一种硒化铜荧光量子点及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种硒化铜荧光量子点及其制备方法和应用；其特征在于为Cu2Se、CuSe或Cu2-xSe中一种或其组合，量子点粒径为2～10nm，量子产率为10～60%，光致发光谱的半峰宽为30～150nm；以溶有铜盐的水溶液为水相，溶有长链配体的有机溶剂为油相，在惰性保护气体中搅拌在油浴中加热形成前驱体溶液；将硒氢化钠水溶液注入热的前躯体溶液中，加热反应，不同时间取样获得具备不同发射荧光的有机相的量子点溶液；将上层有机相的量子点溶液沉淀，再经离心、分散，重复后去除未反应原料即得硒化铜荧光量子点。此类量子点不含镉等重金属元素，毒性低，具有量子产率高，粒径均一，较窄的荧光发射光谱，发光颜色随激发波长可调，能应用于构筑量子点太阳能敏化电池以及LED器件。
【专利说明】一种砸化铜荧光量子点及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体荧光纳米材料、制备方法及其应用，特别涉及一种硒化铜荧光量子点及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]半导体纳米晶(又称量子点)，其粒径一般介于l_20nm之间，是纳米材料的重要成员之一。量子点的平均粒径小、表面原子多、比表面积大、表面能高，导致其性质既不同于单个原子、分子，又不同于普通的颗粒材料，而表现出独特的小尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应，在光、电、磁、热以及催化等领域展示出独特的优势。量子点的制备方法有很多，主流方法是有机金属法(J.Am.Chem.Soc.，2011，133，15324-15327;Chem.Mater.，2007，19，4670-4675)和巯基水相法(Adv.Mater.，2003，15，1712-1715)。其中有机金属法制备的量子点量子产率很高，但该方法反应条件过于苛刻，需要高温和无水无氧操作；原料的活性很大，易燃易爆，价格昂贵，且剧毒。而巯基水相法只能制备出较少种类性能优良的量子点，局限性大，所以利用水油界面合成纳米晶的方法应运而生。界面合成法相对于以上两种方法显示出明显的优势:(I)合成的量子点的量子产率比较高；(2)所用设备简单；(3)可根据现实生活需要，通过界面组装，把纳米晶转移到所需要的不同溶剂中；(4)反应温度比较低，实验条件温和可控。
[0003]尽管对量子点的研究已经发展了几十年，但是量子点的品种仍然比较有限，目前对量子点理论和应用研究最深入的只是I1-V I族和II1-V族半导体纳米晶，如CdTe, CdS, CdSe, CdTe/ ZnS, CdTe/CdS等，这些量子点大多含有重金属成分，这大大限制了量子点理论和其在太阳能电池、发光二极管(LED)等光电器件上实际应用的拓展与完善，所以开发一类新型的无镉量子点材料将意义深远。目前，对硒化铜半导体材料的研究多数停留在宏观体相材料的程度，只有很少数研究涉及该材料的纳米尺度，但是这些报道的硒化铜荧光量子点或者量子产率非常低、粒径分布不均一(Struct.Chem.，2011, 22:103-110)，或者采用的原料价格很昂贵，且需250°C的高温反应(Adv.Mater.，1999，11，1441-1444)。因此寻找一种成本低廉且简便可行的制备方法，研制高量子产率、窄尺寸分布的硒化铜荧光量子点，对扩大量子点的应用范围具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种硒化铜荧光量子点，此类量子点不含镉等重金属元素，毒性低，具有量子产率高，粒径均一，较窄的荧光发射光谱，发光颜色随激发波长可调，能应用于构筑量子点太阳能敏化电池以及LED器件。
[0005]本发明的另一目的是提供上述硒化铜荧光量子点的制备方法，该方法是基于水油两相界面的制备的方法，该方法简便易行，反应条件温和，不需要高温高压，避免了昂贵的有机金属盐的使用。
[0006]本发明的再一目的是提供硒化铜荧光量子点在构筑量子点敏化太阳能电池或发光器件中的应用。
[0007]本发明的技术方案为:一种硒化铜荧光量子点，其特征在于为硒化亚铜(Cu2Se)、硒化铜(CuSe)或硒化铜(Cu2_xSe,0〈x〈2)中一种或其组合,量子点粒径为2~IOnm,量子产率为10~60%，光致发光谱的半峰宽为30~150nm。
