本发明属于光学材料制备领域，更具体地，涉及一种量子点薄膜制备方法。
背景技术：
量子点又可称为纳米晶，是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1～10nm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制，具有很好的光稳定性、宽的激发谱和窄的发射谱等效应，在太阳能电池、发光器件、光学生物标记等领域具有广泛的应用前景，但是由于量子点容易被空气中的水或者氧气破坏，从而失去发光性能。
为解决上述问题，目前的做法是将量子点材料涂布在有机薄膜PET之上，然后在有机薄膜PET上沉积一层钝化保护膜，以防止水和氧气的进入，从而保护量子点，但是这需要保护膜的透水率以及透氧率达到10-5的数量级，然而在制备大面积的PET膜时，即使使用SALD技术也很难达到所要求的10-5数量级，该方法技术要求较高，大幅提高了量子点薄膜的制备成本，同时也会使钝化膜不均匀，甚至有的部分没有膜，达不到保护量子点的效果。因此，传统的量子点薄膜制备方法不适合运用到大幅宽的PET薄膜上。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种量子点薄膜制备方法，其中先用原子层沉积方法对量子点进行表面包覆，然后在量子点和薄膜表面再沉积一层保护膜，采用在量子点表面分步包覆钝化膜的方法制备量子点薄膜，从而解决量子点易被氧气或水氧化，致使其丧失发光性能的问题，降低了在量子点薄膜上沉积保护膜所需的技术要求、质量要求以及制备成本，适用于大面积量子点薄膜的制备。
为实现上述目的，本发明提出了一种量子点薄膜制备方法，该方法包括如下步骤：
1)量子点的包覆：采用原子层沉积技术在量子点表面沉积纳米或亚微米厚度的金属氧化物，以将量子点包覆；
2)量子点薄膜的制备：将包覆有金属氧化物量子点涂覆在有机薄膜PET上，制备获得量子点薄膜；
3)量子点薄膜的包覆：采用空间隔离原子层沉积技术在量子点薄膜及量子点表面沉积纳米或亚微米厚度的氧化物薄膜，以保证量子点不被氧化。
作为进一步优选的，所述步骤1)具体包括如下子步骤：
1.1)将量子点平铺在粉体夹持器的滤网上，然后将粉体夹持器放入原子层沉积反应器的腔体内，盖好腔体，并抽真空；
1.2)加热腔体使腔体内用于对量子点进行预分散的流化区域温度达到设定温度且均匀稳定，在加热过程中不断通入流化气，使量子点预分散；
1.3)当腔体内的温度达到50℃～130℃时，开始原子层沉积反应；
1.4)重复多次原子层沉积反应，在量子点表面沉积一定厚度的金属氧化物。
作为进一步优选的，所述原子层沉积反应具体包括如下子步骤：
1.3.1)向腔体内通入第一前驱体，使其与量子点表面的化学基团发生反应；
1.3.2)通入载气清洗管路，清除腔体中剩余的第一前驱体和反应副产物；
1.3.3)向腔体通入第二前驱体，使其与吸附在量子点表面的第一前驱体的外露基团发生反应；
1.3.4)通入载气清洗管路，清除腔体中剩余的第二前驱体和反应副产物。
作为进一步优选的，放置于粉体夹持器滤网上的量子点质量为0.05克～5.00克，并且量子点累积高度不超过粉体夹持器流化区域的1/10，所述腔体抽真空至腔体内部压力不大于1Pa；在所述子步骤1.2)中，所述流化气的流量为50～500标准毫升每分钟，所述腔体的出口压力为40Pa～500Pa。
作为进一步优选的，所述第一前驱体与载气混合以气相形式进入反应器的腔体；所述第二前驱体与载气混合以气相形式进入反应器的腔体；在一次沉积反应中，所述第一前驱体和第二前驱体与量子点的反应时间均为0.1s～2.0s，腔体出口压力为100Pa～500Pa。
作为进一步优选的，在所述子步骤1.3)中，向腔体内通入流化气，以保证量子点充分流化，该流化气流量为50～400标准毫升每分钟；优选的，所述载气在整个原子层沉积反应过程中不间断的持续通入，所述载气流量为50～100标准毫升每分钟；优选的，所述子步骤1.3.2)或1.3.4)中，通入载气清洗管路时，载气持续通入时间为5s～30s；优选的，所述流化气和所述载气为同一种气体，所述流化气和载气为氮气、氩气中的一种或多种。
作为进一步优选的，一次原子层沉积反应过程中，多次循环子步骤1.3.1)和1.3.2)或1.3.3)和1.3.4)，保证量子点与所述第一前驱体或第二前驱体饱和反应。
