一种绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法

摘要

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法包括：Se前驱体溶液和Zn前驱体溶液的制备；将Zn盐、In盐、Cu盐和有机包覆剂加入到十八烯ODE中，加热，得到透明溶液，将上述透明溶液在保护气体下加热，然后和硒前驱体溶液混合，反应得到Cu:Zn-In-Se裸核量子点。本方法合成条件安全简单，不涉及重金属元素Cd以及有机磷等有毒可燃试剂，发光效率高，量子点的荧光峰位可以从560nm到720nm可调谐，PL QY可达38％。

说明书

技术领域

本发明涉及量子点技术领域，更具体的说，涉及一种Cu掺杂硒化物多元量子点绿色简便的方法，属于材料制备技术领域。

本发明中PL QY的意义是发光量子效率。

背景技术

Cu掺杂量子点，不但可以保持原有本征量子点的所有特性，还能让量子点增加许多额外的性质，例如增大施托克斯位移用以减少自吸收，提高材料的热稳定和化学稳定性能，以及增加量子点的载流子符合寿命，使得这类掺杂量子点在生物成像和诊断、太阳能电池、发光照明显示器件等领域有着巨大的应用前景。但是随着实际应用的需求，例如在量子点LED中，人们期望获得同一尺寸不同发射的量子点。为满足实际的应用需求，合金量子点应运而生，作为量子点中的重要组成部分，合金量子点可以通过改变组分而不改变量子点的尺寸实现不同不断的发射。实际上到目前为止，II-VI族中Cd(Se,Te)、(Zn,Cd)S和(Zn,Cd)S已有报道。但是这些量子点中都包含重金属元素Cd，将严重制约其在后续的实际应用中。

ZnInSe作为一种典型的II-III-IV族材料，由于不含重金属，且其组分可调谐性，利用Cu离子修饰，可以获得优异的光学性能，其光谱范围可以在540到660nm可调谐，光致发光效率为20-30％。这些方法中，通常采用有机膦(如三丁基膦)来溶解Se而获取Se的前驱体液，但是有机膦价格昂贵，而且有毒且易燃烧，很容易造成环境污染。为此，人们不断寻求新的Se前驱体制备方法。其中以采用ODE溶解效果最佳，但是这种方法需要在较高温度下长的时间才能溶解Se。为此，寻求新的快捷制备Cu掺杂多元硒化物仍然是当前的主要挑战之一。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法，安全性好，操作简单方便，同时不涉及重金属元素Cd以及有机磷等有毒可燃试剂，制备的Cu掺杂多元量子点在同一尺度下，调节组分改变其光学性质，具有良好的发光性能，荧光峰位可以从560nm到720纳米可调谐，PL QY可达38％。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法，包括以下步骤：

1)Se前驱体溶液的制备：称取硒粉单质和十八稀ODE和有机胺配体形成均匀的分散液为Se前躯体溶液； 

2)Zn前驱体溶液的制备：将Zn盐与十八烯ODE和有机胺配体混合，在惰性气体氛围下磁力搅拌并升温，形成透明的Zn前驱体溶液；

3)将适量的铜盐、铟盐、锌盐共同与适量的十八稀ODE，再加入正十二硫醇DDT和油胺OLA，在惰性气体氛围下升温到80-120℃保持15-30分钟，再升温到200-220℃，保温，得到透明溶液；

4)将步骤1)中得到的悬浊液在惰性气体氛围下快速注入到步骤3)得到的透明溶液中，200-220℃保温20-50min，降温到120-160℃，取样测量吸收、发射光谱；

5)将步骤2)获得的Zn前驱体溶液在惰性气体氛围下加入到步骤4所获得的溶液中，升温至200-250℃，保温，再降温至120-170℃，得到量子点原液，取样测量吸收、发射和激发光谱；

6)将步骤5)中得到的量子点原液自然冷却到40-60℃，加入体积比为(2-5):1的甲醇和正己烷的混合液中萃取，搅拌3-15min后停止(搅拌方式可以选择磁力搅拌、机械搅拌等)，静置取上层溶液；对上层溶液重复上述萃取操作4-5次直到下层溶液透明；

