一种梯度合金量子点及其制备方法与流程

本发明涉及半导体功能材料技术领域，特别涉及一种梯度合金量子点及其制备方法。

背景技术：

荧光量子点，尤其诸如cdse、znse或znxcd1-xse的ⅱ-ⅵ族半导体纳米荧光量子点是近年来的研究热点。通过调控量子点尺寸可产生不同波长的荧光，这使得其在生物分子标记和免疫检测、光发射二极管、激光器和太阳能电池等方面的潜在应用受到广泛关注。

目前，诸如cdse、znse或znxcd1-xse的ⅱ-ⅵ族半导体纳米荧光量子点多采用有机相合成的方法制备，其中，硒前驱体制备过程中常通过含磷法确保硒前驱体参与量子点的合成反应。但是含磷法条件苛刻，通常采用topo(三辛基氧化磷)、三丁基膦(tbp)或三辛基膦(op)等含膦化合物作为溶剂溶解硒源制备硒前驱体，并且多采用有机金属(甲基锌，甲基镉，二乙基锌，二乙基镉)作为量子点制备原料，还需在手套箱等密封环境中进行，满足对操作环境的较高要求，并且含磷法所采用的溶剂以及采用的有机金属盐毒性较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种梯度合金量子点及其制备方法。本发明提供的方法，无需以含磷化合物作为溶剂，毒性低；制备条件要求简单。

本发明提供了一种梯度合金量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)将单质硒、镉源、锌源和不含磷有机溶剂混合后升温至第一温度进行保温，得到量子点前驱体；

(2)将所述步骤(1)得到的量子点前驱体升温至第二温度进行保温，得到梯度合金量子点。

优选的，所述第一温度为200～240℃，在所述第一温度保温的时间为10～60min。

优选的，所述第二温度为260～300℃，在所述第二温度保温的时间为10～120min。

优选的，升温至所述第一温度的速率和升温至所述第二温度的速率独立地为5～10℃/min。

优选的，所述不含磷有机溶剂包括油酸、油胺、石蜡、十八稀、二十烷、二十四烷和矿物油中的一种或多种。

优选的，所述镉源中镉和锌源中锌的摩尔比为1:999～999:1；所述单质硒的物质的量小于等于镉源中镉和锌源中锌的总物质的量。

优选的，所述镉源包括氧化镉、氯化镉、硝酸镉、油酸镉、硬脂酸镉、癸酸镉、月桂酸镉、十四酸镉、二十酸镉和二十四酸镉中的一种或多种；

所述锌源包括氧化锌、氯化锌、硝酸锌、油酸锌、硬脂酸锌、癸酸锌、月桂酸锌、十四酸锌、二十酸锌和二十四酸锌中的一种或多种。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的梯度合金量子点，所述梯度合金量子点的成分为znxcd1-xse，其中0<x<1；

所述梯度合金量子点具有核壳结构，包括zncdse核体、包覆在所述核体外的外延壳层和包覆在所述外延壳层外的znse壳层；

所述zncdse核体中zn的质量含量不高于1％；

所述外延壳层的组分包括zn、cd和se；所述cd的含量在外延壳层中由所述外延壳层与zncdse核体接触的内表层到所述外延壳层与znse壳层接触的外表层逐渐减少；所述zn的含量在外延壳层中由所述外延壳层与cdse核体接触的内表层到所述外延壳层与znse壳层接触的外表层逐渐增多。

本发明提供了一种梯度合金量子点的制备方法，包括以下步骤：将单质硒、镉源、锌源和不含磷有机溶剂混合后升温至第一温度进行保温，得到量子点前驱体后，将量子点前驱体升温至第二温度进行保温，得到梯度合金量子点。

本发明采用一锅法合成znxcd1-xse简化了制备过程中的工序，同时以单质硒作为硒源，无需使用含磷有机溶剂，毒性低，使用的不含磷溶剂环保且成本低，可节约成本60％以上。本发明将锌源、镉源和单质硒与不含磷有机溶液混合，利用锌源、镉源与单质硒的不同的反应速率，采用梯度升温的方式，进行分步升温和分阶段保温，制备得到梯度合金量子点，相对于组分固定的量子点(如cdse，znse)具有更高的稳定性和高的量子产率。

