改善硅纳米粒子的光致发光的方法技术

本发明专利技术提供了一种改善硅纳米粒子的光致发光的方法以及对从其制得的硅纳米粒子组合物的描述。所述方法通常包括将包含平均粒径不大于5nm的硅纳米粒子和流体的组合物暴露于选自以下的非环境条件：(i)升高的温度、(ii)升高的湿度、(iii)通过含氧气体施加的升高的压力、(iv)氢等离子体、(v)氢气、(vi)紫外辐射以及(vii)(i)至(vi)中的至少两个的组合。任选地，可通过气相反应制备所述硅纳米粒子。将所述硅纳米粒子组合物暴露于所述非环境条件导致改善的光致发光。具体地讲，所述经暴露的纳米粒子表现出增大的最大发射强度和发光量子效率。另外，这些改善伴随所发射的光向较短波长的蓝移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开整体涉及硅纳米粒子。更具体地讲，本公开涉及增强硅纳米粒子的光致发光的方法以及从其得到的硅纳米粒子组合物。
技术介绍
本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能并不构成现有技术。小(<5nm)硅纳米粒子的一个主要特性在于这些粒子在可见光中在通过较低波长的光源剌激时会光致发光。据认为，这是通过在纳米粒子的直径小于激子半径时发生的量子局限效应从而导致带隙弯曲(即，间隙增加)所引起的。尽管硅是块状的间接带隙半导体，但直径低于五纳米的硅纳米粒子类似于直接带隙材料。因为直接带隙材料可用于光电子应用，所以硅纳米粒子可能成为用于将来光电子应用的关键材料。然而，具有可实现长期稳定(即，最大程度减少附聚)并且还表现出最大发射强度和发光量子效率的表面性质的纳米粒子的制备始终是一项持久的挑战。学术和工业实验室已开展了且继续在开展涉及开发可用于产生纳米粒子并改变由其形成的纳米粒子所表现出的性质的制造方法和反应器的研究。若干这些方法包括使用微型反应器等离子体、硅烷的气溶胶热分解、蚀刻硅的超声波处理、硅的激光烧蚀和等离子体放电。等离子体放电为在高温下使用大气等离子体或在大约室温下使用低压等离子体产生纳米粒子提供了机会。已使用超高真空和极高频率(例如，射频)电容耦合等离子体产生了发光硅纳米粒子。极高频率使得可在射频(rf)功率与放电之间发生耦合以产生高离子密度和离子能量等离子体。然而，这种电容耦合系统需要相对高的输入功率(～200W)以便提供表现出较为适度功率(～5W)的等离子体，原因是大量的输入射频功率被反射回电源。
技术实现思路
为克服相关领域的所列举缺点和其他限制，本公开提供增强硅纳米粒子的光致发光的方法。本专利技术涉及改善硅纳米粒子的光致发光的方法以及从其制得的硅纳米粒子组合物。该方法包括将包含平均粒径不大于5nm的硅纳米粒子和流体的组合物暴露于选自以下的非环境条件(non-ambient condition)：(i)升高的温度、(ii)升高的湿度、(iii)通过含氧气体施加的升高的压力、(iv)氢等离子体、(v)氢气、(vi)紫外辐射以及(vii)(i)-(vi)中的至少两个的组合。任选地，可通过气相反应制备所述硅纳米粒子。例如，可通过以下方式制备包含硅纳米粒子和流体的组合物：在低压高频脉冲等离子体反应器中形成硅纳米粒子并在反应器中在捕获流体中收集纳米粒子。将硅纳米粒子组合物暴露于分子氢、氢等离子体、紫外辐射、升高的温度、升高的湿度和/或升高的压力导致改善的光致发光。具体地讲，经暴露或处理的纳米粒子表现出增大的最大发射强度和发光量子效率。另外，这些改善伴随所发射的光向较短波长的蓝移。在将组合物暴露于非环境条件之前，可在需要时将组合物暴露于环境温度(ambient temperature)、压力、相对湿度和空气。根据本公开的一个方面，将组合物暴露于非环境条件持续足以增加组合物在通过波长为190nm至600nm的光激发时的最大发射强度的时间量。非环境条件是两种不同条件的组合的一个例子，所述例子包括将硅纳米粒子组合物暴露于升高的温度和升高的湿度。在这种情况下，升高的温度在环境温度以上至高达流体沸点的范围内；而升高的湿度在30％至100％相对湿度(RH)的范围内。非环境条件代表条件组合的另一个例子包括将硅纳米粒子组合物暴露于氢等离子体然后暴露于升高的温度和升高的湿度的组合。将硅纳米粒子组合物暴露于非环境条件的组合的又一个例子包括将组合物暴露于升高的温度以及通过含氧气体(诸如氧或空气)施加的升高的压力的组合。在这种情况下，升高的温度在环境温度以上至高达流体沸点的范围内而升高的压力大于大气压。或者，升高的压力介于大气压与4,000psig(2.768×107Pa)之间。根据本公开的另一个方面，根据本文所述的方法制得的硅纳米粒子组合物包含许多分散在流体中的直径不大于5nm的硅纳米粒子。构成硅纳米粒子组合物的流体中的硅纳米粒子的浓度大于0.0001％(w/w)且小于50％(w/w)。选择组合物中的纳米粒子浓度以使得最大程度减少所选流体中的纳米粒子的附聚。