[发明专利]一种硅量子点的大规模生产方法

说明书

技术领域

本发明属于量子点技术领域，具体涉及一种量产硅量子点的方法。

背景技术

硅量子点是指尺寸小于硅激子波尔半径，即4.3nm的硅颗粒，根据量子限制效应，当硅颗粒的尺寸被限制在此数量级以下时，硅颗粒的光致发光和电致发光效率大幅增加，使得其可成为一种荧光材料或发光二极管(LED)发光材料。目前，硅量子点生产方法中，主要有电化学方法、自组织生长法等。电化学方法生产硅量子，较难获得小尺寸硅量子点，尺寸精度控制不高。自组织法生长硅量子点，生产成本比较高，生产条件要求也高。

本方法以电化学腐蚀方法制备的亚微米硅粉末为原料，在常温常压环境下，通过化学方法制备尺寸均一度高、发光强度大的硅量子点胶体溶液，该方法具有可大规模生产，产率和纯度高，发光峰位可调，生产条件要求低等优点。

发明内容

本发明针对目前硅量子点生产方法中存在的问题，提出一种生产条件要求低，生产效率高，尺寸精度控制好，可大规模生产的生产硅量子点的方法。

本发明提出的生产硅量子点的方法，具体步骤如下：

（1）配制反应前驱液

将表面活性剂以及基础溶剂配制成混合溶剂，把原料硅纳米粉分散在混合溶剂中；其中，表面活性剂占混合溶剂的体积百分比为5%-50%；表面活性剂为各类常见的有机表面活性剂或者无机表面活性剂，如纯水、十八烯等，基础溶剂为常见挥发性溶剂，如甲醇、乙醇或均三甲苯等；

（2）分离硅纳米粉胶体

将步骤（1）获得的混合物，自然静置或者低速离心，分离出分散性好的硅纳米粉胶体，其中，静置时间在1-10天（根据溶液浓度和沉积量的不同决定），或者用低速离心机，以小于1000转每分钟的速率离心5-30分钟（根据溶液浓度决定）；

（3）配制酸腐蚀液，定量加入步骤（2）得到的硅纳米粉胶体，加快反应终止过程，提高产物硅量子点发光峰位的控制精度；其中，酸腐蚀液由氢氟酸和硝酸的混合物构成，用步骤（1）中的基础混合溶液稀释，氢氟酸体积占比5%-50，硝酸体积占比为5-40%；

（4）利用紫外波段激光器和光谱仪，实时监控产物的发光特性，实现产物的发光峰位控制；

（5）量子点清洗和过滤。

本发明中，所述原料硅纳米粉为多晶硅或者单晶硅粉末，粉末平均尺寸要求小于60nm，该原料是本领域内常见的生产原料。  

本发明中，所用于制备反应前驱液的溶液优选为甲醇和水的混合物，混合物中水的最佳体积含量占比为10%-30%；用于制备前驱液的设备包括超声机，电磁搅拌仪，离心机都是常见的溶液处理设备。硅纳米粉胶体可以通过自然静置或者低速离心获得。

本发明中，酸腐蚀液为硝酸和氢氟酸的混合溶液，浓度可根据选用的硅粉尺寸调整。 

本发明中，氢氟酸与硝酸的优选的体积比例为0.5-2:1。酸腐蚀液滴注速率为1mg-10mg/小时×50ml反应原料比较好。

小于100nm的硅粉末，都是通过电化学腐蚀的方法获得，利用该方法获得的硅粉，不可避免的会有大量大尺寸，不规则的硅颗粒杂质，同时，硅粉本身的粒度分布也很宽，在硅量子点的生产过程中，这些大尺寸的硅颗粒杂质，会引起硅粉末的聚沉。因此，反应过程中，需要通过超声保证粉末的在腐蚀液中的散布，但是超声又带来温度的变化和溶液分布的不均匀性，以及对反应设备的高要求。此外，大颗粒在腐蚀过程中无法被消除，在后续的过滤分离和量子点清洗中都会造成不利影响。利用制备的前驱液，所获得的胶体溶液中，经过自然静置或者低速离心，能够有效地排除大颗粒硅粉末，同时，随着沉积时间的增长，胶体中硅粉末的平均尺寸和粒度分布都将变小，在一定的时间之后，将获得无需任何辅助处理就可以自然散布的硅纳米粉末胶体。

利用本发明方法制备硅量子点的过程中，由于可以搅拌或者静置进行反应，因此，可以结合光学测量设备，对生产过程中的发光特性进行实时监控；同时，由于酸液始终处于不过量状态，因此，终止反应后，纳米颗粒尺寸的几乎不会被进一步腐蚀，对最终获得的产物的发光波长控制精度更高。

本发明采用前驱液预制的方法，进而利用化学控制腐蚀，结合目前行业内硅粉末材料的性质特点，实现了一套具有诸多优势和先进性的硅量子点生产方法，具体表现如下：

1、可大规模生产；

2、所涉及的生产设备和生产条件都要求更低，生产成本更低；

3、利用前驱液预制很好的解决了硅粉末分散，大颗粒去除，和粒度初步筛选这三个硅量子点生产中的重要问题；

4、配合光学测量设备，能够实现硅量子点生产中发光特性的实时监控；