本发明制备得到的znxcd1-xse梯度合金量子点具有良好单分散性，尺寸分布均匀，荧光效率高，半高宽窄(25～50nm)，低毒(cd摩尔含量最低可降低到1％以下)且具有良好的稳定性。实施例的结果表明，本发明提供的方法制备得到的梯度合金量子点产率为60～96％，尺寸偏差可控制在不大于15％，荧光光谱范围在450～650nm。

附图说明

图1为本发明实施例1～7制备的znxcd1-xse(0<x<1)量子点的荧光光谱；

其中，图a、b、c、d、e、f和g分别对应x值为0.999，0.99，0.97，0.94，0.9，0.8和小于等于0.6的荧光图谱；

图2为本发明实施例1～7制备的znxcd1-xse量子点的吸收光谱；

其中，图a、b、c、d、e、f和g分别对应x值为0.999，0.99，0.97，0.94，0.9，0.8和小于等于0.6的吸收光谱；

图3为本发明实施例1～7制备的znxcd1-xse量子点的tem图；

其中，图a、b、c、d、e、f和g分别对应x值为0.999，0.99，0.97，0.94，0.9，0.8和小于等于0.6的tem图；

图4为本发明实施例1制备的znxcd1-xse量子点在不同纯化次数情况下量子产率变化情况；

图5为本发明实施例1制备的znxcd1-xse量子点在不同光照时间情况下量子产率变化情况。

图6为本发明实施例4的梯度合金znxcd1-xse量子点合成过程中采用电感耦合等离子体原子发射光谱测试的cd含量随着反应时间延长和温度变化的变化关系。

具体实施方式

本发明提供了一种梯度合金量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)将单质硒、镉源、锌源和不含磷有机溶剂混合后升温至第一温度进行保温，得到量子点前驱体；

(2)将所述步骤(1)得到的量子点前驱体升温至第二温度进行保温，得到梯度合金量子点。

本发明将单质硒、镉源、锌源和不含磷有机溶剂混合后升温至第一温度进行保温，得到量子点前驱体。

在本发明中，所述单质硒优选为硒粉；本发明对所述硒粉的粒径没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的单质硒粉即可。本发明采用单质se作为se前驱体，避免有毒的三丁基磷(tbp)或三辛基膦(top)的使用，降低了危险和成本，避免使用手套箱的繁琐的操作条件。

在本发明中，所述镉源优选包括氧化镉、氯化镉、硝酸镉、油酸镉、硬脂酸镉、癸酸镉、月桂酸镉、十四酸镉、二十酸镉和二十四酸镉中的一种或多种。在本发明中，所述锌源优选包括氧化锌、氯化锌、硝酸锌、油酸锌、硬脂酸锌、癸酸锌、月桂酸锌、十四酸锌、二十酸锌和二十四酸锌中的一种或多种。本发明对所述镉源和锌源的具体来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。

在本发明中，所述不含磷有机溶剂优选包括油酸、油胺、石蜡、十八稀、二十烷、二十四烷和矿物油中的一种或多种，更优选为液体石蜡；所述不含磷有机溶剂的选取能够有效降低量子点的合成成本。本发明对所述油酸、油胺、石蜡、十八稀、二十烷、二十四烷和矿物油的具体来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。

在本发明中，所述镉源中镉和锌源中锌的摩尔比优选为(1～999)：(999～1)，进一步优选为(900～100)：(100～900)，更优选为500:500；所述单质硒的物质的量小于等于镉源中镉和锌源中锌的总物质的量。在本发明中，所述不含磷有机溶剂的用量优选为反应容器的十分之一～三分之一。

本发明对所述硒单质、镉源、锌源和不含磷有机溶剂的混合方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的溶质和溶剂的混合方式即可。在本发明的实施例中，所述混合具体为将所述硒单质、镉源和锌源的混合料加入到所述不含磷有机溶剂中。

本发明将硒单质、镉源、锌源和不含磷有机溶剂的混合物升温至第一温度进行保温，得到量子点前驱体。在本发明中，所述升温速率优选为5～10℃/min，进一步优选为5.5～9.5℃/min，更优选为6～8℃/min。在本发明中，所述第一温度优选为200～240℃，进一步优选为210～230℃，更优选为215～220℃。本发明在所述第一温度保温的时间优选为10～60min，进一步优选为15～55min，更优选为20～50min。本发明对所述升温和保温的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的升温和保温的实施方式即可。

