JP7475840B2 - Method for the synthesis of wurtzite sulfide nanoparticles - Google Patents

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本発明は、ウルツ鉱型(WZ型)硫化物ナノ粒子とその合成方法に関し、特に10nm以下のWZ型硫化亜鉛ナノ粒子を高純度で製造する技術に関する。 The present invention relates to wurtzite (WZ) sulfide nanoparticles and a method for synthesizing the same, and in particular to a technology for producing high-purity WZ zinc sulfide nanoparticles of 10 nm or less.

II-VI族化合物半導体材料である硫化亜鉛や、及び硫化亜鉛に酸素を添加したZnOSのナノ粒子は、可視から紫外にエネルギーギャップを持つため、蛍光体、EL(エレクトロルミネッセンス)材料、太陽電池、ガス・化学・生体センサ等のオプトエレクトロニクス材料として有望な材料である。 Zinc sulfide, a II-VI compound semiconductor material, and ZnOS nanoparticles, which are zinc sulfide with added oxygen, have an energy gap from the visible to the ultraviolet range, making them promising materials for use as optoelectronic materials in applications such as phosphors, electroluminescent (EL) materials, solar cells, and gas, chemical, and biological sensors.

一般に半導体ナノ粒子は、粒子サイズをボーア半径以下にすることで量子効果が発現し、エネルギーギャップを広げることができる。ZnSは、ボーア半径が2.5nmであり、粒子サイズを5nm以下にすることで、発光・受光材料として幅広い波長範囲を実現することができる。硫化亜鉛ナノ粒子の合成方法としては、化学合成による製造方法が確立されており、5nm以下の硫化亜鉛ナノ粒子の製造例が例えば特許文献1に報告されている。特許文献1に記載された技術では、合成時の添加剤として有機カルボン酸、有機窒素化合物或いは有機硫黄化合物等の界面活性剤を用いて、ナノ粒子表面に化学結合させることにより、粒子径をコントロールすることが開示されている。 In general, semiconductor nanoparticles can exhibit quantum effects and widen the energy gap by reducing the particle size to less than the Bohr radius. ZnS has a Bohr radius of 2.5 nm, and by reducing the particle size to 5 nm or less, a wide wavelength range can be achieved as a light-emitting/light-receiving material. A chemical synthesis method has been established as a method for synthesizing zinc sulfide nanoparticles, and an example of manufacturing zinc sulfide nanoparticles of 5 nm or less is reported in, for example, Patent Document 1. The technology described in Patent Document 1 discloses that the particle size is controlled by using a surfactant such as an organic carboxylic acid, an organic nitrogen compound, or an organic sulfur compound as an additive during synthesis and chemically bonding it to the nanoparticle surface.

ところでZnSは、安定な結晶構造として閃亜鉛鉱型と呼ばれる立方晶系の構造結晶と、準安定な結晶構造としてウルツ鉱型の六方晶系の結晶構造とが知られている。立方晶系の硫化亜鉛は、対称性が高いため結晶内の欠陥などが伝播されやすく熱や湿度などによる劣化が激しいのに対し、ウルツ鉱型の硫化亜鉛は閃亜鉛鉱型に比べ対称性が低いため、欠陥の伝播などが抑制され高い信頼性を持つ光学材料として期待されている。 ZnS is known to have a stable cubic crystal structure called zinc blende, and a metastable hexagonal crystal structure called wurtzite. Cubic zinc sulfide has a high degree of symmetry, which makes it easy for defects within the crystal to propagate, and it is subject to rapid deterioration due to heat and humidity, whereas wurtzite zinc sulfide has a lower degree of symmetry than zinc blende, which suppresses the propagation of defects and is therefore expected to be a highly reliable optical material.

ウルツ鉱型の硫化亜鉛は、閃亜鉛鉱型の硫化亜鉛を1020℃以上の温度で熱処理することで得られることが知られているが、従来のナノ粒子の合成方法(例えば特許文献1記載の合成方法)では、安定な結晶構造である閃亜鉛鉱型の硫化亜鉛が生成し、ウルツ鉱型の硫化亜鉛ナノ粒子を得ることはできない。 It is known that wurtzite-type zinc sulfide can be obtained by heat treating zinc blende-type zinc sulfide at a temperature of 1020°C or higher, but conventional nanoparticle synthesis methods (such as the synthesis method described in Patent Document 1) produce zinc blende-type zinc sulfide, which has a stable crystal structure, and it is not possible to obtain wurtzite-type zinc sulfide nanoparticles.

