形狀可控半導(dǎo)體納米晶微流反應(yīng)合成-開題-課件

華東理工大學(xué)碩博連讀開題報(bào)告形狀可控半導(dǎo)體納米晶的微流反應(yīng)合成報(bào)告人:付紅紅導(dǎo)師:欒偉玲教授2008.12.30華東理工大學(xué)碩博連讀開題報(bào)告形狀可控半導(dǎo)體納米晶的微流報(bào)告人1Outline研究背景1文獻(xiàn)綜述2實(shí)驗(yàn)室前期研究3研究意義與內(nèi)容4Outline研究背景1文獻(xiàn)綜述2實(shí)驗(yàn)室前期研究3研究意義與2半導(dǎo)體納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料

半導(dǎo)體納米晶亦稱為“人工原子”

分類√零維，如納米微粒、原子團(tuán)簇等一維，如納米線、納米棒、納米管等二維，如超薄膜、多層膜、超晶格等研究背景生物醫(yī)藥：細(xì)胞、蛋白質(zhì)和核酸等的特異性標(biāo)記醫(yī)學(xué)成像藥物篩選發(fā)光器件：廣譜發(fā)光、單色性、穩(wěn)定（照明、顯示器、發(fā)光二極管）光電器件:半導(dǎo)體納米晶實(shí)現(xiàn)的熱載流子收集、輸運(yùn)以及多激子產(chǎn)生可使下一代太陽能電池的效率達(dá)到66%(a)

研究背景3研究背景Quantumdot半導(dǎo)體材料多形狀納米晶可控合成是實(shí)現(xiàn)綠色能源有效利用的重要基礎(chǔ)！半導(dǎo)體納米晶C隨尺寸與形狀變化的能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吸收譜帶與太陽光譜的最大重合

C不連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)可使高于半導(dǎo)體禁帶寬度的能量得到有效利用

C吸收一個(gè)光子后能夠產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴對(duì)太陽能電池，就是使太陽光照射到某種材料上，產(chǎn)生出電流，從而對(duì)外做功的一種裝置

研究背景Quantumdot半導(dǎo)體材料多形狀納米晶半導(dǎo)體納4多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究氣相-液相-固相生長氣體-固體生長溶劑熱合成高溫有機(jī)金屬法是以液態(tài)金屬團(tuán)簇催化劑作為氣相反應(yīng)物的活性點(diǎn)，將所要制備的一維納米材料的材料源加熱形成蒸氣，待蒸氣擴(kuò)散到液態(tài)金屬團(tuán)簇催化劑表面，形成過飽和團(tuán)簇后，在催化劑表面生長形成一維納米結(jié)構(gòu)將一種或幾種反應(yīng)物，在高溫區(qū)通過加熱形成蒸氣，然后用惰性氣流運(yùn)送到反應(yīng)器低溫區(qū)或者通過快速降溫使蒸氣沉積下來，生長成為一維納米結(jié)構(gòu)材料。所需溫度較高，不同反應(yīng)物需要根據(jù)其熔點(diǎn)來選擇蒸發(fā)溫度。制備過程比較耗時(shí)，一般幾天，甚至幾周多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究氣相-液相-固相生長氣體-固體生長溶5多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展高溫有機(jī)金屬法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納米顆粒

多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展高溫有機(jī)金屬法Murray,.B6Z.APeng,X.Peng.J.Am.Chem.Soc.2001,123,1389-1395a兩次注射形成小長徑比的納米棒，b三次注射形成長徑比大于10的一維結(jié)構(gòu)CdTe納米棒形狀演變F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542前軀體濃度多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展有效單體模型高單體濃度是形成各向異性生長的關(guān)鍵，可以通過連續(xù)注射有效單體前軀體溶液來實(shí)現(xiàn)Z.APeng,X.Peng.J.Am.Che7配位分子a:配合劑HPA的濃度8%b：HPA為20%c:HPA為60%