所述流体可由溶剂、有机硅流体或其混合物构成。在流体为有机硅流体时，其选自以下群组中的一个：聚二甲基硅氧烷、苯基甲基二甲基环硅氧烷、四甲基四苯基-三硅氧烷、五苯基三甲基三硅氧烷及其混合物或组合物。硅纳米粒子可包括硅、硅合金或其混合物。硅合金通常由硅以及选自锗、硼、磷和氮中的至少一个元素构成。根据本公开的又一个方面，经暴露的组合物在大于激发波长的波长下具有最大发射强度。或者，经暴露的组合物在190nm至600nm的激发波长的1.1至1.5倍波长下具有最大强度。本公开的硅纳米粒子组合物表现出最大发射波长在暴露于非环境条件之前长于在暴露之后。更具体地讲，经暴露的组合物在250nm至450nm的激发波长下具有460nm至1100nm、或者500nm至700nm的最大发射波长。通过本文提供的说明，其他适用领域将变得显而易见。应当理解，说明和具体实例旨在仅用于示例目的，而非旨在限制本公开的范围。附图说明本文所述附图仅用于示例目的，而非旨在以任何方式限制本公开的范围。图1是根据本公开的教导增强硅纳米粒子组合物的光致发光的方法的图形表示；图2是在多种非环境条件下随时间而绘制的根据本公开的教导制得的硅纳米粒子组合物所表现出的最大发射波长的图形表示；图3是随组合物暴露于非环境条件(即，老化环境)的时间而绘制的根据本公开的教导制得的硅纳米粒子组合物所表现出的归一化最大发射强度的图形表示；图4是随组合物暴露于非环境条件或老化条件的时间而绘制的根据本公开的教导制得的硅纳米粒子组合物中纳米粒子的平均粒径的图形表示；图5是随波长而绘制的硅纳米粒子组合物在暴露于非环境条件之前以及在暴露于非环境条件或在非环境条件中老化之后所测量的激发和发射光谱的图形表示；图6A-6D是随温度/湿度室中的暴露时间或老化而绘制的硅纳米粒子组合物所表现出的最大激发峰波长(图6A)、最大发射峰波长(图6B)、最大发射强度(图6C)和平均粒径(图6D)的图形表示；图7是随着非室温老化过程的进展而显示的硅纳米粒子组合物所表现出的发射光谱的逐渐位移的图形表示；图8是随非环境条件中的暴露时间或老化而绘制的硅纳米粒子组合物的发光量子效率(LQE)的图形表示；图9是随波长而绘制的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善硅纳米粒子的光致发光的方法，其包括：提供包含分散在流体中的平均粒径不大于5nm的硅纳米粒子的组合物；以及将所述硅纳米粒子组合物暴露于选自以下的非环境条件持续足以增强所述组合物的光致发光的时间：(i)升高的温度、(ii)升高的湿度、(iii)通过含氧气体施加的升高的压力、(iv)氢等离子体、(v)分子氢、(vi)紫外辐射以及(vii)(i)‑(vi)中的两个或多个的组合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.30 US 61/677,1341.一种改善硅纳米粒子的光致发光的方法，其包括：
提供包含分散在流体中的平均粒径不大于5nm的硅纳米粒子的
组合物；以及
将所述硅纳米粒子组合物暴露于选自以下的非环境条件持续足
以增强所述组合物的光致发光的时间：(i)升高的温度、(ii)升高的湿
度、(iii)通过含氧气体施加的升高的压力、(iv)氢等离子体、(v)分子
氢、(vi)紫外辐射以及(vii)(i)-(vi)中的两个或多个的组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括通过气相反应制
备所述硅纳米粒子。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述非环境条件选自(i)-(v)或
(i)-(v)中的两个或多个的组合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中在通过波长为190nm
至600nm的光激发时，所述硅纳米粒子组合物在暴露于所述非环境
条件之后的最大发射强度大于所述组合物在暴露于所述非环境条件
之前的最大发射强度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其还包括在使所述硅纳米粒
子组合物暴露于所述非环境条件之前，使所述组合物经受环境温
度、压力、相对湿度和空气。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述非环境条件为升高
的温度和升高的湿度或氢等离子体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述升高的温度从环境温度以上
至高达所述流体的沸点；而所述升高的湿度...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·凯西，卢德米尔·M·赞伯夫，
申请(专利权)人：道康宁公司，
类型：发明
国别省市：美国;US