硅/锗纳米粒子墨水、用于合成纳米粒子的激光热解反应器和相关方法技术

本申请涉及硅/锗纳米粒子墨水、用于合成纳米粒子的激光热解反应器和相关方法。本发明专利技术描述了激光热解反应器设计和相应反应物入口喷嘴以提供尤其适合于合成元素硅粒子的所需粒子淬灭。具体来说，所述喷嘴的设计可基于包围反应物前体流的相当大的惰性气体流用惰性气体和用有效包围所述反应物前体流和淬灭气体流的较大惰性夹带流来促进成核和淬灭。本发明专利技术还描述了改进的硅纳米粒子墨水，其具有的硅纳米粒子未经任何有机化合物表面改性。硅墨水性质可经改造以用于特定印刷应用，例如喷墨印刷、凹版印刷或丝网印刷。本发明专利技术还描述了适当加工方法以不对硅纳米粒子进行表面改性即向墨水设计提供灵活性。

【技术实现步骤摘要】
硅/锗纳米粒子墨水、用于合成纳米粒子的激光热解反应器和相关方法本申请是申请日为2011年6月28日，申请号为201180032443.3、专利技术名称为“硅/锗纳米粒子墨水、用于合成纳米粒子的激光热解反应器和相关方法”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请案要求同时待审的齐鲁沃鲁(Chiruvolu)等人的名为“硅/锗纳米粒子墨水和相关方法(Silicon/GermaniumNanoparticleInks,andAssociatedMethods)”的2010年6月29日申请的美国临时专利申请案61/359,662的优先权，该案以引用的方式并入本文中。
本专利技术涉及用针对激光热解反应器设计的所需喷嘴合成无机纳米粒子，例如掺杂硅纳米粒子。本专利技术进一步涉及可调配为所需墨水(例如喷墨墨水、凹版印刷墨水或印刷糊剂)的硅纳米粒子分散液。
技术介绍
硅是一种重要的工业材料。硅的许多应用是基于硅的半导体性质。硅的半导体性质和电子迁移率可使用掺杂剂来改变。半导体装置的形成一般涉及含选择性掺杂硅的装置区域的形成，其中所述掺杂剂会改变电导性质或其它所需性质。通过选择掺杂方法，可形成装置的不同区域，其向特定装置提供功能以利用半导体性质，例如用含p型掺杂剂和n型掺杂剂的对应材料形成的二极管结。举例来说，n型掺杂剂提供可增加导电带粒子数的过量电子，且所得材料称为n型半导体。p型掺杂剂提供电子缺乏或空穴且用于形成p型半导体。通过适当掺杂，可形成各种装置，例如晶体管、二极管等。多种半导体应用对于许多形式的硅材料产生工业相关性。举例来说，大面积薄膜晶体管等的形成要求替代性的半导体加工方法。另外，随着能源成本增加和能源需求增加，太阳能电池的市场相应地日益增加。大部分工业太阳能电池包含光导硅半导体，且半导体的差异性掺杂有助于收集光电流。在性能要求提高的同时，保持成本降低存在极大压力，因此非常需要对材料加工进行改进，这是一种解决性能问题同时使成本保持在可接受程度的方法。锗是一种可替代硅且具有类似半导体性质的半导体材料。另外，硅与锗可彼此形成半导体合金。
技术实现思路
在第一方面，本专利技术涉及一种包含至少约1重量％的平均初级粒子直径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子的分散液，其中所述分散液为良好分散液，且所述硅粒子没有进行非溶剂的化学键结的有机表面改性。在另一方面，本专利技术涉及一种包含至少约1重量％的平均初级粒子直径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子的分散液，其中所述分散液为良好分散液且总金属污染不超过约1重量百万分率。在另一方面，本专利技术涉及平均初级粒子直径不超过约100纳米且总金属污染含量不超过约5ppm的硅/锗纳米粒子集合。在其它方面，本专利技术涉及一种糊剂，其包含至少约5重量％的平均初级粒径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子、约0.25重量％到约15重量％的沸点为约55℃到约160℃的第一溶剂和约65重量％到约94.75重量％的沸点为至少约175℃的第二溶剂，其中所述糊剂的粘度为约10Pa·s到约300Pa·s。