大面積制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體與納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種大面積制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法。本方法采用噴霧的方法將不同的前驅(qū)液和清洗溶液分別連續(xù)噴到襯底上，由人工或自動(dòng)控制所需的循環(huán)次數(shù)，在襯底上制備出量子點(diǎn)。本發(fā)明方法簡(jiǎn)化了量子點(diǎn)的制備工藝，降低了設(shè)備成本；制備過(guò)程中不同前驅(qū)液和清洗液不會(huì)在各自的容器中相互污染，提高了材料利用率；由于不需要浸入大面積襯底的容器，襯底大小不受限制，特別適合于太陽(yáng)電池這類需要大面積襯底的光電子器件；而且量子點(diǎn)只在需要生長(zhǎng)的襯底面上生長(zhǎng)。另外可以附加襯底加熱組件，對(duì)某些需要在量子點(diǎn)生長(zhǎng)過(guò)程中加熱或生長(zhǎng)結(jié)束后退火的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理。
【專利說(shuō)明】大面積制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體與納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種大面積制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]量子點(diǎn)由于具有許多不同于宏觀體材料的物理化學(xué)性質(zhì)，在非線形光學(xué)、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥及功能材料等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景，特別是它的獨(dú)特電子和發(fā)光性質(zhì)使其在發(fā)光二極管，激光和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域被深入地研究并漸漸走向?qū)嶋H應(yīng)用。以太陽(yáng)電池為例，目前晶體硅太陽(yáng)電池是最主流的形式，但是這類太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率理論上最多僅為30%，而半導(dǎo)體量子點(diǎn)太陽(yáng)電池在理論上可以實(shí)現(xiàn)60%以上的高轉(zhuǎn)換效率。這是因?yàn)樵诎雽?dǎo)體量子點(diǎn)的作用下，具有充足能量的單光子激發(fā)產(chǎn)生多激子，而且量子點(diǎn)在帶隙里形成中間帶，可以有多個(gè)帶隙起作用，來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這兩個(gè)效應(yīng)大大增加了光電轉(zhuǎn)換效率。
[0003]目前常用的半導(dǎo)體量子點(diǎn)制備方法，一是外延技術(shù)，如分子束外延(MBE)、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和化學(xué)束外延(CBE)等方法，這也是目前制備高質(zhì)量量子點(diǎn)的方法，缺點(diǎn)是這類方法一般需要高真空或超高真空環(huán)境，且控制復(fù)雜，成本高。二是化學(xué)腐蝕法，缺點(diǎn)是量子點(diǎn)尺寸控制不好。三是溶液方法，包括膠體法，這類方法利用前驅(qū)溶液在襯底上生長(zhǎng)量子點(diǎn)，具有工藝簡(jiǎn)單，成本底等特點(diǎn)。在第三類方法中，連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法(SILAR)能夠在室溫下成膜，量子點(diǎn)尺寸可控，污染小等優(yōu)點(diǎn)，近幾年越來(lái)越受到關(guān)注。它是將襯底分別連續(xù)浸入陰離子和陽(yáng)離子的溶液中，利用異性離子的吸附產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成量子點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)多次以上的循環(huán)來(lái)控制量子點(diǎn)的尺寸。但該方法目前有一些缺點(diǎn)，
Φ襯底需要浸入到溶液中，因此如果襯底面積很大，所需的溶液容器體積也相應(yīng)變大；?通
常量子點(diǎn)只需要制備在襯底的一個(gè)面上，而以上工藝導(dǎo)致襯底兩面都會(huì)有量子點(diǎn)，在制備
器件的過(guò)程中需要多一道工序，清洗不需要量子點(diǎn)的一面~由于襯底是連續(xù)浸入不同離
子溶液中，即使可以增加另一種清洗溶液，也不可避免不同離子溶液會(huì)被襯底帶入另一種溶液中，導(dǎo)致兩種溶液混合，相互污染，這樣既浪費(fèi)了離子溶液，也降低襯底上量子點(diǎn)質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量?jī)?yōu)異的大面積制備量子點(diǎn)的方法。
[0005]本發(fā)明提出的制備量子點(diǎn)的方法，是采用噴霧的方式，將不同溶液分別順序噴在襯底上，經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成所需量子點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明提出的制備量子點(diǎn)的方法，具體步驟為:
(I)配制制備量子點(diǎn)所需的前驅(qū)體溶液，包括陰離子溶液、陽(yáng)離子溶液和清洗(或漂洗)溶液。也可以是制備量子點(diǎn)所需的溶膠。這些溶液或溶膠作為噴涂液； (2)將襯底放置在襯底架上，襯底架可以水平放置或垂直放置，襯底架可以有旋轉(zhuǎn)裝置，以甩掉多余溶液；
(3)將不同的的噴涂液分別裝入容器，用不同的噴槍將不同溶液按照所需的噴涂時(shí)間、順序和間隔時(shí)間噴到襯底上；
(4)噴涂液在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成半導(dǎo)體量子點(diǎn)；