7)在步骤6)得到的上层溶液中加入丙酮直到出现少量絮状沉淀，然后离心，得到沉淀物；

8)将步骤7)得到的沉淀物溶解到氯仿中，溶液再添加丙酮得到絮状沉淀、离心、沉淀物溶解到氯仿，重复2-3次，即可获得单分散的Cu掺杂量子点。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤2、3、4、5中惰性气体为氩气、氮气或氦气中的至少一种。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤2中锌盐为乙酸锌、氯化锌、硬脂酸锌、二乙基二硫代氨基甲酸锌中的至少一种。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤3中铜盐为氯化铜、乙酸铜、氯化亚铜、碘化亚铜中的至少一种。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤3中铟盐为氯化铟、乙酸铟、硝酸铟中的至少一种。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤3中锌盐为乙酸锌、氯化锌、硝酸锌、硬脂酸锌中的至少一种。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤1中硒粉的摩尔量为0.1-1.2mmol，以每毫升溶剂中添加量计。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤1中硒粉的摩尔量为0.8mmol，以每毫升溶剂中添加量计。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤3中铟盐与锌盐的摩尔比为1/3-3/1。

本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的一种改进，步骤3中铟盐与锌盐的摩尔比为1/1。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本方法合成条件安全简单，该方法不涉及重金属元素Cd以及有机磷等有毒可燃试剂，制备的Cu掺杂多元量子点在同一尺度下，调节组分改变其光学性质。

本发明将Se粉直接放于OED液体中，超声形成OED-Se均匀分散的悬浊液，用于制备Cu掺杂ZnInSe量子点中Se的原料所获得Cu掺杂材料，量子点的荧光峰位可以从560到720纳米可调谐，PL QY可达38％，高于现有的报道。

本发明获得的量子点能适用于构建发光二极管，具有优异的器件性能。

附图说明

图1、本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的实施例1的样品发光光谱；

图2、本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的实施例1的样品二维光致激发光谱(2d-PLE)图；

图3、本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的实施例1的样品透射电子显微镜(TEM)图；

图4、本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的实施例1的样品的XRD图片；

图5、本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的实施例1的样品的X射线能谱(EDX)图；

图6、本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的实施例1的样品的X射线光电子能谱(XPS)图；

图7、本发明公开的绿色简便制备Cu掺杂硒化物多元合金量子点的方法的实施例1的制得的发光二极管(QD-LED)光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

Se前驱体溶液的制备

称取硒粉单质1mmol(硒粉单质用量还可以为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、 2.9、3.3、4.1、5.3、6.2、7.3、8.7、9.4、10.6、11.5、1.2以及1-12mmol范围内的其它任意值)溶于10ml十八稀ODE和有机胺配体(油胺(OLA))的混合溶液中(其中ODE与OLA的体积比为1:1)形成均质混合溶液。

十八稀ODE和有机胺配体(油胺(OLA))的混合溶液中ODE与OLA的体积比还可以为1:2、1:3、1:4、1:5、1:1.2、1:3.5、1:2.1。

Zn前驱体溶液的制备

称取锌盐(醋酸锌，锌盐还可以为氯化锌、硬脂酸锌、二乙基二硫代氨基甲酸锌中一种或者几种的混合物)1mmol(锌盐用量还可以为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、2.9、3.3、4.1、5.3、6.2、7.3、8.7、9.4、10.6、11.5、1.2以及1-12mmol范围内的其它任意值)溶于10ml十八稀ODE和有机胺配体(油胺(OLA))的混合溶液中(其中ODE与OLA的体积比为1:1)形成均质混合溶液。