[0008]本发明还提供了上述硒化铜荧光量子点的方法，其具体步骤如下:
[0009]a.以溶有铜盐的水溶液为水相，溶有长链配体的有机溶剂为油相，在惰性保护气体氛围中磁力搅拌使水油两相充分接触，形成水油界面反应体系后在油浴中加热形成前驱体溶液；
[0010]b.将硒氢化钠水溶液注入热的前躯体溶液中，加热反应I~20h，不同时间取样获得具备不同发射荧光的有机相的量子点溶液；
[0011]c.将上层有机相的量子点溶液乙醇沉淀，再经离心、分散，重复后去除未反应原料即得硒化铜荧光量子点。
[0012]优选步骤a中所述的铜盐为氯化亚铜、氯化铜、硫酸铜、乙酸铜或硝酸铜中的一种或其组合；所述的长链配体为油酸、十一烯酸、硬脂酸、三正辛基膦、十二胺、十六胺、十八胺或油胺；所用的有机溶剂为正己烷、甲苯、三氯甲烷或者十八烯。
[0013]优选步骤a中有机溶剂和水的体积比为1: (0.5~2);水相中铜离子摩尔浓度为4~20mmol/L ;长链配体与铜盐的摩尔比例为(I~10):1 ;步骤a中所述的磁力搅拌速度为100~300rpm，反应时间为I~20h，加热温度为30~100°C。
[0014]优选步骤a 中所述的惰性保护气体为氮气、氩气或者他们的混合气。
[0015]优选步骤b中所述的硒氢化钠通过将硒粉于冰水浴中用硼氢化钠还原制得；冰水浴的反应时间为3~8h。
[0016]优选步骤b中所述的硒氢化钠与前躯体溶液中铜离子的摩尔比为0.5~1:1。
[0017]步骤b中所述的不同时间取样获得具备不同发射荧光的有机相的量子点溶液时，其中蓝色荧光量子点取样时间为I~10h，10~15h为黄绿的过渡色，黄色荧光量子点取样时间为15~20h。
[0018]优选步骤c中所述的离心速度为3000~15000rpm,离心时间为10~30min。
[0019]本发明还提供了上述的硒化铜荧光量子点在构筑量子点敏化太阳能电池或发光器件中的应用，其中应用上述量子点制备太阳能敏化电池是通过以下步骤进行的:
[0020]将沉积有二氧化钛纳米薄膜的导电玻璃至于所制备的硒化铜荧光量子点溶液中浸泡48h以上敏化作为阳极；敏化完的电极取出晾干后滴上少量乙腈电解质后盖上印有钼的有机玻璃作为阴极，封装后制成量子点敏化太阳能电池。
[0021]本发明的硒化铜荧光量子点制备发光器件是通过以下步骤进行的:
[0022]将所制备的硒化铜荧光量子点以一定的比例混合与硅胶混合后涂敷在已固好晶焊好线的紫外芯片上(发射波长为380nm)，烘烤使其固化后在芯片上盖上透镜，并在透镜内填充满高折射率填充胶，填充胶固化后制得发光器件。
[0023]本发明的应用荧光碳量子点制造发光器件的方法，其进一步的技术方案是所述的硒化铜荧光量子点与硅胶的混合比例优选为5:95~50:50。
[0024]有益效果:
[0025]1、本发明提出的方法具有简便易行、应条件温和等特点，避免了采用有机金属盐的高温高压反应。
[0026]2、本发明制备的新型硒化铜荧光量子点不含重金属元素，能够稳定地发射出蓝色和黄色荧光，荧光稳定性好，发光效率高，且发光光谱随激发波长和反应时间可调。
[0027]3、本发明制备的新型硒化铜荧光量子点可以作为光电转换材料有效地应用在太阳能电池的构筑中。
[0028]4、本发明制备的新型硒化铜荧光量子点可以作为荧光体有效地应用在LED发光器件中。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为实施例2制备的硒化铜荧光量子点样品的TEM图；
[0030]图2为实施例2制备的硒化铜荧光量子点样品的粒径分布图；
[0031]图3为实施例3制备的硒化铜荧光量子点样品的XRD图；
[0032]图4为实施例4制备的硒化铜荧光量子点样品的紫外吸收和荧光光谱图；
[0033]图5为实施例5制备的硒化铜荧光量子点样品的在不同激发波长下的标准荧光光谱图。
【具体实施方式】
[0034]以下通过具体实施例说明本发明，但本发明并不仅仅限定于这些实施例。
[0035]实施例1
[0036]1.反应前驱体的制备
[0037]称取0.1mmol CuCl溶于25mL去离子水后再在体系中加入溶有0.1mmol油酸的50mL三氯甲烷溶液，以IOOrmp磁力搅拌形成水油反应体系，通氮气Ih后加热至30°C得反应前驱体溶液。
[0038]2.Cu2Se量子点的制备
