのオートクレーブ、またはマグネットスターラーとフラスコを用いて、撹拌を行いながら加熱を行うことで、InPナノ粒子の合成がなされる。オートクレーブおよびフラスコ密閉容器内は、水分と酸素を実質的に排除した不活性雰囲気(窒素雰囲気またはアルゴン雰囲気)にされており、InPナノ粒子の合成は、水分と酸素を実質的に排除した不活性雰囲気中でなされる。
 オートクレーブおよびフラスコは、不活性雰囲気中で密閉し、密閉状態で加熱を行うことが好ましいが、不活性ガスを通気しながら加熱を行っても良い。
 但し、ガラス製のフラスコを用いて密閉状態で、有機溶媒の沸点以上に加熱を行うことは避けるべきである。
 このInPナノ粒子の合成は、温度150℃以上170℃未満の条件下でなされる。150℃以上170℃未満の温度で加熱を行う加熱合成時間は、30分~360分が好ましい。なお、加熱合成時間とは、150℃以上170℃未満の温度に昇温した後に、その温度が保持される時間のことである。
 この合成より得られた反応物をオートクレーブから取り出し、例えば、遠心分離機を用いて、良溶媒にトルエンまたはオクタンなどを用い、貧溶媒である脱水エタノールを用いて遠心分離を繰り返し行って生成物を洗浄することで、未反応物と副生成物を廃棄し、InPナノ粒子を抽出し、オクタンなどの分散溶媒に分散させる。
 その後、このナノ粒子を含むオクタン溶液を、例えば、ロータリーエバポレーターを用いて、減圧蒸留してエタノールを完全に除去する。これにより、合成したInPナノ粒子を含むオクタン分散液を得る。このようにして、InPナノ粒子を製造することができる。
 また、本発明においては、InPナノ粒子を最終的に分散溶媒に分散する前にフッ酸またはバッファードフッ酸を含む溶液を添加して、InPナノ粒子の表面処理を行うことが好ましい。このInPナノ粒子の表面処理によりInP粒子表面のダングリングボンドが除去されると考えられている。例えば、Appl.Phys.Lett.68(96)3150およびJ.chem.Phys.123,084706(2005)などに、InPナノ粒子の表面処理によりInP粒子表面のダングリングボンドが除去される記載がある。フッ酸またはバッファードフッ酸を含む溶液の添加量および処理時間については、例えば、App.Phys.Lett.68(96)3150などを参考にすることができる。
 本発明のInPナノ粒子は、上述のフッ酸またはバッファードフッ酸を用いた粒子表面処理によりPL発光強度が向上する。
 さらに、本発明においては、InPナノ粒子を最終的に分散溶媒に分散した後に、例えば、波長が365nmの紫外光ランプ(UVランプ)を用いて紫外光(UV光)を照射することが好ましい。すなわち、InPナノ粒子が分散するオクタン分散液に紫外光(UV光)を照射することが好ましい。紫外光(UV光)の照射時間は少なくとも10分、好ましくは30分以上、さらに好ましくは60分以上である。本発明のInPナノ粒子は、この紫外光(UV光)照射によりPL発光強度が向上する。
 なお、InPナノ粒子の平均粒径は1~10nmが好ましく、さらに好ましくは3~10nmである。
 上記平均粒径の求め方は、例えば、透過電子顕微鏡による直接観察、動的散乱法またはX線回折ピークの半値幅(デバイ・シェラーの式)などがある。しかしながら、InPナノ粒子の平均粒径は、透過電子顕微鏡で少なくとも20個、好ましくは少なくとも100個の粒子を直接観察し、その算術平均を算出して求めることが好ましい。
 原料のIn化合物(In供給源)としては、三塩化インジウム(無水)が用いられる。
 原料のP化合物(P供給源)としては、トリスジメチルアミノホスフィンが用いられる。
 有機溶媒としては、170℃以上の沸点を有する非極性溶媒が用いられる。非極性溶媒については、具体的には、n-デカン、n-ドデカン、n-ヘキサデカン、n-オクタデカンなどの脂肪族飽和炭化水素、1-ウンデセン、1-ドデセン、1-ヘキサデセン、1-オクタデセンなどの脂肪族不飽和炭化水素およびトリオクチルホスフィンなどが、例として挙げられるが、炭素数12以上の脂肪族不飽和炭化水素が好ましく、1-オクタデセンがより好ましい。