十八稀ODE和有机胺配体(油胺(OLA))的混合溶液中ODE与OLA的体积比还可以为1:2、1:3、1:4、1:5、1:1.2、1:3.5、1:2.1。

以上Se前驱体溶液和Zn前驱体溶液均可适用于本发明方案中所有量子点计算方案的制备。

实施例1

依次称量CuCl(4mg,0.04mmol，铜盐还可以为氯化铜、乙酸铜、碘化亚铜中一种或者几种混合物),In(Ac)₃(58mg 0.2mmol，铟盐还可以为氯化铟、硝酸铟中一种或者几种混合物),Zn(Ac)₂(36mg 0.2mmol，锌盐还可以为氯化锌、硝酸锌、硬脂酸锌中一种或者几种的混合物)DDT(1mL),OLA(1mL)和ODE(5mL)加入到100mL的三颈瓶中。通过重复抽真空再通氩气的方式保证瓶内高纯氩气氛围。从室温升温到100℃保持20min以去除残余的水分子和低沸点有机物，得到透明溶液。然后再升温至220℃，保温10min。量取硒(Se)前驱体溶液(包含63mg(0.8mmol)Se、1mL ODE和1mL油胺(OLA))快速注入三颈瓶，在注入温度下保温保持生长30min，得到Cu:Zn-In-Se量子点晶核。迅速降至150℃停止该晶核继续生长。在此温度下将1mL锌前驱体溶液(包含0.2mmol醋酸锌(Zn(Ac)₂和1mL ODE，1mL OLA)迅速加入到反应液中，升温至230℃保持生长20min，再降温至150℃。得到Cu:Zn-In-Se/ZnSe核壳量子点。最后，将溶液冷却至20℃，用甲醇/正己烷萃取法纯化量子点(原液加入体积比为4:1的甲醇和正己烷的混合液中萃取，搅拌15min后停止，静置取上层溶液；对上层溶液重复上述萃取操作5次直到下层溶液透明)。得到的上层溶液中加入丙酮直到出现少量絮状沉淀，然后离心，得到沉淀物；得到的沉淀物溶解到氯仿中，溶液再添加丙酮得到絮状沉淀、离心、沉淀物溶解到氯仿，重复2次，即可获得单分散的Cu掺杂量子点。

锌盐铟盐组分的摩尔质量0.4mmol，改变锌盐/铟盐投料比例为7/3(记为S1),5/5(记为S2)，4/6(记为S3)和3/7(记为S4)。锌盐/铟盐投料比例还可以为1/3、3/1、1/2、5/2、2/1、6/4、2/5。

图1为Cu:Zn-In-Se量子点晶核和Cu:Zn-In-Se/ZnSe核壳量子点的吸收和光致发光图，表明采用Se粉直接放于OED液体中，超声形成OED-Se均匀分散的悬浊液，可用于制备Cu掺杂ZnInSe量子点中Se的原料。所获得Cu掺杂材料，量子点的荧光峰位可以从560nm到720纳米可调谐，PL QY可达38％。图2为样品S1，S2，S3和S4的二维光致激发光谱图(2d-PLE)，表明OED-Se均匀分散的悬浊液制备多元Cu掺杂量子点未发生相分离。图3为样品S1、S2、S3和S4的透射电子显微镜(TEM)照片图，表明4个样品的尺寸分布均匀，且4个样品的尺寸大小基本相同，进一步说明Cu掺杂ZnInSe多元量子点为“组分调节”光学性能。图4为样品S1、S2、S3和S4的X射线衍射(XRD)图，表明4个样品为发生相分离，为纯相ZnInSe晶型。图5为样品S1、S2、S3和S4的X射线衍射(XRD)图，表明4个样品为发生相分离，为纯相ZnInSe晶型。图6为样品S1、S2、S3和S4的X射线能谱(EDX)图，表明Cu掺杂ZnInSe由Cu、Zn、In和Se四种元素组成。图7为样品S2的X射线光电子能谱(XPS)图，表明组成Cu掺杂ZnInSe量子点的元素有Cu⁺、Zn²⁺、In³⁺和Se^2-离子构成。

QD-LED的组装是以薄膜电阻为～20V sq-1的ITO片为基底，此ITO片基底先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声各处理15min，然后用紫外灯在空气中产生臭氧处理5min。在基底上旋涂聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)(AI 4083)，然后在150℃下空气中烘烤15min。然后依次旋涂poly(N,N9-bis(4-butylphenyl)-N,N9-bis(phenyl)-benzidine)(poly-TPD)、Cu掺杂ZnInSe量子点(S2、S3和S4)和ZnO纳米颗粒层。Poly-TPD为空穴传输层，用1.5wt％的Chlorobenzene(2，000rpm，60s)旋涂，随后在110℃下烘烤30min。Cu掺杂ZnInSe量子点(10mg/ml，甲苯)层用2000rpm的速率旋涂，ZnO纳米颗粒(30mg/ml，乙醇)层用2000的速率旋涂。这两层旋涂结束后都在70℃下烘烤30min。然后将制备好的多层样品放入到定制的高真空沉积室(背景压强约为3×10^-7torr)中，沉积顶部Al阳极(100nm厚)。

