专利名称：一种非晶硅纳米颗粒的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硅(Si)纳米颗粒(量子点)的制备方法。
背景技术：
硅材料是微电子工业的基础。但S圭是所谓的间接带隙半导体，不能有效发光， 因此通常情形下不能做成光电子器件。解决这一问题的基本思路就是突破对能带
的限制，按照基本的能带理论，制备小于5纳米的纳米颗粒能够突破能带限制， 这样小的硅颗粒常成为硅量子点。人们已经制备了多孔硅，硅/二氧化硅超晶格 以及硅/二氧化硅复合薄膜，并观察到可见光发射。这些不同材料体系中的共同 核心就是得到5纳米以下的晶态或非晶态硅纳米结构，他们成为发光的根源。但 这些硅纳米结构都与环境构成一个复杂的难以分割的复合体，因此难以真正弄清 楚发光机制的物理本质；其次，在需要独立的硅量子点的场合，例如生物传感器， 这些材料体系不能应用。因此制备高度*的硅量子点在理论研究以及应用上都 是十分有价值的。但是制备这种量子点是困难的，因为传统的化学方法和物理方 法都有一定的限制。就化学方法而言，硅独特的化学性质使其难以应用传统的胶 体化学方法，即便能在某些条件下制备，也难以得到小于5纳米的均匀颗粒；其 次，所得的颗粒表面总为表面活性剂所包覆，而这在某些场合是要避免的，如生 物传感器。常规的物理方法(如賊射和蒸发等)又不能获得高度分散的溶于溶剂 的量子点，只能获得纳米颗粒组成的薄膜。无论物理还是化学方法所获得的硅纳 米颗粒大都是晶态的。
发明内容
发明目的本发明的目的是提供一种制备高度分散在溶剂中、大小在1 - 5nm 范围内的非晶的硅量子点的方法。
发明内容
为了达到上述发明目的，本发明所述的非晶硅纳米颗粒(量子点) 的制备方法包括以下步骤
(l)制备溶液如果希望得到不含表面活性剂包覆的颗粒，那么可直接使 用去离子水为溶液。如果希望制备为表面活性剂包覆的硅量子点，那么可配置浓 度范围为1. 0-5. 0 ramol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液。
(2 )激光烧蚀液体环境中的硅乾将硅靶置于盛有(1)所制备的溶液的烧 杯中，然后用足够强的准分子激光(例如KrF准分子激光)束辐照硅把。
(3)取出硅靶，溶液中即含有所制备的非晶态硅量子点。为了使该量子点 能够长期保存而不致发生团聚，釆用表面活性剂溶液是必要的。如果在数个星期 内，无需表面活性剂量子点也能保持原有的分敉性和大小。
在步骤(2)中，(a)在辐照期间，烧杯必须放置在一个可水平移动的电动 平台上，以使激光束在靶上进行扫描，避免激光束总是辐照一个点，否则得到的 颗粒将难以保证均匀。(b )硅把要完全浸入到溶液中，通常的深度为几个毫米， 深度不能超过5毫米，否则不能获得理想的高*、小尺度、非晶态的颗粒。(c) 激光束最好通过透镜进行聚焦，焦点大小通常在4-1 Oram2,而激光的能量密度限 制在Ixl08-2xl08 W/cra2之间。(d)根据需要，调整辐照时间，如要获得浓度高 的纳米颗粒溶液，可增加辐照时间和提高激光能量。 有益效果本发明具有以下有益效果
(1)相比其它制备水溶性硅纳米颗粒的方法，本发明所描述的制备非晶硅 量子点的方法具有更简单、易行、经济和快速的特点，仅需要一台准分子激光器， 一个烧杯和一个硅靶在30分钟就可获得可观浓度的高度分散、均匀和小于5纳 米的非晶硅量子点。
(2 )硅没有毒性，因而在需要量子点的场合可望代替目前已商业化的但有 毒性的CdS等半导体量子点，其次，硅可能有更好的生物相容性，因而有望成为 新的生物传感器的勤出材料。
