形状可控半导体纳米晶微流反应合成-开题-课件

华东理工大学硕博连读开题报告形状可控半导体纳米晶的微流反应合成报告人:付红红导师:栾伟玲教授2008.12.30华东理工大学硕博连读开题报告形状可控半导体纳米晶的微流报告人1Outline研究背景1文献综述2实验室前期研究3研究意义与内容4Outline研究背景1文献综述2实验室前期研究3研究意义与2半导体纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料

半导体纳米晶亦称为“人工原子”

分类√零维，如纳米微粒、原子团簇等一维，如纳米线、纳米棒、纳米管等二维，如超薄膜、多层膜、超晶格等研究背景生物医药：细胞、蛋白质和核酸等的特异性标记医学成像药物筛选发光器件：广谱发光、单色性、稳定（照明、显示器、发光二极管）光电器件:半导体纳米晶实现的热载流子收集、输运以及多激子产生可使下一代太阳能电池的效率达到66%(a)

研究背景3研究背景Quantumdot半导体材料多形状纳米晶可控合成是实现绿色能源有效利用的重要基础！半导体纳米晶C随尺寸与形状变化的能带结构，实现吸收谱带与太阳光谱的最大重合

C不连续的能带结构可使高于半导体禁带宽度的能量得到有效利用

C吸收一个光子后能够产生多个电子-空穴对太阳能电池，就是使太阳光照射到某种材料上，产生出电流，从而对外做功的一种装置

研究背景Quantumdot半导体材料多形状纳米晶半导体纳4多形状半导体纳米晶的研究气相-液相-固相生长气体-固体生长溶剂热合成高温有机金属法是以液态金属团簇催化剂作为气相反应物的活性点，将所要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸气，待蒸气扩散到液态金属团簇催化剂表面，形成过饱和团簇后，在催化剂表面生长形成一维纳米结构将一种或几种反应物，在高温区通过加热形成蒸气，然后用惰性气流运送到反应器低温区或者通过快速降温使蒸气沉积下来，生长成为一维纳米结构材料。所需温度较高，不同反应物需要根据其熔点来选择蒸发温度。制备过程比较耗时，一般几天，甚至几周多形状半导体纳米晶的研究气相-液相-固相生长气体-固体生长溶5多形状半导体纳米晶的研究进展高温有机金属法Murray,.Bawendi.J.Am.Chem.Soc.1993,115,8706X.Peng,L.Manna,W.Yang.et.al.Nature.2000,404,59-61

多形貌的CdSe纳米颗粒

多形状半导体纳米晶的研究进展高温有机金属法Murray,.B6Z.APeng,X.Peng.J.Am.Chem.Soc.2001,123,1389-1395a两次注射形成小长径比的纳米棒，b三次注射形成长径比大于10的一维结构CdTe纳米棒形状演变F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542前躯体浓度多形状半导体纳米晶的研究进展有效单体模型高单体浓度是形成各向异性生长的关键，可以通过连续注射有效单体前躯体溶液来实现Z.APeng,X.Peng.J.Am.Che7配位分子a:配合剂HPA的浓度8%b：HPA为20%c:HPA为60%

改变HPA和TOPO中HPA的浓度CdSe纳米晶形状演变多形状半导体纳米晶的研究进展L.Manna,E.C.Scher,A.P.Alivisatos.J.Am.Chem.Soc.2000,122,12700-12706（a）油胺做配合剂（b）油胺和TOP做配合剂（c）油胺、TOP和油酸做配合剂J.HWarnerandH.Cao.Nanotechnology.2008,19配位分子选择吸收不同的配位分子有选择的吸附纳米晶的不同晶面从而不同晶面的表面自由能发生改变，产生不同晶面的取向生长配位分子a:配合剂HPA的浓度8%b：HPA为20%8多形状半导体纳米晶的研究进展反应温度（a）280oC（b）315oC（c）320oC（d）330oC由TDPA、TOPO、TOP组成的混合表面活性剂合成的CdS纳米线C.C.Kang,C.W.Lai.et.al.small.2007,3,1882-1885c提高温度纳米晶短轴直径变大，长轴尺寸变小d演变成点状CdTe纳米棒形状演变F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542多形状半导体纳米晶的研究进展反应温度（a）280oC（b）39微反应合成半导体纳米晶的研究微流反应在合成可控形状无机纳米晶方面的优势