一方、硫化亜鉛に酸素を混晶化したZnOS粒子は、酸素の添加量を変化させることで、幅広くエネルギーギャップを変化させることが期待されるが、ZnS粒子は非混和性が高いため添加元素を粒子内に均一に混合を添加することが困難である。具体的には、1000K以下の温度では、ZnSへの酸素の固溶限界は5%以下と予測されており、従来の合成方法で酸素の比率を高めた場合、ZnOの相とZnSの相に分離してしまい、均一で高い酸素組成を持つZnOSナノ粒子を得ることはできていない。 On the other hand, ZnOS particles, which are made by mixing oxygen with zinc sulfide, are expected to have a wide range of energy gap changes by changing the amount of oxygen added. However, ZnS particles are highly immiscible, making it difficult to uniformly mix the added element within the particle. Specifically, at temperatures below 1000K, the solid solubility limit of oxygen in ZnS is predicted to be 5% or less. When the oxygen ratio is increased using conventional synthesis methods, separation occurs into a ZnO phase and a ZnS phase, making it impossible to obtain ZnOS nanoparticles with a uniform, high oxygen composition.

特開2009-233845号公報JP 2009-233845 A

本発明の第一の課題は、化学合成によってウルツ鉱型の硫化物ナノ粒子を合成すること、第二の課題は、均一で高い酸素組成を持つZnOSナノ粒子を合成することである。 The first objective of the present invention is to synthesize wurtzite-type sulfide nanoparticles by chemical synthesis, and the second objective is to synthesize ZnOS nanoparticles with a uniform and high oxygen composition.

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究した結果、亜鉛材料及び硫黄材料との化学合成によって硫化亜鉛ナノ粒子を合成する際に、添加剤として2種類の添加剤を同時に用いることによって、ウルツ鉱型であって平均粒子径が10nm以下の硫化亜鉛ナノ粒子が得られること、さらに、亜鉛材料と硫黄材料との比率を調整することで、ウルツ鉱型の均一な結晶構造を持つZnOSナノ粒子が得られることを見出し、本発明に至ったものである。 In order to solve the above problems, the inventors conducted extensive research and discovered that when synthesizing zinc sulfide nanoparticles by chemical synthesis of zinc material and sulfur material, it is possible to obtain zinc sulfide nanoparticles that are wurtzite type and have an average particle size of 10 nm or less by simultaneously using two types of additives as additives, and further, by adjusting the ratio of zinc material to sulfur material, it is possible to obtain ZnOS nanoparticles that have a uniform wurtzite crystal structure, which led to the present invention.

なお本明細書において、硫化物ナノ粒子は、II族元素の硫化物からなるナノ粒子とそれに他元素をドープした硫化物ナノ粒子とを含めていう。 In this specification, sulfide nanoparticles include nanoparticles made of sulfides of Group II elements and sulfide nanoparticles doped with other elements.

即ち、本発明の第一の態様は、少なくとも亜鉛を含むII族元素材料と硫黄材料とを溶媒中で熱分解してウルツ鉱型結晶構造の硫化物ナノ粒子を合成する方法であって、反応系に、添加剤として、ポリオール系材料及びステアリン酸エチレングリコール系材料の少なくとも1種からなる第一の添加剤と、反応中に前記ナノ粒子の表面に配位し、粒子サイズを抑制する第二の添加剤とを添加することを特徴とする。 That is, the first aspect of the present invention is a method for synthesizing sulfide nanoparticles with a wurtzite crystal structure by thermally decomposing a Group II element material containing at least zinc and a sulfur material in a solvent, characterized in that a first additive consisting of at least one of a polyol-based material and an ethylene glycol stearate-based material, and a second additive that coordinates to the surface of the nanoparticles during the reaction and suppresses the particle size are added to the reaction system as additives.

また本発明の第二の態様は、下記一般式で表されるウルツ鉱型結晶構造の硫化物ナノ粒子であって、
(Zn)(S1-x
(但し、x>0)
平均粒子径が10nm以下である硫化物ナノ粒子である。
A second aspect of the present invention is a sulfide nanoparticle having a wurtzite crystal structure represented by the following general formula:
(Zn) (S1 - xOx )
(However, x>0)
The sulfide nanoparticles have an average particle size of 10 nm or less.

また下記一般式で表されるウルツ鉱型結晶構造の硫化物ナノ粒子であって、
Zn(S1-x
(但し、0.4>x≧0)
短径4nm以下、長径50nm以下、アスペクト比5以上25以下のワイヤー状の硫化物ナノ粒子である。
The sulfide nanoparticles have a wurtzite crystal structure represented by the following general formula:
Zn( S1-xOx )
(However, 0.4>x≧0)
The wire-shaped sulfide nanoparticles have a short diameter of 4 nm or less, a long diameter of 50 nm or less, and an aspect ratio of 5 to 25.

本発明によれば、光学特性等の信頼性の高いウルツ鉱型の硫化物ナノ粒子を合成することができる。また本発明によれば、結晶中の硫黄を比較的高い比率で酸素に置換した硫化物ナノ粒子が提供される。これにより硫化亜鉛のエネルギーギャップのコントロールが可能となり、用途の幅を広げることができる。 According to the present invention, it is possible to synthesize wurtzite-type sulfide nanoparticles with highly reliable optical properties. In addition, according to the present invention, it is possible to provide sulfide nanoparticles in which a relatively high ratio of sulfur in the crystal is replaced with oxygen. This makes it possible to control the energy gap of zinc sulfide, thereby expanding the range of applications.

