[发明专利]金属掺杂的半导体纳米晶体及其制造方法

说明书

相关申请资料

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2009年7月1日提交的美国临时专利申请序列号61/222,229的优先权，将其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及纳米晶体材料并且具体地，更具体地，涉及掺杂纳米晶体材料(doped nanocrystalline material)及其制造方法。

背景技术

胶体半导体纳米晶体或量子点(quantum dot)由于它们在开发先进光学材料的前景而已经产生了重大兴趣。尺寸依赖性发射是半导体纳米晶体的吸引人的性能，其允许它们用于各种各样的波长依赖性应用。

例如，预期生物学标记是半导体纳米晶体的一种重大应用。特别地，由于它们的大吸收截面和窄发射带，在电磁光谱的的近红外(NIR)区(700-1400nm)内具有发射的光致发光(荧光，photoluminescent，PL)量子点作为用于体内成像的生物学标记是期望的。此外，半导体纳米晶体在显示技术、热电学、电信学以及发信号(信号转导，singaling)、光子学以及光电设备中也可以找到重要的应用。

然而，半导体纳米晶体(包括掺杂纳米晶体)的合成化学具有挑战性，并且已经激发不断的努力以开发用于各种应用的高性能纳米晶体。一般来说，这些材料目前的限制包括低发射效率、低掺杂剂发射特性、掺杂剂从纳米晶体晶格中排出(弹出，ejection)、广谱宽度、差的色控和/或差的稳定性。

发明内容

鉴于前述限制，本文中描述了掺杂半导体纳米晶体，在一些实施方式中，它们展示出有利的性能。

在一方面，本发明提供了一种包含掺杂剂的半导体纳米晶体，该半导体纳米晶体具有大于约610nm的波长的掺杂剂光致发光(PL)或发射。在另一个实施方式中，一种掺杂半导体纳米晶体具有大于约620nm的波长的掺杂剂光致发光或发射。在一些实施方式中，本文中描述的一种掺杂半导体纳米晶体具有范围从约620nm至约1150nm的波长的掺杂剂光致发光或发射。

在一些实施方式中，掺杂半导体纳米晶体的掺杂剂提供了多个光致发光或发射带。此外，在一些实施方式中，本文中描述的掺杂半导体纳米晶体不表现或基本上不表现出通过由基质材料(主体材料，host material)吸收掺杂剂光致发光或发射所致的自猝灭(self quenching)。

在具有范围从约620nm至约1150nm的掺杂剂光致发光中，在一些实施方式中，本文中描述的掺杂半导体纳米晶体可以在NIR应用(包括但不限于生物学成像、电信学以及发信号、光子学以及光伏装置)中找到用途。

在一些实施方式中，具有大于约610nm的波长的掺杂剂光致发光的掺杂半导体纳米晶体包括基质半导体材料(host semiconductor material)，该基质半导体材料包含II/VI(族)化合物或III/V(族)化合物。如本文中使用的，第II、III、V以及VI族是指根据美国CAS命名的周期表的第IIB、IIIA、VA以及VIA族。例如，第IIB族对应于锌家族，第IIIA族对应于硼家族，第VA族对应于氮家族而第VIA族对应于硫族元素。

此外，在一些实施方式中，半导体纳米晶体的掺杂剂包括金属，包括一种或多种过渡金属。在其他实施方式中，掺杂剂包括非金属。

另外，在一些实施方式中，来自本文中描述的掺杂半导体纳米晶体的所有或基本上所有的光致发光是掺杂剂发射所致。在一个实施方式中，例如，本文中描述的掺杂半导体纳米晶体的至少约90％的光致发光是掺杂剂发射所致。在另一个实施方式中，这些掺杂纳米晶体的至少约95％的光致发光是掺杂剂发射所致。在一些实施方式中，这些掺杂纳米晶体的至少约99％的光致发光是掺杂剂发射所致。在一些实施方式中，本文中描述的掺杂半导体纳米晶体显示出没有或基本上没有来自II/VI(族)或III/V(族)基质半导体材料的带隙发射(bandgap emission)。

在一些实施方式中，本文中描述的掺杂半导体纳米晶体具有高达约40％的光致发光量子产率(PL QY)。在一些实施方式中，掺杂半导体纳米晶体具有至少约10％的PL QY。在一些实施方式中，掺杂半导体纳米晶体具有范围从约1％至约40％的PL QY。在一些实施方式中，掺杂半导体纳米晶体具有范围从约5％至约20％的量子产率。