实施例2

依次称量CuCl₂(4mg,0.04mmol),In(Cl)₃(58mg 0.2mmol),Zn(Cl)₂(36mg 0.2mmol) DDT(1mL),OLA(1mL)和ODE(5mL)加入到100mL的三颈瓶中。通过重复抽真空再通氩气的方式保证瓶内高纯氩气氛围。从室温升温到80℃保持30min以去除残余的水分子和低沸点有机物，得到透明溶液。然后再升温至200℃，保温20min。量取硒(Se)前驱体溶液(包含63mg(0.8mmol)Se、1mL ODE和1mL油胺(OLA))快速注入三颈瓶，在注入温度下保温保持生长40min，得到Cu:Zn-In-Se量子点晶核。迅速降至132℃停止该晶核继续生长。在此温度下将1mL锌前驱体溶液(包含0.2mmol醋酸锌(Zn(Ac)₂和1mL ODE，1mL OLA)迅速加入到反应液中，升温至200℃保持生长32min，再降温至120℃。得到Cu:Zn-In-Se/ZnSe核壳量子点。最后，将溶液(量子点原液)冷却至32℃，用甲醇/正己烷萃取法纯化量子点(原液加入体积比为2:1的甲醇和正己烷的混合液中萃取，搅拌3min后停止，静置取上层溶液；对上层溶液重复上述萃取操作4次直到下层溶液透明)。得到的上层溶液中加入丙酮直到出现少量絮状沉淀，然后离心，得到沉淀物；得到的沉淀物溶解到氯仿中，溶液再添加丙酮得到絮状沉淀、离心、沉淀物溶解到氯仿，重复3次，即可获得单分散的Cu掺杂量子点。

实施例3

依次称量CuI(4mg,0.04mmol),In(NO₃)₃(58mg 0.2mmol),硬脂酸锌(36mg 0.2mmol)DDT(1mL),OLA(1mL)和ODE(5mL)加入到100mL的三颈瓶中。通过重复抽真空再通氩气的方式保证瓶内高纯氩气氛围。从室温升温到110℃保持15min以去除残余的水分子和低沸点有机物，得到透明溶液。然后再升温至210℃，保温30min。量取硒(Se)前驱体溶液(包含63mg(0.8mmol)Se、1mL ODE和1mL油胺(OLA))快速注入三颈瓶，在注入温度下保温保持生长20min，得到Cu:Zn-In-Se量子点晶核。迅速降至140℃停止该晶核继续生长。在此温度下将1mL锌前驱体溶液(包含0.2mmol醋酸锌(Zn(Ac)₂和1mL ODE，1mL OLA)迅速加入到反应液中，升温至250℃保持生长24min，再降温至170℃。得到Cu:Zn-In-Se/ZnSe核壳量子点。最后，将溶液冷却至40℃，用甲醇/正己烷萃取法纯化量子点(原液加入体积比为3:1的甲醇和正己烷的混合液中萃取，搅拌7min后停止，静置取上层溶液；对上层溶液重复上述萃取操作4次直到下层溶液透明)。得到的上层溶液中加入丙酮直到出现少量絮状沉淀，然后离心，得到沉淀物；得到的沉淀物溶解到氯仿中，溶液再添加丙酮得到絮状沉淀、离心、沉淀物溶解到氯仿，重复2次，即可获得单分散的Cu掺杂量子点。