(A)は、実施例1の硫化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図、(B)は比較例1の硫化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図FIG. 1A is a TEM image of zinc sulfide nanoparticles of Example 1, and FIG. 1B is a TEM image of zinc sulfide nanoparticles of Comparative Example 1. 実施例1及び比較例1のXRDパターンを示す図FIG. 1 shows XRD patterns of Example 1 and Comparative Example 1. (A)は、実施例2の硫化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図、(B)は実施例3の硫化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図FIG. 1A is a TEM image of the zinc sulfide nanoparticles of Example 2, and FIG. 1B is a TEM image of the zinc sulfide nanoparticles of Example 3. 実施例1、2、3及び参考例のXRDパターンを示す図FIG. 1 shows XRD patterns of Examples 1, 2, 3 and a reference example.

以下、本発明の硫化物ナノ粒子の合成方法について説明する。
本発明の硫化物ナノ粒子の合成方法は、II族元素(Mと記載する)材料及び硫黄材料との化学合成によって硫化物ナノ粒子(MS、MOS)を合成する際に、添加剤として2種類の添加剤を同時に用いる。
The method for synthesizing sulfide nanoparticles of the present invention will now be described.
In the method for synthesizing sulfide nanoparticles of the present invention, when synthesizing sulfide nanoparticles (MS, MOS) by chemical synthesis of a Group II element (referred to as M) material and a sulfur material, two types of additives are used simultaneously as additives.

II族元素(M)としては、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)が挙げられ、これらの錯体を用いることが好ましい。例えば、亜鉛材料としては、酢酸亜鉛(Zn(AC))、ステアリン酸亜鉛(ST-Zn)、アセチルアセトナート亜鉛(Zn(ACAC))、塩化亜鉛(ZnCl)など亜鉛錯体を用いることができ、特にアセチルアセトナート亜鉛が好ましい。カドミウムについても同様にジステアリン酸カドミウムやアセチルアセトナートカドミウム、塩化カドミウムなどの錯体を用いることができる。以下の説明では、II族元素がZnである場合を例に説明する。 Examples of the Group II element (M) include zinc (Zn) and cadmium (Cd), and it is preferable to use complexes of these. For example, as the zinc material, zinc complexes such as zinc acetate (Zn(AC) 2 ), zinc stearate (ST-Zn), zinc acetylacetonate (Zn(ACAC) 2 ), and zinc chloride (ZnCl 2 ) can be used, and zinc acetylacetonate is particularly preferable. Similarly, complexes such as cadmium distearate, cadmium acetylacetonate, and cadmium chloride can be used for cadmium. In the following explanation, an example in which the Group II element is Zn will be explained.

硫黄材料としては、ドデカンチオール、ヘキサデカンチオール等チオール系材料、1,1-ジメチルチオ尿素、1,3-ジメチルチオ尿素、1,1-ジエチルチオ尿素、1,3-ジエチルチオ尿素、1,1-ジブチルチオ尿素、1,3-ジブチルチオ尿素、チオアセトアミド、テトラメチルチオ尿素などのS含有有機化合物や、硫黄粉末を用いることができる。特に、1,1-ジブチルチオ尿素、或いは、1,3-ジブチルチオ尿素が好ましい。 Examples of sulfur materials that can be used include thiol-based materials such as dodecanethiol and hexadecanethiol, S-containing organic compounds such as 1,1-dimethylthiourea, 1,3-dimethylthiourea, 1,1-diethylthiourea, 1,3-diethylthiourea, 1,1-dibutylthiourea, 1,3-dibutylthiourea, thioacetamide, and tetramethylthiourea, and sulfur powder. In particular, 1,1-dibutylthiourea or 1,3-dibutylthiourea is preferable.

II族元素材料(亜鉛材料)と硫黄材料との割合は、硫化物ナノ粒子の化学量論的割合とすることができるが、S/Zn比を制御することで、同時にナノ粒子の形状をワイヤー状から球状に制御することができる。具体的にはS/Zn比が1のときに、短辺が2~4nm、長辺が5~50nm、アスペクト比5~25のワイヤー状粒子を製造することができ、S/Zn比が2のときに粒子径2~5nm、アスペクト比5以下の球状粒子を製造することができる。ワイヤー状の粒子は、長辺方向を揃えることで、その形状に依存して偏光性を持たせることができ、従来の球状粒子とは異なる光学用途に応用することができる。 The ratio of the Group II element material (zinc material) and the sulfur material can be set to the stoichiometric ratio of sulfide nanoparticles, but by controlling the S/Zn ratio, the shape of the nanoparticles can be controlled from wire-like to spherical. Specifically, when the S/Zn ratio is 1, wire-like particles with short sides of 2-4 nm, long sides of 5-50 nm, and an aspect ratio of 5-25 can be produced, and when the S/Zn ratio is 2, spherical particles with particle diameters of 2-5 nm and aspect ratios of 5 or less can be produced. By aligning the long side direction, wire-like particles can be made polarizable depending on their shape, and can be used for optical applications different from conventional spherical particles.

