[发明专利]一种提高Mn掺杂量子点热稳定性的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体纳米材料（量子点）制备技术领域，具体是涉及一种提高Mn掺杂量子点热稳定性的方法。

技术背景

当材料尺寸减少到纳米量级时，由于其纳米效应，材料将产生许多新颖而独特的优于传统材料的各种功能特性，在微电子、生物工程、化工、医学等领域具有广泛的应用价值。

近几年,以过渡金属为激活离子的纳米发光材料，由于其优异的光学特性，开始受到国内外许多学者的关注。已有研究表明，Mn掺杂的量子点不但能够保持一般非掺杂量子点光谱可调谐、发光效率高等优势，而且还可有效地抑制发光的自吸收效应，拥有更好的光化学稳定性等优异性质，在量子点发光器件、太阳能电池、生物荧光标记等方面已显示出诱人的应用前景。

然而当量子点应用于发光器件比如量子点发光二极管时，由于器件的光电转化效率不可能为100%（目前的量子点发光二极管的最高效率不超过30%），因此在工作过程中不可避免的产生热量，导致工作温度远远超过室温。另一方面，量子点的发光机制决定了其发光强度（正比于发光效率）存在明显的温度相关性。一般情况下，温度越高发光效率越低，即存在热淬灭效应。据文献报道，一般非掺杂量子点在温度由室温升高到100℃时其发光强度将下降50%以上，这种严重的热淬灭效应直接影响了其在发光器件中的应用，因此提高量子点的热稳定性是解决其发光效率基础上的又一个关键科学问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过调控Mn掺杂量子点的基体材料的组份，提高量子点的热稳定性。本发明采用成核掺杂方式制备Mn掺杂量子点，通过改变基质材料的组份来调控其禁带宽度，通过变温光谱测试及理论分析证明，可以通过增大基体材料的禁带宽度来提高掺杂量子点的热稳定性。主要创新点如下：设计在Mn掺杂的ZnSe（Mn:ZnSe）量子点表面包覆ZnS壳层，经过高温处理形成Mn:ZnS_1-xSe_x量子点，通过控制Se前驱体和S前驱体的比例，获得不同组份ZnS_1-xSe_x的基体材料，并通过增加S组份比例，提高量子点的热稳定性。所得到的量子点发光强度在80-500K（-193℃-227℃）之间没有明显变化，同时其发光效率在500K的高温下还能达到50%以上，具有显著的应用价值。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案，其主要包括以下步骤：

1)基体阴离子硫族前驱体溶液的配备：a）S前驱体溶液：称取S粉，在惰性气体氛围下加热，使之完全溶解在十八烯中，形成透明油相溶液；b）Se前驱体溶液：称取Se粉，与硼氢化钠混合后，在惰性气体的氛围下溶解在油胺中；

2)基体阳离子前驱体溶液的配备：将Zn前驱体溶液与十八稀、有机胺配体和脂肪酸混合加入到玻璃瓶中，在惰性气体氛围下磁力搅拌并升温到110℃，得到透明溶液；

3)MnSe晶核的制备：将Mn前驱体溶液与十八烯混合后加入到三颈瓶中，在惰性气体氛围下升温到110℃保持20分钟，以除去瓶中的水和空气，再升温到260℃，得到透明溶液。然后将上述步骤1）中Se前驱体溶液迅速注入该溶液中，得到MnSe晶核。

4)Mn:ZnSe量子点的制备：将步骤3）中的溶液温度设定在240℃，将步骤2）中的锌前驱体溶液分三次加入其中后并分别保持15分钟，利于锰离子充分扩散到ZnSe层，形成Mn:ZnSe量子点；

5)将步骤4）得到的溶液用甲醇/正己烷萃取法纯化量子点，然后在萃取完的上层溶液中加入丙酮直到出现絮状，然后离心和沉淀，将沉淀物溶解到氯仿中，重复离心沉淀多次，以除去未反应完的前驱体溶液，获得纯净的Mn:ZnSe量子点；值得强调的是Mn:ZnSe量子点必须经过离心清洗以除去多余的前驱体以及反应边产物，否则在下面的步骤中由于前面反应过程中Se前驱体大量剩余在溶液中而在后续的反应过程中不能有效包覆ZnS，从而不能有效改变ZnS_xSe_1-x合金量子点的组份。

6)ZnS壳层包覆：将步骤5）中得到的量子点溶解到十八烯和油胺的混合液中，将温度升高到100℃，在溶液中加入S前驱体溶液，隔5分钟后再加入Zn前驱体溶液，然后将温度升高到180℃，保持20分钟，让ZnS包覆到Mn:ZnSe量子点上。重复按上述过程加入S和Zn前驱体溶液，可进一步包覆ZnS壳层，直到所需要的层数；

7)将步骤6)中的溶液升温到240℃，保持30分钟，让ZnSe层和ZnS层充分扩散，形成Mn掺杂的ZnS_xSe_1-x合金量子点；