作为进一步优选的，所述步骤3)具体包括如下子步骤：
3.1)将涂覆有量子点粉体的量子点薄膜放入腔体内，盖好腔体，持续通入载气；
3.2)加热腔体，使放置量子点薄膜的基底达到80℃～100℃；
3.3)当基底温度达到80℃～100℃时，向腔体中分别持续通入第一前驱体和第二前驱体，在腔体的空间上形成两路独立的前驱体气流区域，开始空间隔离原子层沉积反应；
3.4)重复多次空间隔离原子层沉积反应，量子点薄膜及量子点表面沉积一定厚度的氧化物薄膜，实现对量子点薄膜及量子点粉体表面的包覆。
作为进一步优选的，所述空间隔离原子层沉积反应包括如下子步骤：
3.3.1)将量子点薄膜移动到第一前躯体空间区域，使其与量子点薄膜及量子点表面的化学基团发生反应；
3.3.2)将量子点薄膜移动到第二前躯体空间区域，使其与吸附在量子点薄膜及量子点表面的第一前驱体的外露基团发生反应。
作为进一步优选的，所述氧化物薄膜的厚度为1nm～1000nm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过在制备量子点薄膜过程中，先将量子点粉体进行表面包覆，然后运用原子层沉积技术在量子点薄膜和量子点的表面再沉积一层保护膜，由于分步沉积氧化膜，两层膜同时起到对量子点的保护作用，从而降低了量子点薄膜上沉积保护膜所需的技术要求和氧/水透过率的要求，后期沉积的保护膜透过率要求只需达到10-2～10-3数量级，其大大降低了技术要求，同时也降低了生产成本，在制备具有大幅宽的量子点薄膜的同时也可实现对量子点的保护作用。
2.本发明对量子点的包覆及量子点薄膜的包覆工艺及制备过程进行了研究与设定，采用原子层沉积技术在量子点表面包覆一层纳米或亚微米厚度的金属氧化物，并采用空间隔离原子层沉积技术在量子点薄膜及量子点表面沉积纳米或亚微米厚度的氧化物薄膜，以此保证量子点不被氧化，制备工艺简单方便，制备成本低。
3.本发明还对原子层沉积技术及空间隔离原子层沉积技术的具体工艺进行研究与设定，通过控制量子点的使用量0.05克～5.00克，流化气的通入流量及通入时间，腔体的出口压力，前驱体与量子体的反应时间0.1s～2.0s等工艺参数，可制备氧化铝薄膜厚度为1nm～1000nm的量子点薄膜，制备工艺简单，适用于大面积量子点薄膜的制备。
附图说明
图1是本发明量子点薄膜制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种量子点薄膜制备方法，其主要包括三个步骤：量子点的包覆、量子点薄膜的制备和量子点薄膜的包覆，本发明首先对量子点进行一次包覆，通过量子点的包覆保证量子点不被氧化，然后将经过包覆的量子点涂覆至薄膜中，最后对涂覆有量子点的薄膜进行再次包覆，通过分级包覆的方式，克服直接在量子点粉体包覆一层保护膜的水/氧透过率无法达到10-5数量级的问题。
下面将对各个步骤进行详细的说明。
1)量子点的包覆：采用原子层沉积技术在量子点表面沉积纳米或亚微米厚度的金属氧化物薄膜，如氧化锌、氧化铝、氧化钛，将量子点包覆，以保证量子点不被氧化丧失光性能，具体包括如下子步骤：
1.1)将量子点平铺在粉体夹持器的滤网上，然后将粉体夹持器放入原子层沉积反应器的腔体内，盖好腔体，保证腔体洁净，并抽真空；
1.2)加热腔体使腔体内用于对量子点粉体进行预分散的流化区域温度达到设定温度(50℃～130℃)且均匀稳定，在加热过程中不断通入流化气，使量子点预分散；
1.3)当腔体内的温度达到50℃～130℃时，完成一次原子层沉积反应，温度的选定对于高效率在量子点表面进行原子沉积反应至关重要，温度的选定如果适宜，可以快速高效的进行沉积反应。
一次原子层沉积反应具体包括如下子步骤：
1.3.1)向腔体内通入第一前驱体，使其与量子点表面的化学基团发生反应；
1.3.2)通入载气清洗管路，清除腔体中剩余的第一前驱体和反应副产物，载气持续通入时间为5s～30s；
1.3.3)向腔体通入第二前驱体，使其与吸附在量子点表面的第一前驱体的外露基团发生反应；
1.3.4)通入载气清洗管路，清除腔体中剩余的第二前驱体和反应副产物，载气持续通入时间为5s～30s。
以此完成一次原子层沉积反应，实现金属氧化物或金属物质在粉体表面的一次沉积，沉积厚度增长一次。为保证量子点粉体与第一前驱体或第二前驱体饱和反应，一次原子层沉积反应过程中，可多次循环子步骤1.3.1)和1.3.2)或1.3.3)和1.3.4)。