改變HPA和TOPO中HPA的濃度CdSe納米晶形狀演變多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展L.Manna,E.C.Scher,A.P.Alivisatos.J.Am.Chem.Soc.2000,122,12700-12706（a）油胺做配合劑（b）油胺和TOP做配合劑（c）油胺、TOP和油酸做配合劑J.HWarnerandH.Cao.Nanotechnology.2008,19配位分子選擇吸收不同的配位分子有選擇的吸附納米晶的不同晶面從而不同晶面的表面自由能發(fā)生改變，產(chǎn)生不同晶面的取向生長配位分子a:配合劑HPA的濃度8%b：HPA為20%8多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展反應(yīng)溫度（a）280oC（b）315oC（c）320oC（d）330oC由TDPA、TOPO、TOP組成的混合表面活性劑合成的CdS納米線C.C.Kang,C.W.Lai.et.al.small.2007,3,1882-1885c提高溫度納米晶短軸直徑變大，長軸尺寸變小d演變成點(diǎn)狀CdTe納米棒形狀演變F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展反應(yīng)溫度（a）280oC（b）39微反應(yīng)合成半導(dǎo)體納米晶的研究微流反應(yīng)在合成可控形狀無機(jī)納米晶方面的優(yōu)勢

√微流反應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)形狀納米晶的可控、連續(xù)合成

√微流反應(yīng)技術(shù)可以獲得尺寸、形狀高度均一的納米晶

√微流反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)納米晶形狀演變過程的高分辨解析燒瓶合成可控形狀無機(jī)納米晶

難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物對(duì)化學(xué)和物理均勻性的要求

可重復(fù)性較差

難以進(jìn)行反應(yīng)過程的機(jī)理解析微反應(yīng)合成半導(dǎo)體納米晶的研究微流反應(yīng)在合成可控形狀無機(jī)納米10實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)Procee11實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)Procee12課題研究意義合成成本低、性能好、形狀可控、可大規(guī)模生產(chǎn)的無機(jī)半導(dǎo)體納米晶，并進(jìn)行形狀演變機(jī)理的解析，為納米晶在光伏器件、催化、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。一維以及枝化納米晶的液相合成尚屬于新興的領(lǐng)域，具有極大的挑戰(zhàn)性,特定形狀納米晶的獲得存在隨機(jī)性；納米晶形狀演變機(jī)理的精確解析缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)和普適性,呈現(xiàn)多種不同的形狀演變機(jī)理相互競爭的局面；使用微流反應(yīng)進(jìn)行無機(jī)半導(dǎo)體納米晶的形狀控制尚未見報(bào)道，燒瓶法合成已確立的反應(yīng)體系還很有限；一維以及枝化納米晶的研究有望為綠色能源技術(shù)的進(jìn)步提供支持。課題研究意義一維以及枝化納米晶的液相合成尚屬于新興的領(lǐng)域，具131.針對(duì)研究較為成熟的材料組分(CdSe、PbS)，將燒瓶反應(yīng)工藝轉(zhuǎn)移到微反應(yīng)器中進(jìn)行形狀控制研究?；讷@得樣品的性能對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并考察微流效應(yīng)對(duì)反應(yīng)過程的影響；2.針對(duì)獲得的納米晶，基于改進(jìn)后的反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行表面活性劑類型、反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、反應(yīng)前軀體濃度等因素的高通量考察。結(jié)合光譜以及透射電鏡等進(jìn)行納米晶形狀演變過程的解析；3.針對(duì)環(huán)境友好的材料體系(InP、ZnTe、ZnO/ZnS、InCuSe），開發(fā)納米晶合成的工藝。并基于前期研究獲得的結(jié)果進(jìn)行納米晶形狀的控制。4.基于獲得的環(huán)境友好納米晶的合成工藝，采用模塊化微反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行納米晶的大量制備。5.針對(duì)光電器件中的應(yīng)用進(jìn)行納米晶自組裝特性考察，并測試其光學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上基于熒光壽命等性能的測試進(jìn)行納米晶激子動(dòng)力學(xué)、載流子分離以及復(fù)合特性的研究。研究內(nèi)容1.針對(duì)研究較為成熟的材料組分(CdSe、PbS)，將燒瓶14技術(shù)路線

