量子棒及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及量子棒及其制造方法。該量子棒包括具有鋅化合物的核和覆蓋所述核并且包括ZnS的殼。該量子棒發(fā)出短波長光。
【專利說明】量子棒及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施方式涉及量子棒，更具體地，涉及能夠發(fā)出短波長光的量子棒及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著社會已經(jīng)正式進入信息時代，已經(jīng)快速開發(fā)了將各種各樣的電信號表示為可視圖像的顯示裝置的領(lǐng)域。已經(jīng)引入平板顯示裝置(諸如液晶顯示(IXD)裝置、等離子體顯示板(PDP)、場發(fā)射顯示(FED)裝置和有機發(fā)光二極管(OLED)裝置)。
[0003]另一方面，對將量子棒用于顯示裝置進行研究或?qū)W習(xí)。因為量子棒具有高發(fā)光效率和優(yōu)秀的再現(xiàn)性，所以量子棒可以應(yīng)用于各種用途。例如，研究將量子棒應(yīng)用于用于照明的發(fā)光二極管或用于LCD裝置的光源或其它元件。
[0004]量子棒包括I1-V1、II1-V、1-1I1-VI或IV-VI族半導(dǎo)體粒子的納米尺寸的核粒子以及覆蓋核粒子的殼。另外，量子棒還包括用于分散的配體。
[0005]因為與普通染料相比，量子棒的消光系數(shù)和量子產(chǎn)率非常大，所以量子棒發(fā)出強熒光。另外，通過控制量子棒的直徑，可以控制從量子棒發(fā)出的光的波長。
[0006]量子棒發(fā)出線偏振光。另外，應(yīng)用了具有能夠經(jīng)由外電場控制發(fā)光的光學(xué)特性的量子棒。這可以被稱為斯塔克效應(yīng)。因此，通過量子棒的光學(xué)特性，可以提高顯示裝置的光學(xué)效率。
[0007]另一方面，為了將量子棒用于顯示裝置，量子棒發(fā)出紅光、綠光和藍光。然而，僅開發(fā)了能夠發(fā)出紅光的量子棒。
[0008]包括CdSe核和CdS殼的量子棒發(fā)出紅光。該量子棒可以稱作CdSe/CdS量子棒。參照圖1 (圖1例示CdSe/CdS量子棒的發(fā)光原理)，CdSe/CdS量子棒具有大約1.6eV的能隙(Eg)。結(jié)果，CdSe/CdS量子棒發(fā)出大約775nm波長的紅光。
[0009]如上所述，從量子棒發(fā)出的光的波長可以由核的尺寸(B卩，核的直徑)來控制。然而，即使核的尺寸(直徑)被縮小為3?7nm,但是從量子棒發(fā)出的光的波長也可以在500?650nm的范圍內(nèi)延長。
[0010]因此，相關(guān)技術(shù)的量子棒無法提供短波長光。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因此，本發(fā)明的實施方式致力于基本上解決了由于相關(guān)技術(shù)的局限和缺陷而引起的一個或更多個問題并且具有其它優(yōu)點的量子棒及其制造方法。
[0012]本發(fā)明的目的是提供一種能夠發(fā)出短波長光的量子棒。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種量子棒，該量子棒包括具有鋅化合物的核和覆蓋所述核并且包括ZnS的殼。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種制造量子棒的方法，該方法包括以下步驟:將第一重量的硝酸鋅、第二重量的硫酸鋅、硫磺粉末以及包括鋅化合物的核溶解在有機溶劑中，以形成混合物；以及在反應(yīng)器中使所述混合物與脂肪胺反應(yīng)。
[0015]本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點將在隨后的說明中進行闡述，而一部分根據(jù)描述會變得清楚，或者可以通過實踐實施方式而獲知。通過書面的說明書及其權(quán)利要求書以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點。
[0016]應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的上述一般描述和下述詳細(xì)描述是示例性和說明性的，且旨在提供所要求保護的本發(fā)明的進一步解釋。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]包括附圖來提供對發(fā)明的進一步理解，附圖被并入并構(gòu)成本說明書的一部分，附圖例示了發(fā)明的實施方式，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0018]圖1例示CdSe/CdS量子棒的發(fā)光原理。