1.4)重复多次原子层沉积反应，原子层沉积反应循环进行，量子点粉体表面沉积厚度不断增长，在量子点表面沉积一定厚度的金属氧化物或金属物质，通过控制沉积反应循环的次数从而控制在量子点表面沉积的金属氧化物厚度，以此实现对量子点表面的包覆。金属氧化物的沉积厚度为1nm～1000nm，实现了量子点的稳定化。
2)量子点薄膜的制备：将包覆有金属氧化物的量子点涂覆在有机薄膜PET(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二酯)衬底上，制备获得量子点薄膜。
本发明中采用浸渍法将量子点生长到PET薄膜上，具体流程如下：
将PET有机薄膜依次在0.1mol/L的硝酸铬溶液中和0.1mol/L的硫化钠溶液中浸渍1分钟，反复5次，得到附着量子点的PET薄膜。
3)量子点薄膜的包覆：采用空间隔离原子层沉积技术在量子点薄膜及量子点表面沉积纳米或亚微米厚度的氧化物薄膜，以保证量子点不被氧化，具体包括如下子步骤：
3.1)将涂覆有量子点粉体的量子点薄膜放入腔体内，平铺至升降台上，盖好腔体，持续通入载气，保证腔体洁净；
3.2)加热腔体，使放置量子点薄膜的升降台的基底达到80℃～100℃，由于通入的载气对基底具有冷却作用，基底在运动过程中会产生±5℃的温度波动，可通过对进气温度进行温度补偿，进气管路温度补偿设定为100℃，以减小基底处温度波动，优化薄膜生长过程；
3.3)当基底温度达到80℃～100℃时，通过喷头向腔体中分别持续通入第一前驱体和第二前驱体，在腔体的空间上形成两路独立的前驱体气流区域，开始空间隔离原子层沉积反应，第一前驱体和第二前驱体的通入管路位于载气管路旁边，其通过喷头。
一次空间隔离原子层沉积反应具体包括如下子步骤：
3.3.1)将量子点薄膜移动到第一前躯体空间区域，使其与量子点薄膜及量子点表面的化学基团发生反应；
3.3.2)将量子点薄膜移动到第二前躯体空间区域，使其与吸附在量子点薄膜及量子点表面的第一前驱体的外露基团发生反应。本发明中通过步进电机带动基底运动，基底随步进电机在不同前驱体区域间穿梭，通过集成的升降台调节基底与喷头之间的距离，步进电机的单步可控精度为25μm，基底的往复运动速度为2.25cm/s。
以此完成一次空间隔离原子层沉积反应，实现氧化铝在量子点薄膜及量子点粉体表面的一次沉积，沉积厚度增长一次；
3.4)重复多次空间隔离原子层沉积反应，即空间隔离原子层沉积反应循环进行，薄膜及粉体表面沉积厚度不断增长，最后在量子点薄膜及量子点表面沉积一定厚度的氧化物薄膜，实现对量子点薄膜及量子点粉体表面的包覆。量子点薄膜及量子点表面沉积氧化物的厚度为1nm～1000nm，进此时可实现量子点的稳定化。
其中，步骤3.1)中通入载气可起到两方面的作用：
一是载气携前驱体运输到喷头位置和基底表面进行ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)反应，在每个隔离的喷头位置只形成单一组分前驱体区域，且一般情况下前驱体为持续通入；
二是隔离前驱体作用，惰性气体既将前驱体与周围大气隔离，也将防止相邻前驱体之间的交叉混合。
下面对各个步骤中涉及的各个参数进行详细说明。
步骤1.1)中一次放置于粉体夹持器的滤网的量子点质量为0.05～5.00克，并且量子点累积高度不超过粉体夹持器流化区域的1/10，量子点太少会导致反应前驱体的浪费，量子点太多则会导致粉体表面包覆不完全，影响热稳定性，所述腔体抽真空至腔体内部压力不大于1Pa。
步骤1.2)中，所述流化气的流量为50～500标准毫升每分钟，腔体出口压力为40Pa～500Pa。
步骤1.3)和3.3)中，所述第一前驱体选用去离子水，所述第一前驱体与载气混合以气相形式进入反应器腔体，所述第二前驱体的选用依据沉积薄膜种类选择相应的物质，氧化锌薄膜选用第二前驱体为四乙基锌(DEZ),氧化铝薄膜选用第二前驱体为三甲基铝(TMA),氧化钛选择第二前躯体为四氯化钛，所述第二前驱体与载气混合以气相形式进入反应器腔体，其中，在一次原子层沉积反应中，第一前驱体和第二前驱体与量子点的反应时间均为0.1s～2.0s，腔体出口压力为100Pa～500Pa。