—多形狀納米晶的合成工藝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)前軀體A燒瓶合成樣品表征前軀體B配合劑改變參數(shù)合成配方微反應(yīng)合成樣品表征實(shí)驗(yàn)放大光伏器件研究形狀演變機(jī)理研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)路線

—多形狀納米15一維以及枝化納米晶的合成具有極大的挑戰(zhàn)性納米晶形狀演變過程解析

反應(yīng)體系的選擇前軀體粘度是在微通道中流動(dòng)的障礙納米晶體在光電器件中的應(yīng)用課題難點(diǎn)一維以及枝化納米晶的納米晶形狀反應(yīng)體系的選擇納米晶體在光電器16創(chuàng)新點(diǎn)1采用連續(xù)微流反應(yīng)的方法制備一維及枝化的半導(dǎo)體納米晶2通過控制時(shí)間分辨取樣進(jìn)行納米晶形狀演變過程的高精度解析3環(huán)境友好納米晶的形狀控制及微反應(yīng)制備4結(jié)合HRTEM，擬從光譜等其他方式進(jìn)行納米晶的形貌表征創(chuàng)新點(diǎn)123417進(jìn)度安排2008.5-2008.9查閱文獻(xiàn)，了解課題，文獻(xiàn)綜述；2008.10-2009.3以CdSe、PbS等半導(dǎo)體材料為研究對(duì)象，進(jìn)行納米棒合成的初期實(shí)驗(yàn)摸索；2009.4-2009.6完成反應(yīng)工藝參數(shù)的優(yōu)化，并進(jìn)行其它形狀納米晶的制備研究，擬撰寫論文1篇；2009.7-2009.12針對(duì)獲得的納米晶，結(jié)合光譜以及透射電鏡等進(jìn)行納米晶形狀演變過程的解析,擬撰寫論文1篇；2010.1-2010.6針對(duì)環(huán)境友好的材料體系(InP、ZnTe、InCuSe），開發(fā)納米晶合成的工藝；2010.7-2010.12基于環(huán)境友好的材料體系獲得的結(jié)果進(jìn)行納米晶形狀的控制，擬撰寫論文1-2篇；2011.1-2011.3基于獲得的環(huán)境友好納米晶的合成工藝，采用模塊化微反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行納米晶的大量制備，擬撰寫論文1篇；2011.4-2011.9針對(duì)光電器件中的應(yīng)用進(jìn)行納米晶自組裝特性考察，并測試其光學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上基于熒光壽命，熒光效率等性能的測試進(jìn)行納米晶激子動(dòng)力學(xué)、載流子分離以及復(fù)合特性的系統(tǒng)研究擬撰寫論文1篇；2011.10-2011.12撰寫博士學(xué)位論文，準(zhǔn)備答辯。

進(jìn)度安排2008.5-2008.918謝謝指導(dǎo)！謝謝指導(dǎo)！19形狀可控半導(dǎo)體納米晶微流反應(yīng)合成-開題-課件20形狀可控半導(dǎo)體納米晶微流反應(yīng)合成-開題-課件21華東理工大學(xué)碩博連讀開題報(bào)告形狀可控半導(dǎo)體納米晶的微流反應(yīng)合成報(bào)告人:付紅紅導(dǎo)師:欒偉玲教授2008.12.30華東理工大學(xué)碩博連讀開題報(bào)告形狀可控半導(dǎo)體納米晶的微流報(bào)告人22Outline研究背景1文獻(xiàn)綜述2實(shí)驗(yàn)室前期研究3研究意義與內(nèi)容4Outline研究背景1文獻(xiàn)綜述2實(shí)驗(yàn)室前期研究3研究意義與23半導(dǎo)體納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料

半導(dǎo)體納米晶亦稱為“人工原子”