 なお、沸点が170℃以上の有機溶媒を用いることにより、粒子形成中に粒子が凝集しにくくなり、InPナノ粒子の溶液分散性がより良好なものとなる。
 InPナノ粒子の表面リガンド(配位子)を形成するための粒子表面リガンド種(界面活性剤)としては、炭素数18以上の脂肪族アミンが用いられる。炭素鎖については、飽和または不飽和結合を有していても良く、直鎖または分岐鎖でも良いが、長鎖の炭素鎖を有していることが好ましく、長鎖の脂肪族アミンが好ましく用いられる。さらに、炭素数18以上の1級脂肪族アミンが特に好ましく用いられる。
 炭素数18以上の1級脂肪族アミンとしては、例えば、C1837NH、C1939NH、C2041NH、C2143NH、C2245NH、C1839NH、C1941NH、C2043NH、C2145NH、C2247NHなどが挙げられる。
 本実施形態において、上記粒子表面リガンド種が、InPナノ粒子の表面に配位する。
 なお、粒子表面リガンド種をドデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オレイルアミン、トリオクチルアミン、エイコシルアミンと変えると、PL発光強度が高くなる。特に、粒子表面リガンド種の炭素数を16以下から18のものにするとPL発光強度が顕著に高くなることを確認している。
 本実施形態においては、InPナノ粒子について説明したが、これに限定されるものではなく、InPナノ粒子をコアとしたコアシェル構造のナノ粒子であってもよい。この場合、シェルは、例えば、ZnS、ZnO、InGaZnO等で構成されるが、ZnSが好ましく用いられる。
 また、コアシェル構造のナノ粒子においても、上述のInPナノ粒子と同様に、炭素数18以上の脂肪族アミン、または炭素数18以上の1級脂肪族アミンで構成されるナノ粒子表面リガンド(配位子)があってもよい。
 なお、上記コアシェル構造のナノ粒子においても、平均粒径は1~10nmが好ましく、さらに好ましくは3~10nmである。その平均粒径の求め方は、上述のInPナノ粒子と同じ方法を用いることができるため、その詳細な説明は省略する。このコアシェル構造のナノ粒子においても、上述のInPナノ粒子と同じく、平均粒径は、透過電子顕微鏡で少なくとも20個、好ましくは少なくとも100個の粒子を直接観察し、その算術平均を算出して求めることが好ましい。
 次に、コアシェル構造のナノ粒子の合成方法の具体例について説明する。
 コアシェル構造のナノ粒子の合成方法は、原料と有機溶媒と粒子表面リガンド(粒子表面リガンド種)の混合液を、撹拌する工程までは、上述のInPナノ粒子の合成方法と同様である。このため、その詳細な説明は省略する。
 次に、この混合液の撹拌終了後、オートクレーブまたはフラスコを十分に冷却する。そして、オートクレーブまたはフラスコを不活性ガス雰囲気のグローブボックス内で開け、更に、例えば、オートクレーブまたはフラスコ内に、無水酢酸亜鉛と1-ドデカンチオールを入れて混合し、オートクレーブまたはフラスコを密閉した後、グローブボックスから取り出す。その後、所定の温度で所定時間、例えば、180℃を1時間保持し、反応物を得る。
 そして、反応物をオートクレーブまたはフラスコから取り出し、上述のInPナノ粒子の合成方法と同じく、例えば、遠心分離機を用いて、良溶媒にトルエンまたはオクタンなどを用い、貧溶媒である脱水エタノールを用いて遠心分離を繰り返し行って生成物を洗浄することで、未反応物と副生成物を廃棄し、InPナノ粒子を抽出し、オクタンなどの分散溶媒に分散させる。
 その後、この粒子を含むオクタン溶液を、例えば、ロータリーエバポレーターを用いて、減圧蒸留してエタノールを完全に除去する。これにより、合成したコアシェル構造のナノ粒子を含むオクタン分散液を得る。これにより、コアシェル構造のナノ粒子が製造される。