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒的示意性橫截面圖。
[0020]圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒的PL光譜。
[0021]圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒的TEM圖像。
[0022]圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的量子棒的示意性橫截面圖。
[0023]圖6A到圖6D是根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的量子棒的TEM圖像。

【具體實施方式】
[0024]現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式，在附圖中例示出了本發(fā)明的實施方式的示例。
[0025]本發(fā)明的量子棒包括鋅化合物核和硫化鋅(ZnS)殼。殼覆蓋核。
[0026]S卩，參照圖2 (圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒的示意性橫截面圖)，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒100包括核110和殼120。核110包括鋅化合物并且具有單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。例如，核110可以具有硒化鋅(ZnSe)或硫硒化鋅(ZnSeS)的單層結(jié)構(gòu)。另選地，核110可以具有包括ZnSe的第一核和ZnSeS的第二核的多層結(jié)構(gòu)。在這種情況下，第一核與第二核中的一個核覆蓋第一核與第二核中的另一個核。
[0027]ZnSe和/或ZnSeS核110具有大約3eV的Eg，這比相關(guān)技術(shù)的CdSe核的Eg大，使得本發(fā)明的量子棒100發(fā)出短波長光。從本發(fā)明的量子棒100發(fā)出的光具有大約400nm至520nm的范圍。
[0028]從量子棒100發(fā)出的光的波長由核110的尺寸(B卩，直徑“D1”)來控制。更詳細(xì)地，因為波長與直徑“D1”成比例，所以可以從包括更小核的量子棒發(fā)出更短波長的光。
[0029]例如，核110的直徑“D1”具有大約I至10nm的范圍，有益地，是大約3至10nm。核110具有上述直徑“D1”，并且包括ZnSe或ZnSeS中的至少一種。因此，包括核110的量子棒100發(fā)出短波長光。
[0030]量子棒100分散在充當(dāng)穩(wěn)定劑的有機配體溶劑中。在這種情況下，有機配體是疏水有機配體、親水有機配體和硅基有機配體中的一種。例如，有機配體可以包括油酰胺和十八烯酸中的至少一種。
[0031]通過將具有硫酸鋅和硫磺(S)粉末的ZnS和/或ZnSeS核溶解到溶劑中并且在溶液與脂肪胺之間反應(yīng)，來制造本發(fā)明的包括ZnSe和/或ZnSeS核和ZnS殼的量子棒。下文中，將說明量子棒的合成法。
[0032]合成法I
[0033]將硫酸鋅(150mg)、硫磺粉末(44mg)、ZnSe核(1mg)溶解在甲苯(Iml)中。接著，將溶液在大約120°C的溫度下進行干燥大約I個小時，并且在N2條件下和大約120°C的溫度下進行攪拌大約3個小時。接著，將該混合物放入水熱反應(yīng)器中，該水熱反應(yīng)器中，存儲油酰胺(17ml)并且在大約200°C的溫度下反應(yīng)大約24個小時。接著，通過對溶液進行沉淀(利用己烷和甲醇)和提純，合成量子棒。
[0034]在合成法I中，合成了包括ZnSe核的量子棒。另選地，當(dāng)使用ZnSeS核或ZnSe/ZnSeS多層(或雙層)核，而不使用ZnSe核時，合成了包括ZnSeS核或ZnSe/ZnSeS多層核的量子棒。
[0035]因為用于合成量子棒的材料可能被濕氣或氧氣損壞，所以執(zhí)行干燥工序，以去除濕氣和/或氧氣。然而，可以省略干燥工序。另外，執(zhí)行攪拌工序，以進行活性反應(yīng)。然而，也可以省略攪拌工序。