√微流反应技术可以实现形状纳米晶的可控、连续合成

√微流反应技术可以获得尺寸、形状高度均一的纳米晶

√微流反应可以实现纳米晶形状演变过程的高分辨解析烧瓶合成可控形状无机纳米晶

难以实现产物对化学和物理均匀性的要求

可重复性较差

难以进行反应过程的机理解析微反应合成半导体纳米晶的研究微流反应在合成可控形状无机纳米10实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点Procee11实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点Procee12课题研究意义合成成本低、性能好、形状可控、可大规模生产的无机半导体纳米晶，并进行形状演变机理的解析，为纳米晶在光伏器件、催化、信息存储等领域提供技术支撑。一维以及枝化纳米晶的液相合成尚属于新兴的领域，具有极大的挑战性,特定形状纳米晶的获得存在随机性；纳米晶形状演变机理的精确解析缺乏实验依据和普适性,呈现多种不同的形状演变机理相互竞争的局面；使用微流反应进行无机半导体纳米晶的形状控制尚未见报道，烧瓶法合成已确立的反应体系还很有限；一维以及枝化纳米晶的研究有望为绿色能源技术的进步提供支持。课题研究意义一维以及枝化纳米晶的液相合成尚属于新兴的领域，具131.针对研究较为成熟的材料组分(CdSe、PbS)，将烧瓶反应工艺转移到微反应器中进行形状控制研究。基于获得样品的性能对反应系统的结构进行改进，并考察微流效应对反应过程的影响；2.针对获得的纳米晶，基于改进后的反应系统进行表面活性剂类型、反应温度、停留时间、反应前躯体浓度等因素的高通量考察。结合光谱以及透射电镜等进行纳米晶形状演变过程的解析；3.针对环境友好的材料体系(InP、ZnTe、ZnO/ZnS、InCuSe），开发纳米晶合成的工艺。并基于前期研究获得的结果进行纳米晶形状的控制。4.基于获得的环境友好纳米晶的合成工艺，采用模块化微反应系统进行纳米晶的大量制备。5.针对光电器件中的应用进行纳米晶自组装特性考察，并测试其光学特性。在此基础上基于荧光寿命等性能的测试进行纳米晶激子动力学、载流子分离以及复合特性的研究。研究内容1.针对研究较为成熟的材料组分(CdSe、PbS)，将烧瓶14技术路线

—多形状纳米晶的合成工艺反应器结构改进前躯体A烧瓶合成样品表征前躯体B配合剂改变参数合成配方微反应合成样品表征实验放大光伏器件研究形状演变机理研究结构设计与加工技术路线

—多形状纳米15一维以及枝化纳米晶的合成具有极大的挑战性纳米晶形状演变过程解析

反应体系的选择前躯体粘度是在微通道中流动的障碍纳米晶体在光电器件中的应用课题难点一维以及枝化纳米晶的纳米晶形状反应体系的选择纳米晶体在光电器16创新点1采用连续微流反应的方法制备一维及枝化的半导体纳米晶2通过控制时间分辨取样进行纳米晶形状演变过程的高精度解析3环境友好纳米晶的形状控制及微反应制备4结合HRTEM，拟从光谱等其他方式进行纳米晶的形貌表征创新点123417进度安排2008.5-2008.9查阅文献，了解课题，文献综述；2008.10-2009.3以CdSe、PbS等半导体材料为研究对象，进行纳米棒合成的初期实验摸索；2009.4-2009.6完成反应工艺参数的优化，并进行其它形状纳米晶的制备研究，拟撰写论文1篇；2009.7-2009.12针对获得的纳米晶，结合光谱以及透射电镜等进行纳米晶形状演变过程的解析,拟撰写论文1篇；2010.1-2010.6针对环境友好的材料体系(InP、ZnTe、InCuSe），开发纳米晶合成的工艺；2010.7-2010.12基于环境友好的材料体系获得的结果进行纳米晶形状的控制，拟撰写论文1-2篇；2011.1-2011.3基于获得的环境友好纳米晶的合成工艺，采用模块化微反应系统进行纳米晶的大量制备，拟撰写论文1篇；2011.4-2011.9针对光电器件中的应用进行纳米晶自组装特性考察，并测试其光学特性。在此基础上基于荧光寿命，荧光效率等性能的测试进行纳米晶激子动力学、载流子分离以及复合特性的系统研究拟撰写论文1篇；2011.10-2011.12撰写博士学位论文，准备答辩。