本发明在第一温度保温过程中发生硒单质与镉源和少量锌源的反应，得到量子点前驱体，所述量子点前驱体为zncdse；本发明通过对升温速率、第一升温温度以及保温时间的控制，实现硒单质的熔化，并且促进熔化后硒与镉源和少量锌源的反应，得到富含cd的zncdse晶核。在本发明中，所述量子点前驱体zncdse中zn的质量含量不高于量子点前驱体总质量的1％，进一步优选为≤0.08％，更优选为0.01％～0.05％。本发明制备得到的晶核粒径非常细小。

本发明将所述得到的量子点前驱体升温至第二温度进行保温，得到梯度合金量子点。在本发明中，所述升温至第二温度的升温速率与前述技术方案所述的升温至第一温度的速率要求一致，在此不再赘述。在本发明中，所述升温至第二温度的升温速率优选与升温至第一温度的升温速率一致，便于对成核过程的控制。

在本发明中，所述第二温度优选为260～300℃，进一步优选为265～290℃，更优选为270～285℃，最优选为280℃；本发明在所述第二温度保温的时间优选为10～120min，进一步优选为30～110min，更优选为50～100min，最优选为80～90min。本发明对所述升温和保温的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的升温和保温的实施方式即可。

本发明在所述升温过程中，随着温度的逐渐升高，锌源开始更多的参与反应，在zn质量含量低于1％的zncdse晶核表面生长zn含量逐渐增加的包括zn、cd和se的外延壳层；随着温度的升高以及保温时间的延长，锌源、镉源和硒单质的反应进一步进行，镉源被消耗完毕，只存在锌源和硒单质间的反应，生成znse壳层，包覆在含有zn、cd和se的壳层的表面。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的梯度合金量子点。在本发明中，所述梯度合金量子点的成分为znxcd1-xse，其中0<x<1，进一步优选为0.1≤x≤0.9；在本发明的实施例中，所述x具体为0.6、0.7、0.8、0.9、0.94、0.97、0.99或0.999。

在本发明中，所述梯度合金量子点具有核壳结构，包括zncdse核体、包覆在所述核体外的外延壳层和包覆在所述外延壳层外的znse壳层。

在本发明中，所述梯度合金量子点的粒径优选为4～6nm。在本发明中，所述核壳结构的梯度合金量子点是一次性生长成功。

在本发明中，所述zncdse核体中zn的质量含量不高于zncdse核体总质量的1％，进一步优选为≤0.08％，更优选为0.01％～0.05％；

所述外延壳层的组分包括zn、cd和se；所述cd的含量在外延壳层中由所述外延壳层与zncdse核体接触的内表层到所述外延壳层与znse壳层接触的外表层逐渐减少；所述zn的含量在外延壳层中由所述外延壳层与cdse核体接触的内表层到所述外延壳层与znse壳层接触的外表层逐渐增多。

在本发明中，所述外延壳层的组分包括zn、cd和se；所述cd的含量在外延壳层中由所述外延壳层与zncdse核体接触的内表层到所述外延壳层与znse壳层接触的外表层逐渐减少；所述zn的含量在外延壳层中由所述外延壳层与zncdse核体接触的内表层到所述外延壳层与znse壳层接触的外表层逐渐增多。本发明以此得到无晶格缺陷的从核到壳层按照zn质量含量不高于1％的zncdse/zn-cd-se/znse组分变化的znxcd1-xse梯度合金量子点；即以量子点中心晶核为核体，从核到表面组分逐渐变化，从里到外是一个zn含量逐渐增多，cd含量逐渐减少的变化；所述梯度合金量子点相对于组分固定的量子点(如cdse，znse)具有更高的稳定性和高的量子产率。

本方法无论是在实验室合成还是工业合成上都具有巨大的应用价值。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的梯度合金量子点及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

合成zn0.999cd0.001se量子点：取1.998mmol十碳酸锌，0.002mmol十碳酸镉和2mmolse粉混合加入到50ml液体石蜡中，以升温速率5℃/min的速度逐步升温到240℃，随后在240℃反应20分钟后，继续以5℃/min升温速率升温到310℃反应1小时，即得到zn0.999cd0.001se量子点。