[0036]水熱反應(yīng)器提供了封閉的反應(yīng)空間。油酰胺具有比反應(yīng)溫度低的沸點，并且導(dǎo)致ZnS殼的長度方向生長。代替油酰胺，可以使用具有比反應(yīng)溫度低的沸點并且溶解混合物的其它胺溶劑?？梢允褂镁哂?8個碳原子或少于18個碳原子(少于C18)的脂肪胺。例如，可以使用具有至少一個雙結(jié)合結(jié)構(gòu)并且少于C18的烯丙胺。
[0037]圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒的PL光譜。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒100具有大約447nm的PL峰值。因此，量子棒100發(fā)出短波長光并且具有大約6%的量子效率。
[0038]如上所述，從量子棒100發(fā)出的波長由核110的尺寸或直徑來控制。另外，來自量子棒100的光的線偏振特性和通過外電場的驅(qū)動特征由殼120的長度“LI”來控制。
[0039]例如，由于縱橫比(AR)(該縱橫比(AR)是殼的長度“LI”與核的直徑(或尺寸)“D1”之比)較大，所以改善了來自量子棒100的光的線偏振特性。另外，為了被電場有效地驅(qū)動，要求量子棒100具有等于或大于2的AR。
[0040]然而，經(jīng)由合成法I合成的根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒具有小于大約
1.5的AR。參照圖4 (圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒的TEM圖像)，殼110的直徑“D1” 是 7.52nm，并且殼 120 的長度“LI” 是 9.40nm。(AR=9.40/7.52=1.25)
[0041]因此，來自根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的量子棒的光具有較差的線偏振特性，并且通過電場的量子棒的驅(qū)動特性不充分。
[0042]換言之，量子棒100可以發(fā)出短波長光，但是來自量子棒100的光具有較差質(zhì)量。另外，難以進行通過電場的量子棒的開和關(guān)驅(qū)動。
[0043]下文中，介紹能夠克服上述問題的量子棒。
[0044]圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的量子棒的示意性橫截面圖。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的量子棒200包括核210和殼220。核210包括鋅化合物并且具有單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。例如，核210可以具有ZnSe或ZnSeS的單層結(jié)構(gòu)。另選地，核210可以具有包括ZnSe的第一核和ZnSeS的第二核的多層結(jié)構(gòu)。在這種情況下，第一核與第二核中的一個核覆蓋第一核與第二核中的另一個核。殼220包括ZnS并且覆蓋核210。
[0045]如上所述，ZnSe和/或ZnSeS的核210具有大約3eV的Eg，這比相關(guān)技術(shù)的CdSe核的Eg大，使得本發(fā)明的量子棒200發(fā)出短波長光。從本發(fā)明的量子棒200發(fā)出的光具有大約400至520nm的范圍。
[0046]從量子棒200發(fā)出的光的波長由核210的尺寸(B卩，直徑“D2”)來控制。更詳細(xì)地，因為波長與直徑“D2”成比例，所以可以從包括更小核的量子棒發(fā)出更短波長的光。
[0047]例如，核210的直徑“D2”具有大約I至10nm的范圍，有益地，是大約3至10nm。核210具有上述直徑“D2”，并且包括ZnSe或ZnSeS中的至少一種。因此，包括核210的量子棒200發(fā)出短波長光。
[0048]另外，來自量子棒200的光的線偏振特性和通過外電場的驅(qū)動特征由殼220的長度來控制。即，當(dāng)量子棒200的縱橫比(AR)等于或大于2 (AR > 2)時，從量子棒200發(fā)出的光沿著殼220的長度被線偏振，并且由量子棒200形成的層被電場有效地驅(qū)動。例如，殼220具有大約5至100nm的長度“L2”并且量子棒200的AR是大約2至10。
[0049]量子棒200分散在充當(dāng)穩(wěn)定劑的有機配體溶劑中。在這種情況下，有機配體是疏水有機配體、親水有機配體和硅基有機配體中的一種。例如，有機配體可以包括油酰胺和十八烯酸中的至少一種。
