JP5019052B2 - CdSe quantum dot and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、工業技術およびライフサイエンス技術で広範に応用に付されているCdSe量子ドット(ナノ結晶)及びその製造方法に関する。 The present invention relates to CdSe quantum dots (nanocrystals) widely applied in industrial technology and life science technology, and a method for producing the same.
工業技術およびライフサイエンス技術で広範に応用に付されているCdSe量子ドット(ナノ結晶)は大規模に生産することが必要である。ライフサイエンス実験で使われる量子ドットにはいくつかの要求項目があり、高品質(例えばドットサイズの分散が非常に小さいことや高量子収率であること)、形成プロセスの精度や再現性、すなわち異なるバッチでも同じ大きさ、同じスペクトル特性をもつ量子ドット分画を形成できなければならない。 CdSe quantum dots (nanocrystals) that are widely applied in industrial technology and life science technology need to be produced on a large scale. There are several requirements for quantum dots used in life science experiments: high quality (for example, very small dot size dispersion and high quantum yield), accuracy and reproducibility of the formation process, It should be possible to form quantum dot fractions with the same size and the same spectral characteristics in different batches.
従来、CdSe量子ドットの製造方法として、数多くの文献で様々な方法が報告されてきた。初期の1986年頃には、非常に毒性の強いCdとSe含有物質を用いる方法が報告された(非特許文献1,2参照)。より安全な「グリーン」ケミストリアプローチによる高品質でほぼ均一なサイズのCdSe量子ドット合成法が、過去数年の間に発表されてきた(非特許文献3〜9参照)。 Conventionally, various methods have been reported in many literatures as methods for producing CdSe quantum dots. In early 1986, a method using a Cd and Se-containing substance having extremely strong toxicity was reported (see Non-Patent Documents 1 and 2). High quality, nearly uniform size CdSe quantum dot synthesis methods using a safer “green” chemistry approach have been published over the past few years (see Non-Patent Documents 3-9).
これらの方法では基本的に「ホットインジェクション」法が用いられ、Cd前駆体とSe前駆体がミリ秒スケールという高速で280〜320℃の反応混合物に加えられる。ナノ結晶の形成は非常に速く、2〜3分以内に形成され、その後10分程度で遅れた成長と停止が生ずる。所望の大きさのナノ結晶を得るには、所望の時刻に反応を止める必要がある(例えば、「ホットインジェクション」開始の5、20、30秒後など)。反応の停止は急速冷却と有機溶媒中(クロロフォルム、メタノール、ブタノール、ヘキサン、トルエン)への投入によって行われる。しかし、このような一定の高温下では、非常に高速に反応が進むため、反応停止の正確な制御が困難である。 In these methods, the “hot injection” method is basically used, and the Cd precursor and Se precursor are added to the reaction mixture at 280 to 320 ° C. at a high speed of millisecond scale. The formation of nanocrystals is very fast, occurs within a few minutes, and then grows and stops after about 10 minutes. In order to obtain nanocrystals of a desired size, it is necessary to stop the reaction at a desired time (for example, 5, 20, 30 seconds after the start of “hot injection”). The reaction is stopped by rapid cooling and charging into an organic solvent (chloroform, methanol, butanol, hexane, toluene). However, under such a constant high temperature, the reaction proceeds very rapidly, and it is difficult to accurately control the reaction stop.
また、高い一定温度での合成では、反応混合物中のナノ結晶の成長率は非常に高いので(非特許文献6)(図7)、異なるサイズの量子ドットが同時に反応混合物中にできてしまう。他の文献の報告では量子ドットサイズ分画の分散は5〜10%であり、最も良好なものでも5%程度である(非特許文献6)。CdSe量子ドットの最も低いサイズ分布はタラピンらにより報告されている(非特許文献11参照)。非特許文献11には、サイズ4nmの直径を有する量子ドットのサイズ分布が約4%であったことが開示されているが、他のサイズあるいはサイズ分布については開示も示唆もされていない。また前記量子ドットの量子収率は10〜25%程度であり非常に低いものであった。
図7は高い一定温度(例えば290℃)において合成されたCdSeナノ結晶の典型的な成長飽和曲線であり、これはQu,L.とPeng,X.により確立された方法である(非特許文献6参照)。非常に迅速な成長が「ホットインジェクション」後150秒で観測され、その後遅れた成長と飽和に至る。
この時間内(150秒以内)でいくつかの異なる時刻で反応を止めること、および一つの反応混合物からいくつかの大きさの量子ドット分画に分離することは非常に難しい。さらに、分離された反応混合物から望む大きさの量子ドットのみを分離することは非常に困難である。
In addition, in the synthesis at a high constant temperature, the growth rate of the nanocrystals in the reaction mixture is very high (Non-patent Document 6) (FIG. 7), so that quantum dots of different sizes are simultaneously formed in the reaction mixture. According to other literature reports, the dispersion of the quantum dot size fraction is 5 to 10%, and the best one is about 5% (Non-patent Document 6). The lowest size distribution of CdSe quantum dots has been reported by Tarapin et al. (See Non-Patent Document 11). Non-Patent Document 11 discloses that the size distribution of quantum dots having a diameter of 4 nm is about 4%, but does not disclose or suggest other sizes or size distributions. The quantum yield of the quantum dots was about 10-25%, which was very low.
