[发明专利]窄谱带无镉发光半导体纳米晶及其制备方法

说明书

本发明提供一种窄谱带无镉发光半导体纳米晶及其制备方法，属于半导体材料技术领域，包括制备谱带无镉发光半导体纳米晶使用的药品为I族、Ⅲ族金属盐及Ⅵ族单质、化合物；光致发光光谱半峰全宽(FWHM)小于45nm；光致发光峰位于540nm‑585nm区间。本发明实现了I‑III‑VI族半导体纳米晶FWHM小于45nm的窄谱带发光；在维持光致发光峰的FWHM均小于45nm同时，实现了光谱范围在540‑585nm内范围可调，获得了绿、黄、橙三种AIS@GaS_x半导体纳米晶；所使用的合成方案产物随反应时间增加不会产生发光性能的突变，更易于对不同批次产物的性能进行控制；能够获得光致发光光谱中位于600–800nm处缺陷发射更低的发光材料。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种环境友好且光电性能优异的窄谱带无镉发光半导体纳米晶及其制备方法。

背景技术

半导体纳米晶体(Nanocrystals,NCs)又被称为量子点(Quantum Dots,QDs)，是一种具有独特电子和光学性质的纳米粒子。胶体半导体量子点具有独特的光物理性质，包括宽吸收光谱，可调谐和较窄发射谱，以及与有机染料相比对光漂白的高抗性，这些特性中的许多都是通过半导体纳米晶在纳米尺度内激子的量子限域效应所产生的。

II-VI族(CdSe,ZnS)，III-V族(InAs,InP)，IV-VI族(PbS,PbTe)，I-III-V族(AgInS₂、CuInS₂)半导体纳米晶由于其独特的尺寸和光学特性被广泛的研究。由于基于镉(Cd)和铅(Pb)基的量子点所具有的优良的光学性能，引发了大量研究者的关注，并运用于医药、光电器件、太阳能聚光器、电子领域和其他行业。然而，上述应用由于所使用的材料中存在Cd和Pb元素，这些重金属元素对于人体及环境具有较大的危害，因此在实际应用中受到较大的限制。因此，开发出具有能够媲美Cd、Pb基材料光电性能的绿色低毒环境友好型半导体纳米晶是非常有必要的。

I-III-VI半导体纳米晶通常被认为是II-VI族、IV-VI族纳米晶的有效的替代材料。这些材料由I族(Cu,Ag)、III族(Al,Ga,In,TI)和VI族(S,Se,Te)元素组成。研究者对AglnS₂,、CulnS₂、CulnSe₂量子点及基于它们的核/壳量子点的合成，性质和应用进行了广泛研究，并应用于不同的科学领域。这类材料具有许多优异的特性，如覆盖可见光到近红外区域的宽可调谐发射光谱，高吸收系数，大斯托克斯(Stokes)位移，长的光致发光寿命和低毒性。由于I-III-VI族纳米晶由多种元素组成组成，具有非化学计量特性，因此可通过前驱体的组分调控改变其光学性质，实现宽的可调谐光谱以及其他光学性能的调控。

在典型的I-III-VI族半导体纳米晶中，Ag-In-S基纳米晶具有与铜基I-III-VI族纳米晶相似的物理化学性质，它们的光致发光性能很容易通过其组成来控制，能够在较温和的反应条件下与硫化锌、硫化镓形成合金进而提升光学特性，且Ag⁺半径大于Cu⁺，高温时流动性较小，较易优化和调控其光学特性，具有良好的应用前景。

无镉三元I-III-VI族半导体纳米晶(如AgInS₂和CuInS₂)已被广泛研究以取代含镉量子点。以CulnS₂、AgInS₂和它们的硒化衍生物为例，虽然其普遍的量子产率已提高到50％以上，但其光致发光缺乏单色性，其较大的光谱峰半峰宽已被认为是一个主要问题。在三元半导体量子点的广谱发光至少有两种可能的来源：纳米晶表面缺陷和/或晶体内部缺陷，其结构多样性的特点通常被认为是各种给体-受体能级产生的原因，一些研究者从时间分辨光谱及XRD图谱中分析得出，基于I-III-VI族的半导体纳米晶会不可避免地产生来自几组给体-受体对的发射。虽然目前研究者可通过多种途径钝化纳米晶缺陷，其中最广泛使用的是通过ZnS包覆钝化I-III-VI族半导体纳米晶的表面缺陷，但其光致发光(PL)半峰宽(FWHM)仍普遍大于90nm。