[0050]通過將具有硫酸鋅、硝酸鋅和硫磺(S)粉末的ZnS和/或ZnSeS核溶解到溶劑中并且在溶液與脂肪胺之間反應(yīng)，來制造本發(fā)明的包括ZnSe和/或ZnSeS核和ZnS殼的量子棒。下文中，將說明量子棒的合成法。
[0051]合成法2
[0052]將硝酸鋅(128mg)、硫酸鋅(300mg)、硫磺粉末(44mg)、ZnSe核(1mg)溶解在甲苯(Iml)中。接著，將溶液在大約120°C的溫度下進行干燥大約I個小時，并且在N2條件下和大約120°C的溫度下進行攪拌大約3個小時。接著，將該混合物放入水熱反應(yīng)器中，該水熱反應(yīng)器中，存儲油酰胺(17ml)并且在大約230°C的溫度下反應(yīng)大約24個小時。接著，通過對溶液進行沉淀(利用己烷和甲醇)和提純，合成量子棒。
[0053]合成法3
[0054]將硝酸鋅(256mg)、硫酸鋅(150mg)、硫磺粉末(44mg)、ZnSe核(1mg)溶解在甲苯(Iml)中。接著，將溶液在大約120°C的溫度下進行干燥大約I個小時，并且在N2條件下和大約120°C的溫度下進行攪拌大約3個小時。接著，將該混合物放入水熱反應(yīng)器中，該水熱反應(yīng)器中，存儲油酰胺(17ml)并且在大約230°C的溫度下反應(yīng)大約24個小時。接著，通過對溶液進行沉淀(利用己烷和甲醇)和提純，合成量子棒。
[0055]合成法4
[0056]將硝酸鋅(128mg)、硫酸鋅(150mg)、硫磺粉末(44mg)、ZnSe核(1mg)溶解在甲苯(Iml)中。接著，將溶液在大約120°C的溫度下進行干燥大約I個小時，并且在N2條件下和大約120°C的溫度下進行攪拌大約3個小時。接著，將該混合物放入水熱反應(yīng)器中，該水熱反應(yīng)器中，存儲油酰胺(17ml)并且在大約230°C的溫度下反應(yīng)大約24個小時。接著，通過對溶液進行沉淀(利用己烷和甲醇)和提純，合成量子棒。
[0057]合成法5
[0058]將硝酸鋅(128mg)、硫酸鋅(150mg)、硫磺粉末(44mg)、ZnSe核(1mg)溶解在甲苯(Iml)中。接著，將溶液在大約120°C的溫度下進行干燥大約I個小時，并且在N2條件下和大約120°C的溫度下進行攪拌大約3個小時。接著，將該混合物放入水熱反應(yīng)器中，該水熱反應(yīng)器中，存儲油酰胺(17ml)并且在大約250°C的溫度下反應(yīng)大約24個小時。接著，通過對溶液進行沉淀(利用己烷和甲醇)和提純，合成量子棒。
[0059]與上述合成法I相比，在合成法2至合成法5中，硝酸鋅與硫酸鋅、硫磺粉末和ZnSe核一起使用。硫磺粉末與核之間的反應(yīng)由硫酸鋅誘導(dǎo)，并且殼的長度生長由硝酸鋅誘導(dǎo)。
[0060]S卩，在經(jīng)由合成法I合成的量子棒中，核與硫磺粉末之間的表面反應(yīng)由硫酸鋅發(fā)生，使得形成ZnS殼，而由于沒有硝酸鋅，所以不發(fā)生殼的長度延伸。然而，因為硝酸鋅以及硫酸鋅參與用于形成殼的反應(yīng)，所以激活殼的長度延伸，使得增大了量子棒的AR。
[0061]更具體地，如圖6A所示(圖6A是由合成法2合成的量子棒的TEM圖像)，量子棒具有1.5至2的AR。由合成法2合成的量子棒的AR大于由合成法I合成的量子棒的AR。然而，量子棒的AR不足以提供具有期望的線偏振特性的光，并且不足以被電場驅(qū)動。這是因為硝酸鋅的量比硫酸鋅的量小。
[0062]另一方面，如圖6B所示(圖6B是由合成法3合成的量子棒的TEM圖像)，量子棒具有高于10的AR。然而，存在無核的量子棒。即，量子棒僅具有ZnS殼，使得降低了量子棒的發(fā)光特性。這是因為硝酸鋅的量比硫酸鋅的量大。
[0063]如圖6C所示(圖6C是由合成法4合成的量子棒的TEM圖像)，量子棒具有大約4.2的AR (核尺寸=5.61nm、殼長度=23.30nm)。如圖6D所示(圖6D是由合成法5合成的量子棒的TEM圖像)，量子棒具有大約5的AR。(核尺寸=5.20nm、殼長度=25.58nm)。
[0064]在合成法4和合成法5中，用相近量的硫酸鋅和硝酸鋅獲得量子棒。量子棒包括ZnS殼以及核，并且具有大約4至5的AR。因為具有較少量的硝酸鋅的量子棒的AR減小并且具有較大量的硝酸鋅的量子棒僅具有殼，所以硝酸鋅與硫酸鋅的重量比可以是1:1到1:1.5。
[0065]另一方面，在水熱反應(yīng)器的不同溫度條件下合成的量子棒具有不同的AR。合成法4的量子棒(AR=4.2、溫度=230°C)具有比合成法5的量子棒(AR=5、溫度=250°C)更小的AR。即，量子棒的AR與反應(yīng)溫度成比例。