分類√零維，如納米微粒、原子團(tuán)簇等一維，如納米線、納米棒、納米管等二維，如超薄膜、多層膜、超晶格等研究背景生物醫(yī)藥：細(xì)胞、蛋白質(zhì)和核酸等的特異性標(biāo)記醫(yī)學(xué)成像藥物篩選發(fā)光器件：廣譜發(fā)光、單色性、穩(wěn)定（照明、顯示器、發(fā)光二極管）光電器件:半導(dǎo)體納米晶實(shí)現(xiàn)的熱載流子收集、輸運(yùn)以及多激子產(chǎn)生可使下一代太陽能電池的效率達(dá)到66%(a)

研究背景24研究背景Quantumdot半導(dǎo)體材料多形狀納米晶可控合成是實(shí)現(xiàn)綠色能源有效利用的重要基礎(chǔ)！半導(dǎo)體納米晶C隨尺寸與形狀變化的能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吸收譜帶與太陽光譜的最大重合

C不連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)可使高于半導(dǎo)體禁帶寬度的能量得到有效利用

C吸收一個(gè)光子后能夠產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴對(duì)太陽能電池，就是使太陽光照射到某種材料上，產(chǎn)生出電流，從而對(duì)外做功的一種裝置

研究背景Quantumdot半導(dǎo)體材料多形狀納米晶半導(dǎo)體納25多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究氣相-液相-固相生長氣體-固體生長溶劑熱合成高溫有機(jī)金屬法是以液態(tài)金屬團(tuán)簇催化劑作為氣相反應(yīng)物的活性點(diǎn)，將所要制備的一維納米材料的材料源加熱形成蒸氣，待蒸氣擴(kuò)散到液態(tài)金屬團(tuán)簇催化劑表面，形成過飽和團(tuán)簇后，在催化劑表面生長形成一維納米結(jié)構(gòu)將一種或幾種反應(yīng)物，在高溫區(qū)通過加熱形成蒸氣，然后用惰性氣流運(yùn)送到反應(yīng)器低溫區(qū)或者通過快速降溫使蒸氣沉積下來，生長成為一維納米結(jié)構(gòu)材料。所需溫度較高，不同反應(yīng)物需要根據(jù)其熔點(diǎn)來選擇蒸發(fā)溫度。制備過程比較耗時(shí)，一般幾天，甚至幾周多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究氣相-液相-固相生長氣體-固體生長溶26多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展高溫有機(jī)金屬法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納米顆粒

多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展高溫有機(jī)金屬法Murray,.B27Z.APeng,X.Peng.J.Am.Chem.Soc.2001,123,1389-1395a兩次注射形成小長徑比的納米棒，b三次注射形成長徑比大于10的一維結(jié)構(gòu)CdTe納米棒形狀演變F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542前軀體濃度多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展有效單體模型高單體濃度是形成各向異性生長的關(guān)鍵，可以通過連續(xù)注射有效單體前軀體溶液來實(shí)現(xiàn)Z.APeng,X.Peng.J.Am.Che28配位分子a:配合劑HPA的濃度8%b：HPA為20%c:HPA為60%

改變HPA和TOPO中HPA的濃度CdSe納米晶形狀演變多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展L.Manna,E.C.Scher,A.P.Alivisatos.J.Am.Chem.Soc.2000,122,12700-12706（a）油胺做配合劑（b）油胺和TOP做配合劑（c）油胺、TOP和油酸做配合劑J.HWarnerandH.Cao.Nanotechnology.2008,19配位分子選擇吸收不同的配位分子有選擇的吸附納米晶的不同晶面從而不同晶面的表面自由能發(fā)生改變，產(chǎn)生不同晶面的取向生長配位分子a:配合劑HPA的濃度8%b：HPA為20%29多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展反應(yīng)溫度（a）280oC（b）315oC（c）320oC（d）330oC由TDPA、TOPO、TOP組成的混合表面活性劑合成的CdS納米線C.C.Kang,C.W.Lai.et.al.small.2007,3,1882-1885c提高溫度納米晶短軸直徑變大，長軸尺寸變小d演變成點(diǎn)狀CdTe納米棒形狀演變F.Shieh.J.Phys.Chem.B2005,109,8538–8542多形狀半導(dǎo)體納米晶的研究進(jìn)展反應(yīng)溫度（a）280oC（b）330微反應(yīng)合成半導(dǎo)體納米晶的研究微流反應(yīng)在合成可控形狀無機(jī)納米晶方面的優(yōu)勢