进度安排2008.5-2008.918谢谢指导！谢谢指导！19形状可控半导体纳米晶微流反应合成-开题-课件20形状可控半导体纳米晶微流反应合成-开题-课件21华东理工大学硕博连读开题报告形状可控半导体纳米晶的微流反应合成报告人:付红红导师:栾伟玲教授2008.12.30华东理工大学硕博连读开题报告形状可控半导体纳米晶的微流报告人22Outline研究背景1文献综述2实验室前期研究3研究意义与内容4Outline研究背景1文献综述2实验室前期研究3研究意义与23半导体纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料

半导体纳米晶亦称为“人工原子”

分类√零维，如纳米微粒、原子团簇等一维，如纳米线、纳米棒、纳米管等二维，如超薄膜、多层膜、超晶格等研究背景生物医药：细胞、蛋白质和核酸等的特异性标记医学成像药物筛选发光器件：广谱发光、单色性、稳定（照明、显示器、发光二极管）光电器件:半导体纳米晶实现的热载流子收集、输运以及多激子产生可使下一代太阳能电池的效率达到66%(a)

研究背景24研究背景Quantumdot半导体材料多形状纳米晶可控合成是实现绿色能源有效利用的重要基础！半导体纳米晶C随尺寸与形状变化的能带结构，实现吸收谱带与太阳光谱的最大重合

C不连续的能带结构可使高于半导体禁带宽度的能量得到有效利用

C吸收一个光子后能够产生多个电子-空穴对太阳能电池，就是使太阳光照射到某种材料上，产生出电流，从而对外做功的一种装置

研究背景Quantumdot半导体材料多形状纳米晶半导体纳25多形状半导体纳米晶的研究气相-液相-固相生长气体-固体生长溶剂热合成高温有机金属法是以液态金属团簇催化剂作为气相反应物的活性点，将所要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸气，待蒸气扩散到液态金属团簇催化剂表面，形成过饱和团簇后，在催化剂表面生长形成一维纳米结构将一种或几种反应物，在高温区通过加热形成蒸气，然后用惰性气流运送到反应器低温区或者通过快速降温使蒸气沉积下来，生长成为一维纳米结构材料。所需温度较高，不同反应物需要根据其熔点来选择蒸发温度。制备过程比较耗时，一般几天，甚至几周多形状半导体纳米晶的研究气相-液相-固相生长气体-固体生长溶26多形状半导体纳米晶的研究进展高温有机金属法Murray,.Bawendi.J.Am.Chem.Soc.1993,115,8706X.Peng,L.Manna,W.Yang.et.al.Nature.2000,404,59-61

多形貌的CdSe纳米颗粒

多形状半导体纳米晶的研究进展高温有机金属法Murray,.B27Z.APeng,X.Peng.J.Am.Chem.Soc.2001,123,1389-1395a两次注射形成小长径比的纳米棒，b三次注射形成长径比大于10的一维结构CdTe纳米棒形状演变F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542前躯体浓度多形状半导体纳米晶的研究进展有效单体模型高单体浓度是形成各向异性生长的关键，可以通过连续注射有效单体前躯体溶液来实现Z.APeng,X.Peng.J.Am.Che28配位分子a:配合剂HPA的浓度8%b：HPA为20%c:HPA为60%