一方、S/Zn比を1未満、即ちSの量をZnより少なくすることで、Sの一部が酸素に入れ替わった硫化物ナノ粒子を得ることができる。具体的には、S/Zn比をy(但し、1>y)とすることで、不足したS分だけOが取り込まれる。この場合、S/Znが0.4以下になると、ZnSの相とZnOの相とが混在した硫化物ナノ粒子が生成するため、S/Zn比は0.4より多いことが好ましく、0.6以上であることがより好ましい。S/Znを0.6以上とすることで、サイズ10nm以下のナノ粒子を得ることができる。 On the other hand, by setting the S/Zn ratio to less than 1, i.e., by making the amount of S less than that of Zn, it is possible to obtain sulfide nanoparticles in which some of the S has been replaced with oxygen. Specifically, by setting the S/Zn ratio to y (where 1>y), O is incorporated to make up for the lack of S. In this case, if the S/Zn ratio is 0.4 or less, sulfide nanoparticles in which ZnS phases and ZnO phases are mixed are generated, so the S/Zn ratio is preferably greater than 0.4, and more preferably 0.6 or greater. By setting the S/Zn ratio to 0.6 or greater, nanoparticles with a size of 10 nm or less can be obtained.

2種の添加剤の一つ、第一の添加剤としては、ヘキサデカンジオール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチルグリコール、ジエチレングリコール、エチレングリコール、ステアリルグリコール等のポリオール系材料、及び、ステアリン酸エチレングリコール系材料の少なくとも1種を用いる。これらのうち、特にエチレングリコールが好ましい。第一の添加剤の量は、極めて少量でよく、溶媒に対し0.5容量%程度とする。また添加量が多いと、反応系に留まらず突沸などの原因になるため、好ましくは1容量%以下、より好ましくは0.8容量%以下とする。 As the first additive, one of the two types of additives, at least one of polyol-based materials such as hexadecanediol, tetraethylene glycol, propylene glycol, trimethyl glycol, diethylene glycol, ethylene glycol, stearyl glycol, and ethylene glycol stearate-based materials is used. Of these, ethylene glycol is particularly preferred. The amount of the first additive may be extremely small, about 0.5% by volume relative to the solvent. If a large amount is added, it will not remain in the reaction system and may cause bumping, so the amount is preferably 1% by volume or less, and more preferably 0.8% by volume or less.

第二の添加剤としては、ZnS粒子のZnに配位する錯体であって嵩高いものが好ましく、例えば、トリオクチルホスフィン・スルフィド(以下、TOP:Sと記す)を用いることができる。TOP:Sは、トリオクチルホスフィンのリン原子(P)に硫黄(S)が配位結合によって結合した錯体であり、トリオクチルホスフィンと硫黄とから合成することができる。TOP:Sは硫黄を含む錯体であり、硫黄を含むナノ粒子の原料としては知られているが、本発明の反応においては、硫黄の供給源として機能するのではなく、第一の添加剤との併用によって、ウルツ型の結晶構造を維持しながら、粒子のサイズを抑制する機能を持つものと考えられる。 As the second additive, a bulky complex that coordinates with the Zn of the ZnS particles is preferable, and for example, trioctylphosphine sulfide (hereinafter, referred to as TOP:S) can be used. TOP:S is a complex in which sulfur (S) is bonded to the phosphorus atom (P) of trioctylphosphine by a coordinate bond, and can be synthesized from trioctylphosphine and sulfur. TOP:S is a complex containing sulfur and is known as a raw material for nanoparticles containing sulfur, but in the reaction of the present invention, it does not function as a sulfur source, but rather, when used in combination with the first additive, it is thought to have the function of suppressing the size of the particles while maintaining the wurtzite crystal structure.

第二の添加剤の量は、亜鉛原料に対しモル比で0.1~1.0、好ましくは0.2~0.8、より好ましくは約0.4~0.6とする。またトリオクチルホスフィンと硫黄で錯体を合成し、それを反応系に投入する場合、トリオクチルホスフィンを化学量論的な割合よりも多くすることが好ましい。これにより、余剰の硫黄が反応系に入り、意図しない酸素との置換が起こるのを防止できる。 The amount of the second additive is 0.1 to 1.0, preferably 0.2 to 0.8, and more preferably about 0.4 to 0.6, in molar ratio relative to the zinc raw material. When synthesizing a complex from trioctylphosphine and sulfur and adding it to the reaction system, it is preferable to use more trioctylphosphine than the stoichiometric ratio. This prevents excess sulfur from entering the reaction system and causing unintended replacement with oxygen.

