[发明专利]单分散硫化铅纳米团簇的低温制备方法

说明书

本发明公开了单分散硫化铅纳米团簇的低温制备方法，其包括团簇生长、表面铅原子的巯基硅烷钝化、硫原子的卤素取代钝化三个阶段。本发明的制备方法，可在低温条件下获得超细(不大于1.5nm)的单分散的PbS纳米团簇，且方法简单，无需隔离水氧，具有合成产率高、适合批量生产的优势。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种尺寸分布均匀的纳米团簇材料的制备方法。

背景技术

硫化铅体材料的电子能带具有0.41eV的能隙，激子波尔半径为18nm，可以通过制备不同尺寸的纳米颗粒，得到不同的电子能隙，具有良好的光电子应用前景。其晶格结构为面心立方，晶格常数为0.593nm，原子间依靠共价键结合，化学稳定性好。大多数II-VI族和III-V族半导体的空穴有效质量较大，难以实现在动量空间上的高度限域。硫化铅的电子和空穴均具有很大的波尔半径，激子结合能高，是实现高效率的激子发光和非线性光学特性的重要纳米材料。利用其优异的电子能态结构，进一步减小硫化铅纳米颗粒的尺寸，有望获得更好的光学特性。

现有技术可以获得粒径低至3nm的适合红外波段应用的硫化铅量子点材料。如果进一步减小这种纳米材料的粒径到2.5nm以下，还可以继续增加能隙，使相关应用延伸到可见光波段。由于纳米材料性能与尺寸密切相关，控制尺寸分布是制备纳米材料的共同要求。特别是制备这种尺寸在2.5nm以下的纳米团簇材料，尺寸控制变得更加困难。

硫化铅量子点的实验室制备主要有两种技术路线，一种是基于油酸铅和双(甲氧基硫化硅)在十八烯中的反应，另一种是基于氯化铅与单质硫在油胺中的反应。这两种技术路线均需要采用希莱克技术(Schlenk line)，在除湿除氧的条件下完成反应，且反应温度一般大于100℃。颗粒较小的硫化铅纳米材料在空气中具有更好的稳定性和更高的荧光量子效率；纳米颗粒中的铅硫摩尔比Pb:S较高，接近2:1^[1]。采用TOP配体可以得到尺寸低至3nm的硫化铅量子点，但是合成产率低且尺寸分布显著变宽^[2]。制备尺寸分布均匀的小尺寸的硫化铅量子点或纳米团簇，通常需要采用大于8的铅硫摩尔比，远大于硫化铅纳米颗粒产物中的铅硫摩尔比，因而限制了纳米材料合成产率的提升。粒径小于2.5nm的超细纳米团簇的大批量制备技术是打开硫化铅纳米材料应用市场的一个关键技术。

参考文献：

[1]Tang J,Brzozowski L,Barkhouse DAR,Wang XH,Debnath R,Wolowiec R,etal.Quantum Dot Photovoltaics in the Extreme Quantum Confinement Regime:TheSurface-Chemical Origins of Exceptional Air-and Light-Stability.AcsNano.2010；4(2):869-78.

[2]Moreels I,Justo Y,De Geyter B,Haustraete K,Martins JC,Hens Z.Size-Tunable,Bright,and Stable PbS Quantum Dots:A Surface Chemistry Study.AcsNano.2011；5(3):2004-12.

发明内容

基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明公开了一种单分散硫化铅纳米团簇的低温制备方法，以期可以在低温条件下获得粒径小于2.5nm的单分散硫化铅团簇，延伸硫化铅纳米材料在可见光及更短光学波段的应用，提升材料光学性能。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明单分散硫化铅纳米团簇的低温制备方法，其特点在于，包括团簇生长、表面铅原子的巯基硅烷钝化、硫原子的卤素取代钝化三个阶段；

所述的团簇生长是以硫脲与乙酸铅为原料，在极性溶剂中反应，获得无钝化层PbS纳米团簇的分散液，记为UP-PbS纳米团簇的分散液；