在其它方面，本专利技术涉及一种墨水，其包含至少约1重量％的平均初级粒径不超过约30纳米的元素硅/锗纳米粒子、约10重量％到约60重量％的醇、约30重量％到约80重量％的极性非质子性溶剂，其中所述墨水的粘度为约0.1mPa·s到约100mPa·s且表面张力为约20达因(dyne)/厘米到约70达因/厘米。另外，本专利技术涉及一种制备含元素硅/锗纳米粒子的墨水的方法。所述方法可包含将第二溶剂添加到元素硅纳米粒子分散于第一溶剂中的初始分散液中以形成墨水，所述墨水为所述纳米粒子于溶剂掺合物中的良好分散液。在一些实施例中，元素硅纳米粒子没有用有机化合物进行基于非溶剂的化学键结的表面改性。一般地，第一溶剂与第二溶剂掺和以形成单相。此外，本专利技术涉及一种基于调整纳米粒子浓度来形成具有所选粘度的丝网印刷糊剂的方法，其中所述丝网印刷糊剂包含元素硅/锗纳米粒子。所述方法一般包含将纳米粒子分散于溶剂中以形成糊剂，所述溶剂包含沸点为约55℃到约160℃的第一溶剂与沸点为至少约175℃的第二溶剂的掺合物，其中所述糊剂的粒子浓度为约10重量％到约20重量％且所述糊剂在2s-1的剪切速率下的粘度为约10Pa·s到约800Pa·s。另外，本专利技术涉及一种印刷所需厚度的硅纳米粒子墨水的方法，其中所述墨水包含至少约1重量％的平均初级粒子直径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子且其中所述墨水为良好分散液。所述方法一般包含第一次印刷硅纳米粒子墨水以形成第一硅纳米粒子沉积物，和适当时重复所述印刷一次或一次以上以得到所需厚度的纳米粒子墨水沉积物。在其它方面，本专利技术涉及一种激光热解反应器，其包含反应室、经配置以输送光束穿过所述反应室的光源和相关光学元件、包含反应物储集器的反应物输送系统、经配置以将一种或一种以上反应物自所述反应物输送系统输送到反应室中的喷嘴和经配置以自反应室接收来源于所述喷嘴的流的收集系统。在一些实施例中，喷嘴包含内部惰性气体通道、包围所述内部惰性气体通道的中间反应物通道和包围所述中间反应物通道的外部惰性气体通道，其中所述内部惰性气体通道和所述外部惰性气体通道可操作地连接于惰性气体来源。在一些方面，本专利技术涉及一种通过激光热解来合成纳米粒子的方法，其中所述方法包含使用驱动反应的光束使反应物流发生反应。在一些实施例中，反应物流自喷嘴起始，反应物流过孔环(annularring)，惰性气体流过中心内流道和流过包围反应物流的外部气体通道，其中所述反应物流实质上完全流过光束以使得来自光束的能量可驱动反应以形成产物粒子。在其它方面，本专利技术涉及一种激光热解反应器，其包含反应室、经配置以输送光束穿过所述反应室的光源和相关光学元件、包含反应物储集器的反应物输送系统、经配置以将一种或一种以上反应物自所述反应物输送系统输送到反应室中的喷嘴和经配置以自反应室接收来源于所述喷嘴的流的收集系统。在一些实施例中，喷嘴包含具有一定宽度和长度的反应物通道、一个或一个以上经定向以提供沿所述反应物通道的长度流动的淬灭气体通道和一个或一个以上沿惰性气体通道的长度定向的夹带气体通道，其中所述一个或一个以上淬灭气体通道和所述一个或一个以上夹带气体通道可操作地连接于惰性气体来源且反应物通道可操作地连接于反应物输送系统且其中夹带物入口的面积比所述淬灭气体通道的面积超出至少约25％。在其它方面，本专利技术涉及一种通过激光热解来合成纳米粒子的方法，其中所述方法包含使用驱动反应的光束使反应物流发生反应。在一些实施例中，反应物流自喷嘴起始，反应物流过反应物入口，惰性气体流过大致包围来自所述反应物入口的流的淬灭气体入口且惰性夹带气体流过大致包围惰性淬灭气体流的外部气体通道，其中所述反应物流实质上完全流过光束以使得来自所述光束的能量驱动反应以形成产物粒子。夹带气体流的体积可比惰性淬灭气体流的体积超出至少约25％且夹带气体流以大于惰性淬灭气体流的速度离开喷嘴。另外，本专利技术涉及一种激光热解设备，其包含反应室、经配置以输送光束穿过所述反应室的光源和相关光学元件、包含反应物储集器的反应物输送系统、经配置以将一种或一种以上反应物自所述反应物输送系统输送到反应室中的喷嘴和经配置以自反应室接收来源于所述喷嘴的流的收集系统。在一些本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分散液，其包含至少约5重量％的平均初级粒子直径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子，其中所述分散液为良好分散液，且总金属污染不超过约1重量百万分率。