(3)所获得的硅量子点可以在有无表面活性剂包覆间选择，从而有更大的 应用灵活性和范围。
图1是本发明描述的硅量子点制备原理示意图。将一束强激光束引入置于 溶液中的硅靶上，使硅乾被强激光烧蚀而产生硅蒸汽/等离子体，蒸汽/等离子体 在溶液中迅速冷却而形成珪量子点。
图2是所获得的典型的硅量子点图。该图清楚显示出量子点为非晶态，尺 度在2-3纳米，分散且均匀。
具体实施例方式
实施例1:制备不含表面活性剂包覆的硅颗粒的方法。
(1)选用去离子水为溶液。
(2 )将硅耙置于盛有去离子水的烧杯中，然后用足够强的KrF准分子激光束 辐照硅扭(如图l所示)。在辐照期间，烧杯放置在一个水平移动的电动平台上， 以使激光束在靶上进行扫描；同时硅把要完全浸入到溶液中的深度为1个毫米， 但不能超过5毫米；激光束通过透镜进行聚焦，焦点大小通常在4-lOimn2,激光 的能量密度限制在Ixl08-2xl08 W/cm2之间；如要获得浓度高的纳米颗粒溶液， 可增加辐照时间和提高激光能量。
(3)取出硅靶，溶液中即含有所制备的非晶态硅量子点，如图2所示即为所 得的硅量子点图。
在数个星期内，无需表面活性剂量子点也能保持原有的分散性和大小。 实施例2:制备表面活性剂包覆的硅量子点的方法。基本方法同于实施例l，
所不同的是配置浓度范围为1. 0-5. 0 mmol/L的十六烷基三曱基溴化铵溶液以被
后续步骤使用。
为了使该量子点能够长期保存而不致发生团聚，采用表面活性剂溶液是必要的。
权利要求
1、一种非晶硅纳米颗粒的制备方法，其特征是该方法包括以下步骤(1)制备溶液选用去离子水为溶液用以制备不含表面活性剂包覆的硅颗粒；或配置浓度范围在1.0-5.0mmol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液用以制备表面活性剂包覆的硅量子点；(2)激光烧蚀液体环境中的硅靶将硅靶置于盛有步骤(1)所制备的溶液的烧杯中，然后用准分子激光束辐照硅靶；(3)取出硅靶，溶液中即含有所制备的非晶态硅量子点。
2、 根据权利要求1所述的非晶硅纳米颗粒的制备方法，其特征是在步骤(2 ) 中所述的准分子激光，为ArF， KrF或XeCl激光。
3、 根据权利要求1所述的非晶硅纳米颗粒的制备方法，其特征是在步骤(2 ) 中，在辐照期间，烧杯放置在一个可水平移动的电动平台上，以使激光束在靶上 进行扫描。
4、 根据权利要求1所述的非晶硅纳米颗粒的制备方法，其特征是在步骤(2 ) 中，硅乾要完全浸入到溶液中，深度不超过5毫米。
5、 根据权利要求1所述的非晶硅纳米颗粒的制备方法，其特征是在步骤(2 ) 中，激光束通过透镜进行聚焦，焦点大小在4-10 mm2,激光的能量密度在 lxl08-2xl08 W/cm2之间。
全文摘要
本发明提供了一种非晶硅纳米颗粒的制备方法，该方法包括以下步骤(1)选用去离子水为溶液用以制备不含表面活性剂包覆的硅颗粒；或配置十六烷基三甲基溴化铵溶液用以制备表面活性剂包覆的硅量子点。(2)将硅靶置于盛有(1)所制备的溶液的烧杯中，然后用准分子激光束辐照硅靶。(3)取出硅靶，溶液中即含有所制备的非晶态硅量子点。本发明的有益效果是方法简单、易行、经济和快速；无毒性；有望成为新的生物传感器的基础材料；所获得的硅量子点可以在有无表面活性剂包覆间选择，从而有更大的应用灵活性和范围。
文档编号C01B33/00GK101172607SQ20071013385
公开日2008年5月7日 申请日期2007年10月10日 优先权日2007年10月10日
发明者刘俊明, 刘治国, 陈晓原 申请人:南京大学