√微流反應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)形狀納米晶的可控、連續(xù)合成

√微流反應(yīng)技術(shù)可以獲得尺寸、形狀高度均一的納米晶

√微流反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)納米晶形狀演變過程的高分辨解析燒瓶合成可控形狀無機(jī)納米晶

難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物對(duì)化學(xué)和物理均勻性的要求

可重復(fù)性較差

難以進(jìn)行反應(yīng)過程的機(jī)理解析微反應(yīng)合成半導(dǎo)體納米晶的研究微流反應(yīng)在合成可控形狀無機(jī)納米31實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)Procee32實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)ProceedingsofMNC2007.Nanotechnology,2007LabChip,2008.NanoscaleResearchLetters,2008實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)毛細(xì)管微反應(yīng)法合成CdSe量子點(diǎn)Procee33課題研究意義合成成本低、性能好、形狀可控、可大規(guī)模生產(chǎn)的無機(jī)半導(dǎo)體納米晶，并進(jìn)行形狀演變機(jī)理的解析，為納米晶在光伏器件、催化、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。一維以及枝化納米晶的液相合成尚屬于新興的領(lǐng)域，具有極大的挑戰(zhàn)性,特定形狀納米晶的獲得存在隨機(jī)性；納米晶形狀演變機(jī)理的精確解析缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)和普適性,呈現(xiàn)多種不同的形狀演變機(jī)理相互競爭的局面；使用微流反應(yīng)進(jìn)行無機(jī)半導(dǎo)體納米晶的形狀控制尚未見報(bào)道，燒瓶法合成已確立的反應(yīng)體系還很有限；一維以及枝化納米晶的研究有望為綠色能源技術(shù)的進(jìn)步提供支持。課題研究意義一維以及枝化納米晶的液相合成尚屬于新興的領(lǐng)域，具341.針對(duì)研究較為成熟的材料組分(CdSe、PbS)，將燒瓶反應(yīng)工藝轉(zhuǎn)移到微反應(yīng)器中進(jìn)行形狀控制研究?；讷@得樣品的性能對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并考察微流效應(yīng)對(duì)反應(yīng)過程的影響；2.針對(duì)獲得的納米晶，基于改進(jìn)后的反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行表面活性劑類型、反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、反應(yīng)前軀體濃度等因素的高通量考察。結(jié)合光譜以及透射電鏡等進(jìn)行納米晶形狀演變過程的解析；3.針對(duì)環(huán)境友好的材料體系(InP、ZnTe、ZnO/ZnS、InCuSe），開發(fā)納米晶合成的工藝。并基于前期研究獲得的結(jié)果進(jìn)行納米晶形狀的控制。4.基于獲得的環(huán)境友好納米晶的合成工藝，采用模塊化微反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行納米晶的大量制備。5.針對(duì)光電器件中的應(yīng)用進(jìn)行納米晶自組裝特性考察，并測試其光學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上基于熒光壽命等性能的測試進(jìn)行納米晶激子動(dòng)力學(xué)、載流子分離以及復(fù)合特性的研究。研究內(nèi)容1.針對(duì)研究較為成熟的材料組分(CdSe、PbS)，將燒瓶35技術(shù)路線

—多形狀納米晶的合成工藝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)前軀體A燒瓶合成樣品表征前軀體B配合劑改變參數(shù)合成配方微反應(yīng)合成樣品表征實(shí)驗(yàn)放大光伏器件研究形狀演變機(jī)理研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)路