 本実施形態のInPナノ粒子およびコアシェル構造のナノ粒子は、良好な溶液分散性と高いPL発光強度を両立しており、光学デバイスの光電変換材料として利用可能である。InPナノ粒子およびコアシェル構造のナノ粒子は、溶液分散性が良好であるため、InPナノ粒子を用いて、均一な光電変換材料塗布膜を作製することができ、更にはPL発光強度が高く、高品質な結晶であることから、塗布方式のエレクトロルミネッセンス素子、および太陽電池に適用することができる。このため、InPナノ粒子およびコアシェル構造のナノ粒子は、いずれも、例えば、エレクトロルミネッセンス素子の発光層、太陽電池の光吸収層(光電変換層)に用いることができる。これにより、エレクトロルミネッセンス素子であれば、発光強度を高くすることができ、太陽電池であれば、変換効率を高くすることができる。
 なお、エレクトロルミネッセンス素子は、例えば、特開2003-257671号公報に開示の基板/透明電極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/背面電極の構成とすることができる。この場合、溶液分散性が良好であることから、エレクトロルミネッセンス素子を構成する全て層を塗布方式(湿式)で形成することができるため、大面積のものを高速、かつ低コストで製造できるので好ましい。
 太陽電池については、例えば、APPLIED PHYSICS LETTERS 92, 173307 (2008)、および特開2009-59796号公報に開示の基板/透明電極/正極界面層(平滑性の確保)/光吸収層/背面電極の構成とすることができる。この場合においても、エレクトロルミネッセンス素子と同様に、太陽電池を構成する全て層を塗布方式(湿式)で形成することができるため、大面積のものを高速、かつ低コストで製造できるので好ましい。
 本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明のInPナノ粒子の合成方法およびナノ粒子について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
 以下、本発明のInPナノ粒子の合成方法についてより具体的に説明する。
 本実施例においては、下記表1に示すナノ粒子のサンプル1~22を、それぞれ以下に示す方法を用いて合成し、各サンプル1~22について、溶液分散性およびPL発光強度について評価した。
 以下、サンプル1のInPナノ粒子の合成方法について説明する。
 サンプル1においては、AKICO社製ベルトドライブ式攪拌機付きのオートクレーブを用いて、以下の方法により、InPナノ粒子を合成した。
 まず、オートクレーブ内を窒素雰囲気(酸素濃度0.5ppm未満、水分濃度1ppm未満)とする。この窒素雰囲気中で、オートクレーブ内に、有機溶媒として1-オクタデセン50ml、In化合物として三塩化インジウム(無水)2.7mmol、P化合物としてトリスジメチルアミノホスフィン2.7mmol、粒子表面リガンド種としてオレイルアミン5.4mmolを、それぞれ入れて混合し、混合液を得る。次に、オートクレーブを密閉する。
 次に、オートクレーブ内の混合液を撹拌機で撹拌しながら、オートクレーブ用電熱線ヒーターで混合液を加熱した。
 オートクレーブ用電熱線ヒーターにより、混合液を室温から140℃(最高加熱温度)に昇温して180分間保持した後、降温した。この昇温して保持した時間(加熱合成時間)が下記表1の「保持時間」である。
 十分に冷却したオートクレーブから反応物を取り出し、遠心分離機を用いて、良溶媒にトルエンまたはオクタンなどを用い、貧溶媒である脱水エタノールを用いて遠心分離を繰り返し行って生成物を洗浄することで、未反応物と副生成物を廃棄し、InPナノ粒子を抽出する。
 最後にナノ粒子を抽出する前に、沈殿物にバッファードフッ酸溶液(HF22体積%)を0.1ml添加して1分間、ナノ粒子の表面処理を行った。このように、バッファードフッ酸による表面処理をしたものを下記表1の「バッファードフッ酸溶液処理」の欄で「あり」と記し、バッファードフッ酸による表面処理をしていないものを「なし」と記した。