溶媒は、反応を比較的高温で行うため、沸点(b.p.)が反応温度より高い溶媒を用いる。具体的には、オレイルアミン(b.p.:350℃)やベンジルベンゾエート(b.p.:350℃)、1-オクタデセン(b.p.:179℃(15mmHg下))、オレイン酸(b.p.:360℃)、トリオクチルフォスフィンオキシド(b.p.:202℃(2mmHg下))、トリオクチルフォスフィン(b.p.:445℃)を用いることができる。特に高沸点のオレイルアミンが好適である。 Because the reaction is carried out at a relatively high temperature, a solvent with a boiling point (b.p.) higher than the reaction temperature is used. Specifically, oleylamine (b.p.: 350°C), benzyl benzoate (b.p.: 350°C), 1-octadecene (b.p.: 179°C (under 15 mmHg)), oleic acid (b.p.: 360°C), trioctylphosphine oxide (b.p.: 202°C (under 2 mmHg)), and trioctylphosphine (b.p.: 445°C) can be used. Oleylamine, which has a high boiling point, is particularly suitable.

反応は、溶媒中(液相)で加熱して行う。この際、減圧下で比較的低い温度で反応させるステップ(第一のステップ)と不活性雰囲気下で比較的高い温度で反応させるステップ(第二のステップ)とを含む複数段階の反応を行い、段階ごとに反応時間や雰囲気などの条件を異ならせることが好ましい。 The reaction is carried out by heating in a solvent (liquid phase). In this case, it is preferable to carry out a multi-step reaction including a step (first step) of reacting at a relatively low temperature under reduced pressure and a step (second step) of reacting at a relatively high temperature in an inert atmosphere, with different reaction conditions such as reaction time and atmosphere for each step.

第一のステップの反応温度は、200℃以下とすることが好ましい。200℃以下とすることにより、閃亜鉛鉱型の結晶が生成するのを抑制することができる。 The reaction temperature in the first step is preferably 200°C or less. By keeping the temperature at 200°C or less, the formation of zinc blende crystals can be suppressed.

第一のステップは、例えば、まずN等の不活性雰囲気で100℃以下の温度(例えば70℃程度)で1時間以下の短時間保持したのち昇温し、減圧雰囲気下で200℃以下の温度(例えば130℃)で反応を進行させる。減圧雰囲気下の圧力は大気圧(約100kPa)の1/100以下とする。但し溶媒の突沸を防止するために15Pa以上とする。減圧雰囲気、200℃以下で行う反応の反応時間は、1~3時間程度とする。 In the first step, for example, the reaction is first maintained at a temperature of 100°C or less (e.g., about 70°C) for a short period of time of 1 hour or less in an inert atmosphere such as N2 , and then the temperature is raised to a temperature of 200°C or less (e.g., 130°C) in a reduced pressure atmosphere to allow the reaction to proceed. The pressure in the reduced pressure atmosphere is 1/100 or less of atmospheric pressure (about 100 kPa). However, the pressure is set to 15 Pa or more to prevent bumping of the solvent. The reaction time for the reaction in a reduced pressure atmosphere at 200°C or less is about 1 to 3 hours.

第二のステップは、不活性雰囲気下で第一ステップの反応温度より高い温度、200℃以上で且つ溶媒の沸点以下の温度(例えば250℃)で1~2時間保持する。第一のステップから第二のステップの昇温レートは、限定されるものではないが、例えば50℃/5minとする。第二のステップでは、第一のステップで生成した結晶の核を成長させる。第一のステップで六方晶系(WZ型)の結晶の核が生成していれば、その後、温度を上昇させても結晶系は保たれ、温度を上げることで残りの反応を速やかに進めることができる。第二のステップの後、さらに温度を上げて(ただし溶媒の沸点以下)、短時間保持してもよく、これにより速やかに反応を完了させることができる。 In the second step, the reaction is held in an inert atmosphere at a temperature higher than the reaction temperature in the first step, 200°C or higher and below the boiling point of the solvent (e.g., 250°C), for 1 to 2 hours. The rate of temperature rise from the first step to the second step is not limited, but may be, for example, 50°C/5 min. In the second step, the nuclei of the crystals generated in the first step are grown. If the nuclei of hexagonal crystals (WZ type) are generated in the first step, the crystal system is maintained even if the temperature is subsequently increased, and the remaining reaction can be rapidly carried out by increasing the temperature. After the second step, the temperature may be further increased (but below the boiling point of the solvent) and held for a short period of time, which allows the reaction to be rapidly completed.

反応終了後は、降温後、一般的な熱分解法によるナノ粒子の回収方法と同様の方法で、ナノ粒子を回収する。具体的には、降温後の反応液にヘキサン等の所定の溶媒を加えて拡散した後、貧溶媒を加えて粒子を凝集させて遠心分離する。この処理は、必要に応じて複数回繰り返してもよい。最後に粒子洗浄を行って、ナノ粒子の分散液を得る。 After the reaction is complete, the temperature is lowered and the nanoparticles are recovered in the same manner as in the general method of recovering nanoparticles by pyrolysis. Specifically, a specific solvent such as hexane is added to the reaction liquid after the temperature is lowered to cause dispersion, and then a poor solvent is added to cause the particles to aggregate and then centrifuged. This process may be repeated multiple times as necessary. Finally, the particles are washed to obtain a dispersion of nanoparticles.