[0039]称取0.1mmol (0.0038g) NaBH4 和 0.05mmol (0.004g) Se 粉，溶于 Ig 纯净水后于冰水浴中反应约3h，得紫红色NaHSe溶液后注入热的氮气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为100rmp，lh后停止反应。取上层三氯甲烷相溶液用大量乙醇沉淀，并在15000rpm的转速下离心30min后再分散于甲苯，多次反复后获得发蓝色荧光的硒化铜量子点溶液。该量子点的平均粒径为2nm，量子产率为10%，光致发光谱的半峰宽为30nm。
[0040]3.Cu2Se量子点敏化太阳能电池的构筑
[0041]将沉积有二氧化钛纳米薄膜的导电玻璃至于步骤2所获得的蓝色荧光的Cu2Se荧光量子点溶液中浸泡48h敏化。敏化完的电极取出晾干后滴上少量乙腈电解质后盖上印有钼的有机玻璃作为另一个电极，封装后制成量子点敏化太阳能电池，填充因子可达65%。
[0042]实施例2
[0043]1.反应前驱体的制备
[0044]称取lmmol(0.170g)CuC12溶于50mL去离子水后再在体系中加入溶有IOmmoli 烯酸的25mL正己烧溶液，以300rmp磁力搅拌形成水油反应体系,通氮气Ih后加热至90 °C得反应前驱体溶液。
[0045]2.CuSe量子点的制备[0046]称取4mmol (0.1513g) NaBH4 和 2mmol (0.1579g) Se 粉，溶于 Ig 纯净水后于冰浴中反应约5h，得紫红色NaHSe溶液后注入热的氮气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为300rmp，8h后停止反应。取上层正己烷相溶液用大量乙醇沉淀，并在15000rpm的转速下离心30min后再分散于甲苯，多次反复后获得发蓝色荧光的CuSe量子点溶液。该量子点的量子产率为20%，光致发光谱的半峰宽为40nm。表征TEM图和粒径分布图如图1和图2所示，从图中可以看出，制备的量子点分散性较好，粒度很均一，平均粒径在4.6nm。
[0047]3.发光器件的制备
[0048]取上述制备的硒化铜荧光量子点以5:95的比例与硅胶混合，之后涂覆在已固好晶焊好线紫外芯片上(发射波长为380nm)，并置于烘箱中150°C条件下60min使硅胶固化。之后在芯片上盖上透镜，并在透镜内填充满高折射率填充胶，置于烘箱中150°C条件下60min使填充胶固化后，即制得蓝色LED发光器件，色坐标为(0.17，0.13)。
[0049]实施例3
[0050]1.反应前驱体的制备
[0051]称取Immol (0.242g) CuNO3溶于50mL去离子水后再在体系中加入溶有IOmmol硬脂酸的50mL正己烧溶液，以300rmp磁力搅拌形成水油反应体系,通氮气Ih后加热至70°C得反应前驱体溶液。
[0052]2.CuSe量子点的制备
[0053]称取2mmol (0.076g)NaBH4和Immol (0.079g) Se粉,溶于Ig纯净水后于冰浴中反应约5h，得深紫色NaHSe溶液后注入热的氮气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为300rmp，9h后停止反应。取上层正己烷相溶液用大量乙醇沉淀，并在12000rpm的转速下离心20min后再分散于甲苯，多次反复后获得发蓝色荧光的CuSe量子点溶液。该量子点的平均粒径为5nm，量子产率为30%，光致发光谱的半峰宽为50nm。样品的粉末X射线衍射如图3所示,从图中可以看出制备的CuSe量子点为立方晶型。
[0054]3.CuSe量子点敏化太阳能电池的构筑
[0055]将沉积有二氧化钛纳米薄膜的导电玻璃至于步骤2所获得的蓝色荧光的CuSe量子点溶液中浸泡48h敏化。敏化完的电极取出晾干后滴上少量乙腈电解质后盖上印有钼的有机玻璃作为另一个电极，封装后制成量子点敏化太阳能电池，填充因子可达67%。
[0056]实施例4
[0057]1.反应前驱体的制备
[0058]称取Immol (0.250g) CuSO4溶于50mL去离子水后再在体系中加入溶有IOmmol十八胺的50mL十八烯溶液，以300rmp磁力搅拌形成水油反应体系,通氮气Ih后加热至90°C得反应前驱体溶液。
[0059]2.CuSe量子点的制备