对制备得到的量子点进行量子产率测试，可知量子产率为63％；

对制备得到的量子点进行荧光检测，结果如图1a所示，可知荧光峰位位于450nm；

对制备得到的量子点进行吸收光谱分析，结果如图2a所示；由图2a可知，

对制备得到的量子点进行透射电镜显微组织观察，结果如图3a所示。由图3a可知，得到zn0.999cd0.001se量子点具有良好的单分散性和均一性。

实施例2

合成zn0.99cd0.01se量子点：取1.98mmol十碳酸锌，0.02mmol十碳酸镉和2mmolse粉混合加入到50ml液体石蜡中，以每2分钟20℃的速度逐步升温到240℃，随后在240℃反应20分钟后，继续以每2分钟20℃升温到300℃反应1小时，即得到zn0.99cd0.01se量子点。

对制备得到的量子点进行量子产率测试，可知量子产率为68％；

对制备得到的量子点进行荧光检测，结果如图1b所示，可知荧光峰位位于466nm；

对制备得到的量子点进行吸收光谱分析，结果如图2b所示；

对制备得到的量子点进行透射电镜显微组织观察，结果如图3b所示。由图3b可知，得到zn0.99cd0.01se量子点具有良好的单分散性和均一性。

实施例3

合成zn0.97cd0.03se量子点：取1.94mmol十碳酸锌，0.06mmol十碳酸镉和2mmolse粉混合加入到50ml液体石蜡溶液中，以每2分钟15℃的速度逐步升温到240℃，随后在240℃反应20分钟后，继续以每2分钟15℃的速度升温到300℃反应1小时，即得到zn0.97cd0.03se量子点。

对制备得到的量子点进行量子产率测试，可知量子产率为71％；

对制备得到的量子点进行荧光检测，结果如图1c所示，可知荧光峰位位于478nm；

对制备得到的量子点进行吸收光谱分析，结果如图2c所示；

对制备得到的量子点进行透射电镜显微组织观察，结果如图3c所示。由图3c可知，得到zn0.97cd0.03se量子点具有良好的单分散性和均一性。

实施例4

合成zn0.94cd0.06se量子点：取1.88mmol十碳酸锌，0.12mmol十碳酸镉和2mmolse粉混合加入到50ml液体石蜡溶液中，以每2分钟12℃的速度逐步升温到240℃，随后在240℃反应30分钟后，继续以每2分钟12℃的速度升温到300℃反应1小时，即得到zn0.94cd0.06se量子点。

对制备得到的量子点进行量子产率测试，可知量子产率为82％；

对制备得到的量子点进行荧光检测，结果如图1d所示，可知荧光峰位位于490nm；

对制备得到的量子点进行吸收光谱分析，结果如图2d所示；

对制备得到的量子点进行透射电镜显微组织观察，结果如图3d所示。由图3d可知，得到zn0.94cd0.06se量子点具有良好的单分散性和均一性。

采用电感耦合等离子体原子发射光谱对梯度合金zn0.94cd0.06se量子点合成过程中cd含量随着反应时间延长和温度变化进行测试，cd含量随着反应时间延长和温度变化的变化关系如图6所示。

从图6中可以看出在初始阶段由于温度较低(240℃)，产物中含量以cd为主，cd含量超过99％，虽然保持温度30min，cd的含量仍然在90％左右，说明第一阶段保温主要生成以cdse为主的zncdse合金结构；直到30min提升温度到300℃，随着反应温度的升高和反应时间的延长，cd的含量逐渐降低，zn含量快速升高，说明第二阶段升温和保温过程中生长的zncdse以znse为主，反应60min后组分几乎不再发生变化意味着反应完成。可见制备得到的量子点为核壳结构的梯度合金量子点。

实施例5

合成zn0.90cd0.1se量子点：取1.8mmol十碳酸锌，0.2mmol十碳酸镉和2mmolse粉混合加入到50ml液体石蜡溶液中，以每2分钟18℃的速度逐步升温到240℃，随后在240℃反应20分钟后，继续以每2分钟18℃的速度，升温到300℃反应1小时，即得到zn0.90cd0.1se量子点。