本発明の硫化物ナノ粒子の製造方法によれば、反応系に2種類の添加剤を添加することにより、ナノ粒子の結晶系の制御と非混和性の緩和という複数の課題を一挙に解決することができ、これにより、従来の化学合成では生成することができなかったサイズ10nm以下のウルツ鉱型の硫化物ナノ粒子を提供することができる。また他元素の取り込みについては、硫化物の酸素濃度を40原子%程度まで高めることができる。 According to the method for producing sulfide nanoparticles of the present invention, by adding two types of additives to the reaction system, it is possible to solve multiple problems at once, such as controlling the crystal system of the nanoparticles and reducing immiscibility, and thus it is possible to provide wurtzite-type sulfide nanoparticles with a size of 10 nm or less, which could not be produced by conventional chemical synthesis. In addition, regarding the incorporation of other elements, the oxygen concentration of the sulfide can be increased to about 40 atomic %.

本発明の硫化物ナノ粒子の製造方法により得られる代表的な硫化物ナノ粒子は、粒子サイズ10nm以下のウルツ鉱型結晶構造のZn(O1-x)(但し、0.4>x>0)ナノ粒子、及び、短径4nm以下、長径50nm以下、アスペクト比5以上25以下のワイヤー状のZn(O1-x)(但し、0.4>x≧0)ナノ粒子を含む。 Representative sulfide nanoparticles obtainable by the method for producing sulfide nanoparticles of the present invention include Zn(O x S 1-x ) (where 0.4>x>0) nanoparticles having a wurtzite crystal structure and a particle size of 10 nm or less, and wire-shaped Zn(O x S 1-x ) (where 0.4>x≧0) nanoparticles having a short axis of 4 nm or less, a long axis of 50 nm or less, and an aspect ratio of 5 to 25.

以下、本発明の硫化物ナノ粒子の合成例を説明する。 The following describes an example of the synthesis of sulfide nanoparticles of the present invention.

<実施例1>
溶媒としてオレイルアミン10mL、亜鉛材料としてZn(ACAC) 2.0mmol、硫黄材料として1,3-ジブチルチオ尿素 2.0mmolを用い、第一の添加剤としてエチレングリコール(EG) 1.0mmol、第二の添加剤としてTOP-S(TOP 1.2mmol及び硫黄 0.6mmol)を用いた。なお亜鉛材料と硫黄材料(TOP-Sを除く)のS/Zn比は1である。
Example 1
The solvent used was 10 mL of oleylamine, the zinc material was 2.0 mmol of Zn(ACAC) 2 , the sulfur material was 2.0 mmol of 1,3-dibutylthiourea, the first additive was 1.0 mmol of ethylene glycol (EG), and the second additive was TOP-S (1.2 mmol of TOP and 0.6 mmol of sulfur). The S/Zn ratio of the zinc material and the sulfur material (except for TOP-S) was 1.

容器(100mL)に材料を充填後、窒素雰囲気下で70℃に30分保持したのち、昇温し減圧雰囲気下で130℃に2時間保持した。この時の圧力は、約100Pa(10Pa以上1000Pa以下)とした。その後、50℃/5分の昇温レートで昇温し、N雰囲気下で250℃に2時間保持した後、さらに昇温してN雰囲気下で300℃に保持して合成を行った。 After filling the container (100 mL), the material was held at 70 ° C for 30 minutes under a nitrogen atmosphere, and then heated and held at 130 ° C for 2 hours under a reduced pressure atmosphere. The pressure at this time was about 100 Pa (10 Pa or more and 1000 Pa or less). After that, the temperature was raised at a temperature rise rate of 50 ° C / 5 minutes, and the material was held at 250 ° C for 2 hours under a N2 atmosphere, and then further heated and held at 300 ° C under a N2 atmosphere to perform synthesis.

降温後の反応液にヘキサンを5ml加え撹拌した後に遠沈管に回収した。貧溶媒であるエタノールを加えて粒子を凝集させ、遠心分離機を用いて沈降させた。分離条件は12,000rpmで、60分とした。上澄み液を廃棄した後、ヘキサンを5mL加えて振とう機で30分撹拌して粒子を分散させた。もう一度エタノールを加え、同様の工程をもう1回繰り返して粒子洗浄を行い、ZnSナノ粒子の分散液を得た。 After cooling, 5 ml of hexane was added to the reaction solution, which was stirred and then collected in a centrifuge tube. Ethanol, a poor solvent, was added to aggregate the particles, which were then allowed to settle using a centrifuge. Separation conditions were 12,000 rpm and 60 minutes. After discarding the supernatant, 5 ml of hexane was added and the particles were dispersed by stirring for 30 minutes using a shaker. Ethanol was added once more, and the same process was repeated once more to wash the particles, yielding a dispersion of ZnS nanoparticles.

<比較例1>
2種の添加剤を用いないこと以外は、実施例1と同様にして、硫化亜鉛ナノ粒子を合成した。
<Comparative Example 1>
Zinc sulfide nanoparticles were synthesized in the same manner as in Example 1, except that the two additives were not used.