FIG. 7 is a typical growth saturation curve of CdSe nanocrystals synthesized at a high constant temperature (eg, 290 ° C.), which is described in Qu, L. And Peng, X .; (See Non-Patent Document 6). Very rapid growth is observed 150 seconds after “hot injection”, followed by delayed growth and saturation.
It is very difficult to stop the reaction at several different times within this time (within 150 seconds) and to separate several sized quantum dot fractions from one reaction mixture. Furthermore, it is very difficult to separate only the desired size quantum dots from the separated reaction mixture.
「ホットインジェクション」法の一つのバリエーションとして、合成を約320〜340℃の高温で開始し、その後温度を降下させ、360〜290℃に固定する方法が報告されている(非特許文献10参照)。この場合にはいくつかの大きさの量子ドットに分けることが可能である。ただし、非特許文献10にはこれらの分画における、大きさの分散について報告されておらず、非特許文献10における15分後の量子ドットの吸収スペクトルは、明らかに10%以上の分散を示している。更に、すべてのCdSe量子ドットは低品質であり、蛍光スペクトルの半値全幅は約60〜70nmである(文献10の図2参照)。この方法では反応が非常に早く進行するので、大きさの制御を正確に行うこと、および一つの容器から複数の望む大きさの単一分散の量子ドットを得ることが難しい。しかも、更なる温度下降(240〜260℃以下へ)は結晶成長を止めてしまう。
非常に速い結晶成長では、単一反応において均一サイズのCdSe量子ドットの再現性を大きく低下させることが広く認識されている。再現性の劣る従来の方法では、望む大きさ、望むスペクトル特性、及び望む品質のナノ結晶を得るためには数回の合成反応を繰り返すことが必要である。従って、環境に排出される毒性の添加物の量は数倍にもなるという問題もある。
As one variation of the “hot injection” method, a method in which the synthesis is started at a high temperature of about 320 to 340 ° C. and then the temperature is lowered and fixed at 360 to 290 ° C. has been reported (see Non-Patent Document 10). . In this case, it can be divided into quantum dots of several sizes. However, Non-Patent Document 10 does not report the size dispersion in these fractions, and the absorption spectrum of quantum dots after 15 minutes in Non-Patent Document 10 clearly shows a dispersion of 10% or more. ing. Furthermore, all CdSe quantum dots are of low quality, and the full width at half maximum of the fluorescence spectrum is about 60 to 70 nm (see FIG. 2 of Reference 10). In this method, since the reaction proceeds very quickly, it is difficult to accurately control the size and to obtain a plurality of monodispersed quantum dots of a desired size from one container. Moreover, the further temperature drop (to 240 to 260 ° C. or less) stops the crystal growth.
It is widely recognized that very fast crystal growth greatly reduces the reproducibility of uniformly sized CdSe quantum dots in a single reaction. In conventional methods with poor reproducibility, it is necessary to repeat several synthesis reactions in order to obtain nanocrystals of the desired size, desired spectral characteristics, and desired quality. Therefore, there is a problem that the amount of the toxic additive discharged to the environment is several times.
本発明は、上記従来の技術における問題を解決することを目的とする。すなわち、本発明の目的は、単一反応において均一サイズのCdSe量子ドットを高度に再現性良くかつ容易なコントロールにより多数種合成できるCdSe量子ドットの製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、望む大きさとスペクトル特性を有し、高い均一サイズを有する量子ドット分画を高度に再現性良く合成できるCdSe量子ドットの製造方法を提供することである。
また、本発明の更なる目的は、Cd前駆体あるいはSe前駆体の利用率を高めて(収率の向上)、環境にやさしいCdSe量子ドットの製造方法を提供することである。
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a method for producing CdSe quantum dots capable of synthesizing many kinds of CdSe quantum dots having a uniform size in a single reaction with high reproducibility and easy control.