对制备得到的量子点进行量子产率测试，可知量子产率为92％；

对制备得到的量子点进行荧光检测，结果如图1e所示，可知荧光峰位位于515nm；

对制备得到的量子点进行吸收光谱分析，结果如图2e所示；

对制备得到的量子点进行透射电镜显微组织观察，结果如图3e所示。由图3e可知，得到zn0.90cd0.1se量子点具有良好的单分散性和均一性。

实施例6

合成zn0.8cd0.2se量子点：取1.6mmol十碳酸锌，0.4mmol十碳酸镉和2mmolse粉混合加入到50ml液体石蜡溶液中，以每2分钟20℃的速度逐步升温到240℃，随后在240℃反应20分钟后，以每2分钟20℃的速度升温到280℃反应1小时，即得到zn0.8cd0.2se量子点。

对制备得到的量子点进行量子产率测试，可知量子产率为90％；

对制备得到的量子点进行荧光检测，结果如图1f所示，可知荧光峰位位于525nm；

对制备得到的量子点进行吸收光谱分析，结果如图2f所示；

对制备得到的量子点进行透射电镜显微组织观察，结果如图3f所示。由图3f可知，得到zn0.8cd0.2se量子点具有良好的单分散性和均一性。

实施例7

合成zn0.6cd0.4se量子点：取1.2mmol十碳酸锌，0.8mmol十碳酸镉和2mmolse粉混合加入到50ml液体石蜡溶液中，以每2分钟16℃的速度逐步升温到240℃，随后在240℃反应20分钟后，以每2分钟16℃的速度，升温到280℃反应1小时，即得到zn0.6cd0.4se量子点。

对制备得到的量子点进行量子产率测试，可知量子产率为84％；

对280℃条件下反应不同时间时的量子点进行荧光检测，结果如图1g，所示，以波峰为准，从左到右分别对应反应时间为10min、30min和60min，可见随着反应时间的延长(反应时间分别为10min，30min和60min)，荧光峰位发生移动，但是荧光峰位可覆盖550～630nm范围；

对280℃条件下反应不同时间时的量子点进行吸收光谱分析，结果如图2g所示，其中，从上到下三条曲线分别对应反应时间10min、30min和60min；可见，随着反应时间的延长(反应时间分别为10min，30min和60min)，吸收峰位发生红移，峰位可覆盖540～610nm范围；

对制备得到的量子点进行透射电镜显微组织观察，结果如图3g所示。由图3g可知，得到zn0.6cd0.4se量子点具有良好的单分散性和均一性。

实施例8

通过调整原料的用量比例，按照实施例7的方式制备x值0<x≤0.6的znxcd1-xse量子点所得实验现象(荧光和吸收峰变化情况以及粒径)同x＝0.6，荧光光谱和吸收光谱分别如图1g和2g所示，荧光峰位在550～630nm范围内，吸收峰位在540～610nm范围内。

0<x≤0.6的znxcd1-xse量子点的量子产率处于60～80％之间。

由图3可知，本发明制备得到的量子点颗粒尺寸均一，单分散性好，没有团聚，尺寸偏差小，可控制在不大于15％。

当zn的含量0＜x≤0.6时，无论x值是那个得到的荧光吸图谱都是一样的，都是覆盖范围550-630nm范围，当zn的含量高于0.6时，不同合成时间内得到的合金量子点的荧光峰是不发生移动的，但是当cd的量增加到0.6以上时候，荧光峰就会发生移动，荧光峰不再是一个峰位，是一个范围。

实施例9

采用10ml的氯仿溶解量子点，然后加入30～40ml的丙酮溶液，再采用离心机离心把量子点沉淀出来的方法，对实施例1制备得到的量子点进行纯化，如此反复不同次数，将实施例1制备得到的量子点进行多次纯化。对不同纯化次数后量子点的量子点产率进行测试，不同纯化次数情况下量子产率变化情况如图4所示。

对实施例1制备得到的量子点在不同时间的光照后的量子产率进行测试，量子点在不同光照时间情况下量子产率变化情况如图5所示。

由图4可知，经多次纯化处理后，量子产率稳定不变，可见制备得到的量子点稳定性良好；由图5可知，经不同时间的光照处理，量子产率仍未发生明显降低，可见量子点稳定性良好。

从以上实施例可以看出，本发明提供的梯度合金量子点成晶效果好，稳定性好，梯度合金量子点尺寸易控制且分布均匀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。