[0060]称取2mmol (0.076g) NaBH4和Immol (0.079g) Se粉，溶于Ig纯净水后于冰浴中反应约5h，得深紫色NaHSe溶液后注入热的氮气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为300rmp，13h后停止反应。取上层十八烯相溶液用大量乙醇沉淀，并在3000rpm的转速下离心IOmin后再分散于甲苯，多次反复后获得发黄绿色荧光的CuSe量子点溶液。该量子点的平均粒径为5nm，量子产率为60%，光致发光谱的半峰宽为50nm。紫外吸收和荧光发射光谱图如图4所示，从图中可以看出，荧光发射峰的最高位点在450nm，为黄绿荧光。[0061]4.发光器件的制备
[0062]取上述制备的CuSe量子点荧光量子点以50:50的比例与硅胶混合，之后涂覆在已固好晶焊好线的紫外芯片上(发射波长为380nm)，并置于烘箱中150°C条件下60min使硅胶固化。之后在芯片上盖上透镜，并在透镜内填充满高折射率填充胶，置于烘箱中150°C条件下60min使填充胶固化后，即制得发黄绿光的LED器件，色坐标为(0.31，0.35)。
[0063]实施例5
[0064]1.反应前驱体的制备
[0065]称取Immol (0.170g)CuC12溶于50mL去离子水后再在体系中加入溶有IOmmol三正辛基膦的50mL甲苯溶液，以300rmp磁力搅拌形成水油反应体系，通氮气Ih后加热至40 °C得反应前驱体溶液。
[0066]2.CuSe量子点的制备
[0067]称取2mmol (0.076g)NaBH4和Immol (0.079g) Se粉,溶于Ig纯净水后于冰浴中反应约5h，得深紫色NaHSe溶液后注入热的氮气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为300rmp，7h后停止反应。取上层甲苯相溶液用大量乙醇沉淀，并在15000rpm的转速下离心30min后再分散于甲苯，多次反复后获得发蓝色荧光的CuSe量子点溶液。该量子点的平均粒径为5nm，量子产率为40%，光致发光谱的半峰宽为40nm。图5为所制备的荧光量子点样品的在不同激发波长下的标准荧光光谱图，从图中可以看出所制备的量子点具有不同的激发响应。
[0068]3.CuSe量子点敏化太阳能电池的构筑
[0069]将沉积有二氧化钛纳米薄膜的导电玻璃至于步骤2所获得的蓝色荧光的硫化镍荧光量子点溶液中浸泡48h敏化。敏化完的电极取出晾干后滴上少量乙腈电解质后盖上印有钼的有机玻璃作为另一个电极，封装后制成量子点敏化太阳能电池，填充因子可达63%。
[0070]实施例6
[0071]1.反应前驱体的制备
[0072]称取Immol (0.170g) CuCl2溶于50mL去离子水后再在体系中加入溶有IOmmol十二胺的50mL甲苯溶液，以300rmp磁力搅拌形成水油反应体系,通IS气Ih后加热至40°C得反应前驱体溶液。
[0073]2.Cua87Se量子点的制备
[0074]称取2mmol (0.076g)NaBH4和Immol (0.079g) Se粉,溶于Ig纯净水后于冰浴中反应约5h，得深紫色NaHSe溶液后注入热的氮气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为300rmp，IOh后停止反应。取上层甲苯相溶液用大量乙醇沉淀，并在15000rpm的转速下离心30min后再分散于甲苯，多次反复后获得发黄绿色荧光的Cua87Se量子点溶液。该量子点的平均粒径为6nm，量子产率为40%，光致发光谱的半峰宽为50nm。
[0075]3.Cutl 87Se量子点敏化太阳能电池的构筑
[0076]将沉积有二氧化钛纳米薄膜的导电玻璃至于步骤2所获得的蓝色荧光的Cu2_xSe荧光量子点溶液中浸泡48h敏化。敏化完的电极取出晾干后滴上少量乙腈电解质后盖上印有钼的有机玻璃作为另一个电极，封装后制成量子点敏化太阳能电池，填充因子可达70%。
[0077]实施例7
[0078]1.反应前驱体的制备[0079]称取lmmol (0.242g) CuNO3溶于50mL去离子水后再在体系中加入溶有IOmmol十六胺的50mL正己烧溶液，以300rmp磁力搅拌形成水油反应体系,通IS气Ih后加热至70°C得反应前驱体溶液。
[0080]2.CuSe量子点的制备
[0081]称取2mmol (0.076g)NaBH4和Immol (0.079g) Se粉,溶于Ig纯净水后于冰浴中反应约8h，得深紫色NaHSe溶液后注入热的氮气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为300rmp，20h后停止反应。取上层正己烷相溶液用大量乙醇沉淀，并在15000rpm的转速下离心30min后再分散于甲苯，多次反复后获得发黄色荧光的CuSe量子点溶液。该量子点的平均粒径为10nm，量子产率为30%，光致发光谱的半峰宽为150nm。