实施例4

依次称量CuCl(4mg,0.04mmol),In(Ac)₃(58mg 0.2mmol),Zn(Ac)₂(36mg 0.2mmol)DDT(1mL),OLA(1mL)和ODE(5mL)加入到100mL的三颈瓶中。通过重复抽真空再通氩气的方式保证瓶内高纯氩气氛围。从室温升温到105℃保持23min以去除残余的水分子和低沸点有机物，得到透明溶液。然后再升温至215℃，保温25min。量取硒(Se)前驱体溶液 (包含63mg(0.8mmol)Se、1mL ODE和1mL油胺(OLA))快速注入三颈瓶，在注入温度下保温保持生长50min，得到Cu:Zn-In-Se量子点晶核。迅速降至130℃停止该晶核继续生长。在此温度下将1mL锌前驱体溶液(包含0.2mmol醋酸锌(Zn(Ac)₂和1mL ODE，1mL OLA)迅速加入到反应液中，升温至240℃保持生长50min，再降温至130℃。得到Cu:Zn-In-Se/ZnSe核壳量子点。最后，将溶液冷却至50℃，用甲醇/正己烷萃取法纯化量子点(原液加入体积比为3:1的甲醇和正己烷的混合液中萃取，搅拌10min后停止，静置取上层溶液；对上层溶液重复上述萃取操作5次直到下层溶液透明)。得到的上层溶液中加入丙酮直到出现少量絮状沉淀，然后离心，得到沉淀物；得到的沉淀物溶解到氯仿中，溶液再添加丙酮得到絮状沉淀、离心、沉淀物溶解到氯仿，重复2次，即可获得单分散的Cu掺杂量子点。

实施例5

依次称量CuCl(4mg,0.04mmol),In(Ac)₃(58mg 0.2mmol),Zn(Ac)₂(36mg 0.2mmol)DDT(1mL),OLA(1mL)和ODE(5mL)加入到100mL的三颈瓶中。通过重复抽真空再通氩气的方式保证瓶内高纯氩气氛围。从室温升温到90℃保持21min以去除残余的水分子和低沸点有机物，得到透明溶液。然后再升温至207℃，保温15min。量取硒(Se)前驱体溶液(包含63mg(0.8mmol)Se、1mL ODE和1mL油胺(OLA))快速注入三颈瓶，在注入温度下保温保持生长20min，得到Cu:Zn-In-Se量子点晶核。迅速降至120℃停止该晶核继续生长。在此温度下将1mL锌前驱体溶液(包含0.2mmol醋酸锌(Zn(Ac)₂和1mL ODE，1mL OLA)迅速加入到反应液中，升温至210℃保持生长40min，再降温至140℃。得到Cu:Zn-In-Se/ZnSe核壳量子点。最后，将溶液冷却至30℃，用甲醇/正己烷萃取法纯化量子点(原液加入体积比为4:1的甲醇和正己烷的混合液中萃取，搅拌12min后停止，静置取上层溶液；对上层溶液重复上述萃取操作4次直到下层溶液透明)。得到的上层溶液中加入丙酮直到出现少量絮状沉淀，然后离心，得到沉淀物；得到的沉淀物溶解到氯仿中，溶液再添加丙酮得到絮状沉淀、离心、沉淀物溶解到氯仿，重复3次，即可获得单分散的Cu掺杂量子点。

实施例6

依次称量CuCl(4mg,0.04mmol),In(Ac)₃(58mg 0.2mmol),Zn(Ac)₂(36mg 0.2mmol)DDT(1mL),OLA(1mL)和ODE(5mL)加入到100mL的三颈瓶中。通过重复抽真空再通氩气的方式保证瓶内高纯氩气氛围。从室温升温到120℃保持17min以去除残余的水分子和低沸点有机物，得到透明溶液。然后再升温至205℃，保温5min。量取硒(Se)前驱体溶液(包含63mg(0.8mmol)Se、1mL ODE和1mL油胺(OLA))快速注入三颈瓶，在注入温度下保温保持生长40min，得到Cu:Zn-In-Se量子点晶核。迅速降至160℃停止该晶核继续生长。 在此温度下将1mL锌前驱体溶液(包含0.2mmol醋酸锌(Zn(Ac)₂和1mL ODE，1mL OLA)迅速加入到反应液中，升温至235℃保持生长30min，再降温至160℃。得到Cu:Zn-In-Se/ZnSe核壳量子点。最后，将溶液冷却至60℃，用甲醇/正己烷萃取法纯化量子点(原液加入体积比为5:1的甲醇和正己烷的混合液中萃取，搅拌9min后停止，静置取上层溶液；对上层溶液重复上述萃取操作5次直到下层溶液透明)。得到的上层溶液中加入丙酮直到出现少量絮状沉淀，然后离心，得到沉淀物；得到的沉淀物溶解到氯仿中，溶液再添加丙酮得到絮状沉淀、离心、沉淀物溶解到氯仿，重复2次，即可获得单分散的Cu掺杂量子点。

以上实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内，同时量子点性能均符合实施例1所得到的产品性能及其误差允许范围内。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。