 最後に抽出した合成したナノ粒子は、沈殿物にオクタンを加えて超音波分散し、残留しているエタノールはロータリーエバポレーターを用いて減圧蒸留して除去し、オクタン分散液を得た。
 さらに、この合成したナノ粒子を含むオクタン分散液にUVランプ(6W)で、波長が365nmのUV光(紫外光)を60分間照射した。このように、UV光(紫外光)を照射したものを下記表1の「UV光照射」の欄で「あり」と記し、UV光(紫外光)を照射していないものを「なし」と記した。
 このようにして、合成したナノ粒子を含むオクタン分散液を得た。このオクタン分散液を希釈してカーボンメッシュに滴下し、乾燥させた後に、HR-TEM(高分解能透過電子顕微鏡)で観察した結果、得られたナノ粒子の平均粒径は5nmであった。
 また、合成したナノ粒子を含むオクタン分散液を乾燥して得られた粒子粉末をX線回折で分析を行った結果、InPに相当するピークを検出した。
 本実施例において、溶液分散性については、合成したナノ粒子を含むオクタン分散液を無撹拌状態で経時し、ナノ粒子が自然に沈降するまでの日数を見積もることで評価した。その評価基準については、ナノ粒子が沈降して上澄み溶液と分離してしまうまでの経時時間が1日以内のものを「D」とし、7日以内のものを「C」とし、30日以内のものを「B」とし、30日以上沈降しないものを「A」とした。
 さらに、PL(フォトルミネッセンス)発光強度の半値幅は、室温において、励起波長400nmの光を用いて、合成したナノ粒子を含むオクタン分散液の蛍光スペクトルを測定して求めた。
 次に、サンプル2~22のInPナノ粒子の合成方法について説明する。
 サンプル2~21のInPナノ粒子は、粒子合成時の最高加熱温度、保持時間(加熱合成時間)、有機溶媒種、粒子表面リガンド種、バッファードフッ酸処理の有無およびUV光照射の有無を下記表1に示す通りに変更した以外は、上述のサンプル1と同様の合成方法で製造したものである。このため、サンプル2~21の合成方法について、その詳細な説明は省略する。
 また、サンプル2~21の各サンプルの溶液分散性およびPL発光強度の評価は、サンプル1と同様に行ったため、その詳細な説明は省略する。
 次に、サンプル22のInP/ZnSコアシェル粒子の合成方法について説明する。
 まず、窒素雰囲気(酸素濃度0.5ppm未満、水分濃度1ppm未満)のオートクレーブ内に、有機溶媒として1-オクタデセン50ml、In化合物として三塩化インジウム(無水)2.7mmol、P化合物としてトリスジメチルアミノホスフィン2.7mmol、粒子表面リガンド種としてオレイルアミン5.4mmolを、それぞれ入れて混合し、混合液を得る。次に、オートクレーブを密閉する。
 次に、オートクレーブ内の混合液を撹拌機で撹拌しながら、オートクレーブ用電熱線ヒーターで混合液を加熱した。
 オートクレーブ用電熱線ヒーターにより、混合液を室温から160℃(最高加熱温度)に昇温して180分間保持した後、降温した。
 次に、十分に冷却したオートクレーブを開け、オートクレーブ内の混合液に、更に無水酢酸亜鉛4.6mmolと1-ドデカンチオール4.6mmolを入れて混合し、第2の混合液を得、オートクレーブを密閉した。そして、第2の混合液を180℃で60分間加熱し、反応物を得た。その後、サンプル1のInPナノ粒子の合成方法と同様にして、上述のようにナノ粒子の抽出と分散を行い、サンプル22のInP/ZnSコアシェル粒子を得た。
 サンプル22のInP/ZnSコアシェル粒子について、HR-TEM(高分解能透過電子顕微鏡)で観察した結果、得られたサンプル22のInP/ZnSコアシェル粒子の平均粒径は6nmであった。
 なお、サンプル22における溶液分散性およびPL発光強度の評価は、サンプル1と同様に行ったため、その詳細な説明は省略する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 上記表1に示すように、本発明の範囲に入るサンプル2、3、サンプル7~12およびサンプル15~22は、溶液分散性が良好で、しかも高いPL発光強度が得られた。