実施例1及び比較例1で、それぞれ得られた粒子の透過型電子顕微鏡像(TEM像)を図1(A)、(B)に示す。図1(A)に示すように、粒子の形状はワイヤー状であり、短径が2~3nm、長径が20~50nmであることが確認された。一方、添加剤を用いない場合には、図1(B)に示すように、粒子サイズ4~5nmの球状の粒子が得られた。 Transmission electron microscope images (TEM images) of the particles obtained in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Figures 1(A) and (B), respectively. As shown in Figure 1(A), it was confirmed that the particles were wire-shaped with a short diameter of 2 to 3 nm and a long diameter of 20 to 50 nm. On the other hand, when no additive was used, spherical particles with a particle size of 4 to 5 nm were obtained, as shown in Figure 1(B).

また実施例1及び比較例1で得られた粒子のXRD回折パターンを図2に示す。図2に示すように、比較例1の粒子は、立方晶系の(111)、(220)及び(311)の3つのピークが見られ、閃亜鉛鉱型の硫化亜鉛であることが確認された。一方、実施例1の粒子は、六方晶系の(100)(002)(101)(102)(110)(103)(112)の6つのピークが見られ、ウルツ鉱型のZnSであることが確認された。 The XRD diffraction patterns of the particles obtained in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Figure 2. As shown in Figure 2, the particles of Comparative Example 1 showed three peaks of cubic crystal system (111), (220), and (311), and were confirmed to be zinc blende-type zinc sulfide. On the other hand, the particles of Example 1 showed six peaks of hexagonal crystal system (100), (002), (101), (102), (110), (103), and (112), and were confirmed to be wurtzite-type ZnS.

<実施例2、3及び参考例>
硫黄材料である1,3-ジブチルチオ尿素の使用量を、1.6mmol(実施例2)、1.2mmol(実施例3)、及び0.8mmol(参考例)に、それぞれ変えて、それ以外は、実施例1と同様にして、硫化亜鉛ナノ粒子を合成した。
<Examples 2 and 3 and Reference Example>
Zinc sulfide nanoparticles were synthesized in the same manner as in Example 1, except that the amount of the sulfur material, 1,3-dibutylthiourea, was changed to 1.6 mmol (Example 2), 1.2 mmol (Example 3), and 0.8 mmol (Reference Example), respectively.

実施例2及び実施例3のTEM像を図3に、実施例2、3及び参考例のXRDを図4に示す。TEM像から、実施例2、3のいずれにおいても、球状のナノ粒子が確認され、粒子サイズはそれぞれ2~3nm(実施例2)、3~4nm(実施例3)であった。またXRDパターンから、実施例2、3のナノ粒子は均一なウルツ鉱型のZnOS粒子であることが確認された。さらにXRD分析の結果、実施例1を硫黄材料濃度100%としたとき、硫黄材料濃度80%である実施例2はZnO0.10.9が生成され、硫黄材料濃度60%である実施例3はZnO0.20.8が生成され、いずれも原料の使用量に応じてZnOS粒子の硫黄が酸素に置き換わった粒子であることが確認された。一方、参考例(硫黄材料濃度40%)では、ウルツ鉱型のZnOSはほとんど生成されず、図4のXRDパターンからわかるように、立方晶系であるZnSのピークと六方晶ZnOのピークが観察された。 TEM images of Examples 2 and 3 are shown in FIG. 3, and XRD of Examples 2, 3, and Reference Example are shown in FIG. 4. From the TEM images, spherical nanoparticles were confirmed in both Examples 2 and 3, with particle sizes of 2-3 nm (Example 2) and 3-4 nm (Example 3), respectively. From the XRD patterns, it was confirmed that the nanoparticles in Examples 2 and 3 were uniform wurtzite-type ZnOS particles. Furthermore, as a result of the XRD analysis, when Example 1 was taken as having a sulfur material concentration of 100%, Example 2 , which had a sulfur material concentration of 80%, produced ZnO 0.1 S 0.9 , and Example 3 , which had a sulfur material concentration of 60%, produced ZnO 0.2 S 0.8 , and it was confirmed that in both cases, the sulfur of the ZnOS particles was replaced with oxygen depending on the amount of raw material used. On the other hand, in the reference example (sulfur material concentration 40%), wurtzite ZnOS was hardly generated, and as can be seen from the XRD pattern in FIG. 4, a peak of cubic ZnS and a peak of hexagonal ZnO were observed.

本発明によれば、光学材料、磁気材料、電気材料或いは蛍光体等として適用可能な新規なナノ粒子が提供される。 The present invention provides novel nanoparticles that can be used as optical materials, magnetic materials, electrical materials, phosphors, etc.