(5)手工或利用自動(dòng)控制，重復(fù)步驟(3)、(4);經(jīng)過(guò)多次循環(huán)噴涂，形成所需尺寸和面積的半導(dǎo)體量子點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明中，所制備的量子點(diǎn)材料可以是PbS，CdS, ZnS, Cd-ZnS, Ag2S,，Sb2S3, CuS,In2S3, Bi2Se3, As2Se3, ZnSe, CdSe, CuInS2, CuInSe2 等等二兀、三?；蚨嘭；衔?。
[0008]本發(fā)明中，各種噴涂液的噴涂順序、噴涂時(shí)間和間隔時(shí)間可根據(jù)要求改變。
[0009]本發(fā)明中，其噴霧方式可以是高壓無(wú)氣霧化、氣體霧化、超聲霧化以及靜電霧化等不同方式。
[0010]本發(fā)明中，襯底可以附加加熱系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品制備過(guò)程中和制備后進(jìn)行熱處理。
[0011]本發(fā)明中，多次循環(huán)可采用手工或自動(dòng)控制來(lái)完成。
[0012]本發(fā)明中，制備環(huán)境可以是在大氣中、人為氣氛(包括單一氣體或混合氣體)或真空環(huán)境中。
[0013]本發(fā)明中，量子點(diǎn)可以制備在光滑襯底材料和襯底上的薄膜上，也可以制備在表面修飾過(guò)的襯底表面上，如經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)處理或有納米陣列(包含襯底材料和其它材料)的表面。
[0014]本發(fā)明方法簡(jiǎn)化了量子點(diǎn)的制備工藝，降低了設(shè)備成本；制備過(guò)程中不同前驅(qū)液和清洗液不會(huì)在各自的容器中相互污染，提高了材料利用率；由于不需要浸入大面積襯底的容器，襯底大小不受限制，特別適合于太陽(yáng)電池這類需要大面積襯底的光電子器件；而且量子點(diǎn)只在需要生長(zhǎng)的襯底面上生長(zhǎng)。另外可以附加襯底加熱組件，對(duì)某些需要在量子點(diǎn)生長(zhǎng)過(guò)程中加熱或生長(zhǎng)結(jié)束后退火的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理。
【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1:本發(fā)明在有ZnO納米線陣列的玻璃襯底上制備CdSe量子點(diǎn)，包含以下步驟:
(O在玻璃襯底上制備出ZnO納米線陣列；
(2)配制前驅(qū)液和漂洗溶液，濃度0.5M的醋酸鎘溶液作為陽(yáng)離子溶液，0.5M硒代硫酸鈉溶液作為陰離子溶液，IM醋酸鈉作為漂洗溶液；
(3)利用空氣霧化方式將襯底噴上一層醋酸鎘溶液；
(4)保持2分鐘,將襯底甩干；
(5)利用空氣霧化方式將襯底噴上一層醋酸鈉溶液；
(6)保持I分鐘，將襯底甩干；
(7)利用空氣霧化方式將襯底噴上一層硒代硫酸鈉溶液；
(8)保持3分鐘,將襯底甩干；
(9)利用空氣霧化方式將襯底噴上一層醋酸鈉溶液；
(10)保持I分鐘，將襯底甩干；(11)利用自動(dòng)控制方式重復(fù)以上(3)- (10)步驟，循環(huán)20次；
(12)在有ZnO納米線陣列的玻璃襯底上制備出所需的CdSe量子點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種大面積制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法，其特征在于具體步驟為: (1)配制制備量子點(diǎn)所需的前驅(qū)體溶液，包括陰離子溶液、陽(yáng)離子溶液和清洗溶液；或者制備量子點(diǎn)所需的溶膠；這些溶液或溶膠作為噴涂液； (2)將襯底放置在襯底架上，襯底架水平放置或垂直放置，襯底架設(shè)有旋轉(zhuǎn)裝置，以甩掉多余溶液； (3)將不同的的噴涂液分別裝入容器，用不同的噴槍，以噴霧方式將不同的噴涂液按照所需的噴涂時(shí)間、順序和間隔時(shí)間噴到襯底上； (4)噴涂液在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成半導(dǎo)體量子點(diǎn)； (5)重復(fù)步驟(3)、(4);經(jīng)過(guò)多次循環(huán)噴涂，形成所需尺寸和面積的半導(dǎo)體量子點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所制備的量子點(diǎn)材料是PbS，CdS,ZnS,Cd-ZnS, Ag2S,, Sb2S3, CuS, In2S3, Bi2Se3, As2Se3, ZnSe, CdSe, CuInS2,或 CuInSe20
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于各種噴涂液的噴涂順序、噴涂時(shí)間和間隔時(shí)間根據(jù)要求改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述噴霧方式是高壓無(wú)氣霧化、氣體霧化、超聲霧化或靜電霧化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述襯底附加加熱系統(tǒng)，用于對(duì)產(chǎn)品制備過(guò)程中和制備后進(jìn)行熱處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述多次循環(huán)噴涂采用手工或自動(dòng)控制來(lái)完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于制備環(huán)境是在大氣環(huán)境、單一氣體或混合氣體環(huán)境，或真空環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于量子點(diǎn)制備在光滑襯底材料上，或襯底上的薄膜上，或制備在表面修飾過(guò)的襯底表面上。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK103489962SQ201310459051
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月7日
【發(fā)明者】莫曉亮, 陳國(guó)榮, 鄭凱波 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)