 保持時間、有機溶媒および粒子表面リガンド種が同じであるサンプル2、3において、最高加熱温度が高い方が、PL発光強度が高い傾向にある。
 最高加熱温度、保持時間および有機溶媒が同じであるサンプル7~9において、粒子表面リガンド種として、3級脂肪族アミンよりも2級脂肪族アミンの方がPL発光強度が高く、1級脂肪族アミンの方が2級脂肪族アミンよりもPL発光強度が高い。また、サンプル7~9において、1級脂肪族アミンの方が溶液分散性が良い。
 最高加熱温度、保持時間および粒子表面リガンド種が同じであるサンプル3、サンプル10~12において、有機溶媒の沸点が300℃を超えた方が溶液分散性が良い。
 最高加熱温度、有機溶媒および粒子表面リガンド種が同じであるサンプル15~19において、保持時間が好ましい範囲にある方が溶液分散性が良い。
 最高加熱温度および保持時間が同じであるサンプル3、サンプル20およびサンプル21において、バッファードフッ酸処理およびUV光照射をすることにより、PL発光強度が高くなる傾向にある。サンプル21は、UV光照射をしていないため、サンプル3よりもPL発光強度が低い。バッファードフッ酸処理およびUV光照射をしていなサンプル21は、サンプル20よりもPL発光強度が低い。
 また、サンプル22のようにコアシェル構造とすることにより、サンプル1~22中でPL発光強度が最も高くなった。
 一方、最高加熱温度が本発明の下限値未満であるサンプル1は、PL発光強度が不十分であった。最高加熱温度が本発明の上限値を超えるサンプル4は、溶液分散性が悪い。
 粒子表面リガンド種が炭素数18以上の脂肪族アミンではないサンプル5およびサンプル6は、溶液分散性が悪い。有機溶媒の沸点が本発明の下限値未満のサンプル13およびサンプル14は、溶液分散性が悪い。

Claims (8)

  1.  In原料として三塩化インジウム(無水)を用い、P原料としてトリスジメチルアミノホスフィンを用いてInPナノ粒子を合成する方法であって、
     前記In原料、前記P原料、沸点170℃以上の有機溶媒および粒子表面リガンドを混合して得られた混合液を、150℃以上170℃未満の温度に加熱して前記InPナノ粒子を合成する合成工程を有し、
     前記粒子表面リガンドは、炭素数18以上の脂肪族アミンであることを特徴とするInPナノ粒子の合成方法。
  2.  前記合成工程の後に、フッ酸またはバッファードフッ酸を含有する溶液を用いて、前記InPナノ粒子を表面処理する溶液処理工程を有する請求項1に記載のInPナノ粒子の合成方法。
  3.  前記合成工程の後に、フッ酸またはバッファードフッ酸を含有する溶液を用いて、前記InPナノ粒子を表面処理する溶液処理工程と、
     前記表面処理されたInPナノ粒子に紫外光を10分以上照射する照射工程とを有する請求項1に記載のInPナノ粒子の合成方法。
  4.  前記有機溶媒は、1-オクタデセンである請求項1~3のいずれか1項に記載のInPナノ粒子の合成方法。
  5.  前記InPナノ粒子は、粒子表面リガンドが炭素数18以上の1級脂肪族アミンである請求項1~4のいずれか1項に記載のInPナノ粒子の合成方法。
  6.  前記合成工程における加熱合成時間は、30分~360分である請求項1~5のいずれか1項に記載のInPナノ粒子の合成方法。
  7.  請求項1~6のいずれか1項に記載のInPナノ粒子の合成方法で製造されたものであることを特徴とするナノ粒子。
  8.  請求項1~6のいずれか1項に記載のInPナノ粒子の合成方法で製造されたInPナノ粒子からなるコアと、前記コアを被覆するシェルとを有するコアシェル構造であることを特徴とするナノ粒子。
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