Claims (6)

少なくとも亜鉛を含むII族元素材料である酢酸亜鉛(Zn(AC))、ステアリン酸亜鉛(ST-Zn)、アセチルアセトナート亜鉛(Zn(ACAC))、塩化亜鉛(ZnCl)から選択される少なくとも一つと硫黄材料とを溶媒中で熱分解してウルツ鉱型結晶構造の硫化物ナノ粒子を合成する方法であって、
前記亜鉛を含むII族元素材料と硫黄材料との割合S/Zn比は、0.6以上2以下であり、
反応系に、添加剤として、ポリオール系材料及びステアリン酸エチレングリコール系材料の少なくとも1種からなる第一の添加剤と、反応中に前記ナノ粒子の表面に配位し、粒子サイズを抑制する第二の添加剤としてトリオクチルホスフィン・スルフィドとを添加し、
不活性雰囲気かつ減圧下で100℃以下の温度かつ1時間以下の時間保持し、その後200℃より低い第一の温度で反応を行う第一のステップと、
不活性雰囲気下で前記第一の温度より高い200℃以上かつ溶媒の沸点以下である第二の温度で、1~2時間反応を継続し硫化物ナノ粒子を生成する第二のステップと、を含むことを特徴とする硫化物ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing sulfide nanoparticles having a wurtzite crystal structure, comprising thermally decomposing at least one of zinc-containing Group II element materials selected from zinc acetate (Zn(AC) 2 ), zinc stearate (ST-Zn), zinc acetylacetonate (Zn(ACAC) 2 ), and zinc chloride (ZnCl 2 ) and a sulfur material in a solvent, the method comprising the steps of:
a ratio (S/Zn) of the zinc-containing Group II element material to the sulfur material is 0.6 or more and 2 or less;
Adding, to the reaction system, as additives, a first additive consisting of at least one of a polyol-based material and an ethylene glycol stearate-based material, and trioctylphosphine sulfide as a second additive that coordinates to the surface of the nanoparticles during the reaction and suppresses the particle size;
a first step of maintaining the reaction at a temperature of 100° C. or less for a period of 1 hour or less under an inert atmosphere and reduced pressure, followed by a reaction at a first temperature of less than 200° C.;
and a second step of continuing the reaction for 1 to 2 hours in an inert atmosphere at a second temperature that is 200° C. or higher, which is higher than the first temperature, and is lower than the boiling point of the solvent, to produce sulfide nanoparticles.
請求項1に記載の硫化物ナノ粒子の合成方法であって、
前記第二のステップは、大気圧下で反応を継続し硫化物ナノ粒子を生成するステップを含むことを特徴とする硫化物ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing sulfide nanoparticles according to claim 1, comprising the steps of:
The method for synthesizing sulfide nanoparticles, wherein the second step includes continuing the reaction under atmospheric pressure to produce sulfide nanoparticles.
請求項1に記載の硫化物ナノ粒子の合成方法であって、
前記第一の添加剤が、エチレングリコールであることを特徴とする硫化物ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing sulfide nanoparticles according to claim 1, comprising the steps of:
The method for synthesizing sulfide nanoparticles, characterized in that the first additive is ethylene glycol.
請求項1に記載の硫化物ナノ粒子の合成方法であって、
硫化亜鉛の化学量論的割合で、前記II族元素材料と前記硫黄材料(前記添加剤に含まれる硫黄を除く)とを用い、ワイヤー形状のナノ粒子を生成することを特徴とする硫化物ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing sulfide nanoparticles according to claim 1, comprising the steps of:
A method for synthesizing sulfide nanoparticles, comprising using the Group II element material and the sulfur material (excluding the sulfur contained in the additive) in a stoichiometric ratio of zinc sulfide to produce wire-shaped nanoparticles.
請求項1に記載の硫化物ナノ粒子の合成方法であって、
前記II族元素材料に対する前記硫黄材料(前記添加剤に含まれる硫黄を除く)の割合が、II族元素硫化物の化学量論的割合以上であって、球状のナノ粒子を生成することを特徴とする硫化物ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing sulfide nanoparticles according to claim 1, comprising the steps of:
A method for synthesizing sulfide nanoparticles, characterized in that the ratio of the sulfur material (excluding sulfur contained in the additive) to the Group II element material is equal to or greater than the stoichiometric ratio of Group II element sulfides, and spherical nanoparticles are produced.
請求項1に記載の硫化物ナノ粒子の合成方法であって、
前記II族元素材料に対する前記硫黄材料(前記添加剤に含まれる硫黄を除く)の割合が、硫化亜鉛の化学量論的割合よりも少なく、硫化物における硫黄の一部が酸素に置換されたナノ粒子を製造することを特徴とする硫化物ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing sulfide nanoparticles according to claim 1, comprising the steps of:
A method for synthesizing sulfide nanoparticles, characterized in that a ratio of the sulfur material (excluding sulfur contained in the additive) to the Group II element material is less than a stoichiometric ratio of zinc sulfide, and nanoparticles are produced in which a portion of the sulfur in the sulfide is substituted with oxygen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010144032A (en) 2008-12-18 2010-07-01 National Institute For Materials Science Nanorod formulation for liquid crystal display for polarization control-type electro-optical apparatus
JP2018069399A (en) 2016-11-01 2018-05-10 スタンレー電気株式会社 Quantum dot
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