改变HPA和TOPO中HPA的浓度CdSe纳米晶形状演变多形状半导体纳米晶的研究进展L.Manna,E.C.Scher,A.P.Alivisatos.J.Am.Chem.Soc.2000,122,12700-12706（a）油胺做配合剂（b）油胺和TOP做配合剂（c）油胺、TOP和油酸做配合剂J.HWarnerandH.Cao.Nanotechnology.2008,19配位分子选择吸收不同的配位分子有选择的吸附纳米晶的不同晶面从而不同晶面的表面自由能发生改变，产生不同晶面的取向生长配位分子a:配合剂HPA的浓度8%b：HPA为20%29多形状半导体纳米晶的研究进展反应温度（a）280oC（b）315oC（c）320oC（d）330oC由TDPA、TOPO、TOP组成的混合表面活性剂合成的CdS纳米线C.C.Kang,C.W.Lai.et.al.small.2007,3,1882-1885c提高温度纳米晶短轴直径变大，长轴尺寸变小d演变成点状CdTe纳米棒形状演变F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542多形状半导体纳米晶的研究进展反应温度（a）280oC（b）330微反应合成半导体纳米晶的研究微流反应在合成可控形状无机纳米晶方面的优势

√微流反应技术可以实现形状纳米晶的可控、连续合成

√微流反应技术可以获得尺寸、形状高度均一的纳米晶

√微流反应可以实现纳米晶形状演变过程的高分辨解析烧瓶合成可控形状无机纳米晶

难以实现产物对化学和物理均匀性的要求

可重复性较差

难以进行反应过程的机理解析微反应合成半导体纳米晶的研究微流反应在合成可控形状无机纳米31实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点Procee32实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008实验室的研究基础毛细管微反应法合成CdSe量子点Procee33课题研究意义合成成本低、性能好、形状可控、可大规模生产的无机半导体纳米晶，并进行形状演变机理的解析，为纳米晶在光伏器件、催化、信息存储等领域提供技术支撑。一维以及枝化纳米晶的液相合成尚属于新兴的领域，具有极大的挑战性,特定形状纳米晶的获得存在随机性；纳米晶形状演变机理的精确解析缺乏实验依据和普适性,呈现多种不同的形状演变机理相互竞争的局面；使用微流反应进行无机半导体纳米晶的形状控制尚未见报道，烧瓶法合成已确立的反应体系还很有限；一维以及枝化纳米晶的研究有望为绿色能源技术的进步提供支持。课题研究意义一维以及枝化纳米晶的液相合成尚属于新兴的领域，具341.针对研究较为成熟的材料组分(CdSe、PbS)，将烧瓶反应工艺转移到微反应器中进行形状控制研究。基于获得样品的性能对反应系统的结构进行改进，并考察微流效应对反应过程的影响；2.针对获得的纳米晶，基于改进后的反应系统进行表面活性剂类型、反应温度、停留时间、反应前躯体浓度等因素的高通量考察。结合光谱以及透射电镜等进行纳米晶形状演变过程的解析；3.针对环境友好的材料体系(InP、ZnTe、ZnO/ZnS、InCuSe），开发纳米晶合成的工艺。并基于前期研究获得的结果进行纳米晶形状的控制。4.基于获得的环境友好纳米晶的合成工艺，采用模块化微反应系统进行纳米晶的大量制备。5.针对光电器件中的应用进行纳米晶自组装特性考察，并测试其光学特性。在此基础上基于荧光寿命等性能的测试进行纳米晶激子动力学、载流子分离以及复合特性的研究。研究内容1.针对研究较为成熟的材料组分(CdSe、PbS)，将烧瓶35技术路线

—多形状纳米晶的合成工艺反应器结构改进前躯体A烧瓶合成样品表征前躯体B配合剂改变参数合成配方微反应合成样品表征实验放大光伏器件研究形状演变机理研究结构设计与加工技术路