在步骤1.3)中，还向腔体内通入流化气，以保证量子点充分流化，此时流化气流量为50～400标准毫升每分钟，流化气至少在量子点与第一前驱体和第二前驱体的反应过程中不间断通入。
进一步的，在步骤1.3)中，载气在整个原子层沉积反应过程中不间断的持续通入，载气流量为50～100标准毫升每分钟，原子层沉积反应过程中腔体出口压力为100Pa～500Pa。
进一步的，流化气和载气为同一种气体，流化气和载气为氮气、氩气中的一种或多种。
进一步的，步骤3.3)中基底与喷头的间距为0.7mm，该间距综合PET厚度和喷头与基底表面的加工平整度而定。
进一步的，步骤3.3)中，所述的第一前驱体去离子水装在双端钢瓶中，在双端钢瓶进气口内通入20标准毫升每分钟氮气将前驱体从双端钢瓶出气口带出，再与500标准毫升每分钟氮气混合进入到第一前躯体区域；每一前驱体喷头两侧为隔离区域，每一路隔离气体喷头通入500标准毫升每分钟氮气，保证两种前驱体不发生混合。
所述的第二前驱体装在双端钢瓶中，在双端钢瓶进气口通入15标准毫升每分钟氮气将前驱体从双端钢瓶出气口带出，再与500mL/min氮气混合后进入到第二前驱体区域。
以下为本发明的具体实施例。
实施例1：
本实施例以制备氧化铝薄膜为例，进一步说明本发明的制备方法，其包括如下步骤：
1)量子点包覆
1.1)将3g量子点平铺在粉体夹持器的滤网上，然后将粉体夹持器放入原子层沉积反应器的腔体内，盖好腔体，保证腔体洁净，并抽真空至1-10PaPa；
1.2)加热腔体使腔体内用于对量子点粉体进行预分散的流化区域温度达到80℃，在加热过程中以100标准毫升每分钟流量不断通入流化气，使量子点预分散；
1.3)当腔体内的温度达到120℃℃时，完成一次原子层沉积反应，具体包括：
向腔体内通入去离子水，其作为第一前驱体，使其与量子点表面的化学基团发生反应；
以60标准毫升每分钟流量通入载气清洗管路，清除腔体中剩余的第一前驱体和反应副产物，载气持续通入；
向腔体内通入三甲基铝(TMA)，其作为第二前驱体，使其与吸附在量子点表面的第一前驱体的外露基团发生反应；
通入载气清洗管路，清除腔体中剩余的第二前驱体和反应副产物，载气持续通入；
1.4)重复100次原子层沉积反应，在量子点表面沉积厚度为11nm的氧化铝薄膜。
2)量子点薄膜的制备
将包覆有氧化铝的量子点涂覆在有机薄膜PET上，制备获得量子点薄膜；
3)量子点薄膜的包覆
3.1)将涂覆有量子点粉体的量子点薄膜放入腔体内，平铺至升降台上，盖好腔体，持续通入载气，保证腔体洁净；
3.2)加热腔体，使放置量子点薄膜的升降台的基底达到80℃℃；
3.3)当基底温度达到80℃℃时，通过喷头以520标准毫升每分钟流量向腔体中分别持续通入第一前驱体和第二前驱体，在腔体的空间上形成两路独立的前驱体气流区域，开始空间隔离原子层沉积反应，具体包括：
3.3.1)将量子点薄膜以2.25cm/s速度移动到第一前躯体空间区域，使其与量子点薄膜及量子点表面的化学基团发生反应；
3.3.2)将量子点薄膜以2.25cm/s速度移动到第二前躯体空间区域，使其与吸附在量子点薄膜及量子点表面的第一前驱体的外露基团发生反应。
3.4)重复多次空间隔离原子层沉积反应，在量子点薄膜及量子点表面沉积厚度为15nm氧化铝薄膜，实现对量子点薄膜及量子点粉体表面的包覆。
以下为对比试验：
以实施例1制备的量子点薄膜为基础试样，并用同一SALD设备直接对附着裸露量子点的薄膜沉积氧化铝获得对比试样，两种试样沉积时间相同。
将两种不同方法制备的量子点薄膜放置在同一环境下一段时间，然后分别用荧光光谱测试其防止前后量子点(同一批次的量子点)发光性能。
通过荧光光谱测试结果显示，分步包覆保护膜的量子点薄膜(即实施例1制备的试样)图谱在静置前后光谱图峰强变化不大，而直接沉积氧化铝获得的量子点薄膜(即对比试样)其前后峰强衰减较明显。可见在沉积相同时间的氧化铝保护膜的条件下，分步沉积具有更好的效果，更容易满足保护量子点的要求。
总体而言，本发明在保证量子点完好的情况下，利用分步包覆的方法，降低对SALD设备的技术要求，制备具有较大幅宽的量子点薄膜，减小量子点衰减速度，提高寿命，提高其应用范围，满足市场中各种尺寸需求。同时，也因其降低了每一步包覆过程的精度，降低生产成本，具有市场优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。