【技术特征摘要】
2010.06.29 US 61/359,662;2011.03.23 US 13/070,2861.一种分散液，其包含至少约5重量％的平均初级粒子直径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子，其中所述分散液为良好分散液，且总金属污染不超过约1重量百万分率。2.一种硅/锗纳米粒子集合，其平均初级粒子直径不超过约100纳米且总金属污染含量不超过约5百万分率。3.根据权利要求2所述的硅/锗纳米粒子集合，其中所述纳米粒子包含不超过约1百万分率的铁。4.一种糊剂，其包含至少约1重量％的平均初级粒径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子、约0.25重量％到约15重量％的沸点为约55℃到约160℃的第一溶剂和约65重量％到约94.75重量％的沸点为至少约175℃的第二溶剂，其中所述糊剂的粘度为约10Pa·s到约300Pa·s。5.根据权利要求4所述的糊剂，其中所述第二溶剂包含N-甲基吡咯烷酮、乙二醇、丙二醇、萜品醇、2-(2-乙氧基乙氧基)乙醇(卡必醇(Carbitol))、丁基溶纤剂(butylcellosolve)或其组合。6.根据权利要求4所述的糊剂，其中所述第一溶剂包含异丙醇、丙酮、二甲基甲酰胺、环己酮或其组合。7.根据权利要求4所述的糊剂，其中所述元素硅纳米粒子包含至少0.5原子％的掺杂剂。8.根据权利要求4所述的糊剂，其粘度为约50Pa·s到约250Pa·s。9.一种基于调整纳米粒子浓度来形成具有所选粘度的丝网印刷糊剂的方法，其中所述丝网印刷糊剂包含元素硅/锗纳米粒子，所述方法包含：将所述纳米粒子分散于溶剂中以形成所述糊剂，所述溶剂包含沸点为约55℃到约160℃的第一溶剂与沸点为至少约175℃的第二溶剂的掺合物，其中所述糊剂的粒子浓度为约1重量％到约20重量％且所述糊剂在2s-1的剪切速率下的粘度为约10Pa·s到约800Pa·s。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述纳米粒子的所述分散包含：首先将所述纳米粒子分散于所述第一溶剂中以形成初级分散液；将所述第二溶剂添加到所述初级分散液中；和蒸发溶剂以获得所需纳米粒子浓度。11.一种激光热解设备，其包含反应室、经配置以输送光束穿过所述反应室的光源和相关光学元件、包含反应物储集器的反应物输送系统、经配置以将一种或一种以上反应物从所述反应物输送系统输送到所述反应室中的喷嘴和经配置以从所述反应室接收来源于所述喷嘴的流的收集系统，其中所述喷嘴包含内部惰性气体通道、包围所述内部惰性气体通道的中间反应物通道和包围所述中间反应物通道的外部惰性气体通道，其中所述内部惰性气体通道和所述外部惰性气体通道可操作地连接到惰性气体来源。12.根据权利要求11所述的激光热解设备，其中所述光束经配置以使得来自所述反应物通道的流基本上完全流过所述光束。13.根据权利要求11所述的激光热解设备，其中所述喷嘴进一步包含包围所述外部惰性气体通道的夹带通道，其中所述夹带通道可操作地连接到惰性气体来源。14.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：希夫库马尔·基鲁沃卢，伊戈尔·奥尔特曼，伯纳德·M·弗雷，李卫东，刘国钧，罗伯特·B·林奇，吉娜·伊丽莎白·佩格拉梁，乌马·斯里尼瓦桑，
申请(专利权)人：纳克公司，
类型：发明
国别省市：美国,US