[0066]在水熱反應(yīng)器中，反應(yīng)溫度應(yīng)當(dāng)比溶劑(B卩，脂肪胺)的沸點高。反應(yīng)溫度可以是高于200°C，并且反應(yīng)溫度的上限取決于水熱反應(yīng)器。例如，反應(yīng)溫度可以是大約200至500。。。
[0067]在本發(fā)明中，量子棒包括ZnSe和/或ZnSeS的單層或多層核以及ZnS殼，并且發(fā)出短波長光。
[0068]另外，硫酸鋅和硝酸鋅參與與核的反應(yīng)，使得增大殼的長度并且量子棒具有增大的縱橫比(AR)。因此，提高了來自量子棒的光的線偏振特性和量子棒的驅(qū)動特性。
[0069]在硝酸鋅、硫酸鋅、硫磺粉末與核溶解在有機溶劑中之后，在反應(yīng)器中溶液與脂肪胺反應(yīng)，以獲得量子棒。在這種情況下，通過控制硝酸鋅與硫酸鋅的比例，可以控制量子棒的AR。另外，通過控制反應(yīng)器的溫度，可以控制量子棒的AR。
[0070]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯，可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下對本發(fā)明的實施方式做出各種修改和變化。因而，本發(fā)明旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求書及其等同物的范圍內(nèi)的修改例和變型例。
[0071]相關(guān)申請的交叉引用
[0072]本申請要求2013年4月30日提交的韓國專利申請N0.10-2013-0048678的優(yōu)先權(quán)，此處以引證的方式并入該韓國專利申請。
【權(quán)利要求】
1.一種量子棒，該量子棒包括: 核，其包括鋅化合物；以及 殼，其覆蓋所述核并且包括ZnS。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子棒，其中，所述鋅化合物是ZnSe或ZnSeS中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子棒，其中，所述核具有ZnSe或ZnSeS的單層結(jié)構(gòu)或ZnSe和ZnSeS的多層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子棒，其中，所述殼的長度與所述核的尺寸的比率具有2至10的范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子棒，其中，從所述量子棒發(fā)出具有約400nm至520nm的波長的光。
6.一種制造量子棒的方法，該方法包括以下步驟: 將第一重量的硝酸鋅、第二重量的硫酸鋅、硫磺粉末以及包括鋅化合物的核溶解在有機溶劑中，以形成混合物；以及 在反應(yīng)器中使所述混合物與脂肪胺反應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述鋅化合物是ZnSe或ZnSeS中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述核具有ZnSe或ZnSeS的單層結(jié)構(gòu)或ZnSe和ZnSeS的多層結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一重量與所述第二重量之比具有1:1到1:1.5的范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述反應(yīng)器的溫度高于所述脂肪胺的沸點。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述脂肪胺具有18個或更少的碳原子。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述溫度是約200°C至500°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述脂肪胺是油酰胺或十八烯酸。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法還包括以下步驟: 在使所述混合物與所述脂肪胺反應(yīng)的步驟之前，干燥所述混合物；以及 在干燥所述混合物的步驟之后，攪拌所述混合物。
【文檔編號】H01L33/04GK104134731SQ201310699948
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月30日
【發(fā)明者】張慶國, 金珍郁, 金柄杰, 金奎男 申請人:樂金顯示有限公司