[0082]3.CuSe量子点敏化太阳能电池的构筑
[0083]将沉积有二氧化钛纳米薄膜的导电玻璃至于步骤2所获得的蓝色荧光的硒化铜荧光量子点溶液中浸泡48h敏化。敏化完的电极取出晾干后滴上少量乙腈电解质后盖上印有钼的有机玻璃作为另一个电极，封装后制成量子点敏化太阳能电池，填充因子可达65%。
[0084]实施例8
[0085]1.反应前驱体的制备
[0086]称取Immol (0.170g) CuCl2溶于50mL去离子水后再在体系中加入溶有2g油胺的50mL十八烯溶液，以300rmp磁力搅拌形成水油反应体系,通気气和氮气混合气Ih后加热至100 °C得反应前驱体溶液。
[0087]2.Cu2Se和CuSe量子点的制备
[0088]称取2mmol (0.076g)NaBH4和Immol (0.079g) Se粉,溶于Ig纯净水后于冰浴中反应约8h，得深紫色NaHSe溶液后注入热的氩气和氮气混合气氛围下的反应前驱体溶液，磁力搅拌，搅拌速度为300rmp，20h后停止反应。取上层十八烯相溶液用大量乙醇沉淀，并在15000rpm的转速下离心30min后再分散于甲苯，多次反复后获得发黄色突光的Cu2Se和CuSe量子点溶液。该量子点的平均粒径为10nm，量子产率为40%，光致发光谱的半峰宽为150nmo
[0089]3.CuSe量子点敏化太阳能电池的构筑
[0090]将沉积有二氧化钛纳米薄膜的导电玻璃至于步骤2所获得的蓝色荧光的硫化镍荧光量子点溶液中浸泡48h敏化。敏化完的电极取出晾干后滴上少量乙腈电解质后盖上印有钼的有机玻璃作为另一个电极，封装后制成量子点敏化太阳能电池，填充因子可达71%。
【权利要求】
1.一种硒化铜荧光量子点，其特征在于为Cu2Se、CuSe或Cu2_xSe中一种或其组合，量子点粒径为2~10nm，量子产率为10~60%，光致发光谱的半峰宽为30~150nm。
2.一种制备如权利要求1所述的硒化铜荧光量子点的方法，其具体步骤如下: a.以溶有铜盐的水溶液为水相，溶有长链配体的有机溶剂为油相，在惰性保护气体氛围中磁力搅拌使水油两相充分接触，形成水油界面反应体系后在油浴中加热形成前驱体溶液； b.将硒氢化钠水溶液注入热的前躯体溶液中，加热反应I~20h，不同时间取样获得具备不同发射荧光的有机相的量子点溶液； c.将上层有机相的量子点溶液乙醇沉淀，再经离心、分散，重复后去除未反应原料即得硒化铜突光量子点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤a中所述的铜盐为氯化亚铜、氯化铜、硫酸铜、乙酸铜或硝酸铜中的一种或其组合；所述的长链配体为油酸、十一烯酸、硬脂酸、三正辛基膦、十二胺、十六胺、十八胺或油胺；所用的有机溶剂为正己烷、甲苯、三氯甲烷或者十八烯。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤a中有机溶剂和水的体积比为I: (0.5~2);水相中铜离子摩尔浓度为4~20mmol/L ;长链配体与铜盐的摩尔比例为(I~10):1 ;步骤a中所述的磁力搅拌速度为100~300rpm，反应时间为I~20h，加热温度为30 ~100℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤a中所述的惰性保护气体为氮气、氩气或者他们的混合气。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤b中所述的硒氢化钠与前躯体溶液中铜离子的摩尔比为0.5~1:1。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤c中所述的离心速度为3000~15000rpm,离心时间为10~30min。
8.—种如权利要求1所述的硒化铜荧光量子点在构筑量子点敏化太阳能电池或发光器件中的应用。
【文档编号】H01G9/20GK103803511SQ201410062336
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】陈苏, 张强, 王彩凤 申请人:南京工业大学