Another object of the present invention is to provide a method for producing CdSe quantum dots, which can synthesize quantum dot fractions having a desired size and spectral characteristics and a high uniform size with high reproducibility.
A further object of the present invention is to provide an environmentally friendly method for producing CdSe quantum dots by increasing the utilization rate of Cd precursor or Se precursor (improving yield).
発明者らは、下記に示す方法により、一つの反応から、複数のサイズのCdSe量子ドットを得ることができ、更に各分画中のCdSe量子ドットのサイズにおいて高い均一性を達成することを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、CdSe量子ドットを合成する方法であって、Cd前駆体溶液とSe前駆体溶液を混合し、前記混合物を0.10℃/分〜0.80℃/分の上昇温度勾配で、好ましくは0.20℃/分〜0.55℃/分の上昇温度勾配で、更に好ましくは0.20℃/分〜0.50℃/分の上昇温度勾配で加熱することを特徴とする方法、を提供する。
上記方法において、混合物を加熱は110℃〜250℃の温度範囲で行うことが好ましい。
上記方法において、Cd前駆体溶液中のCdとSe前駆体溶液中のSeの原子比は、0.85:1〜1.10:1であることが好ましく、0.9:1〜1:1であることが更に好ましい。
また、上記方法において、Cd前駆体溶液が、炭素数10〜18の脂肪酸を含むことが好ましく、炭素数18の脂肪酸を含むことが更に好ましい。
The inventors have found that CdSe quantum dots of a plurality of sizes can be obtained from one reaction by the method described below, and that high uniformity is achieved in the size of CdSe quantum dots in each fraction. The present invention has been completed.
That is, the present invention is a method for synthesizing CdSe quantum dots, in which a Cd precursor solution and a Se precursor solution are mixed, and the mixture is increased in temperature gradient from 0.10 ° C./min to 0.80 ° C./min. Preferably, heating is performed with a rising temperature gradient of 0.20 ° C./min to 0.55 ° C./min, and more preferably with a rising temperature gradient of 0.20 ° C./min to 0.50 ° C./min. To provide a method.
In the above method, the mixture is preferably heated in a temperature range of 110 ° C to 250 ° C.
In the above method, the atomic ratio of Cd in the Cd precursor solution to Se in the Se precursor solution is preferably 0.85: 1 to 1.10: 1, and 0.9: 1 to 1: 1. More preferably.
In the above method, the Cd precursor solution preferably contains a fatty acid having 10 to 18 carbon atoms, and more preferably contains a fatty acid having 18 carbon atoms.
また、上記方法により製造される本発明の量子ドット分画は、サイズが5nm以下、好ましくは4nm以下でかつサイズ分布が5%以下である量子ドットからなり、量子収率が40〜80%、好ましくは50〜70%である、という従来に無い、狭いサイズ分布と高い量子収率を示す新規な量子ドット分画である。
また、上記量子ドット分画の発光スペクトル(ホトルミネセンス)の半値全幅(FWHM)は40nm以下であり、更に好ましくは27〜30nmである。
Further, the quantum dot fraction of the present invention produced by the above method comprises quantum dots having a size of 5 nm or less, preferably 4 nm or less and a size distribution of 5% or less, and a quantum yield of 40 to 80%, It is a novel quantum dot fraction that exhibits an unprecedented narrow size distribution and high quantum yield, preferably 50 to 70%.
The full width at half maximum (FWHM) of the emission spectrum (photoluminescence) of the quantum dot fraction is 40 nm or less, and more preferably 27 to 30 nm.
上記方法は、反応において、(1)目的の大きさのCdSe量子ドットを成長させ、(2)各時点において新規量子ドットの成長のほぼ完全な抑制を行うものであり、これにより、サイズにおいて高い均一性を有し、かつ目的のサイズのCdSe量子ドットの分画を得ることを可能にしたものである。 In the reaction, in the reaction, (1) CdSe quantum dots of a desired size are grown, and (2) almost complete suppression of the growth of new quantum dots is performed at each time point. This makes it possible to obtain a fraction of CdSe quantum dots having uniformity and a desired size.
本発明の効果として以下が挙げられる。
1.正確で制御しやすいCdSe量子ドットの製造方法を提供する。例えば、2〜3nmの波長精度で、望む正確な放射波長のCdSe量子ドットを得ることが可能である。
2.非常に再現性の高いCdSe量子ドットの製造方法を提供する。従って、目的のサイズの量子ドットを容易に得ることができる。
3.複数の均一サイズのCdSe量子ドット分画を一つの反応混合物から精製することなく製造することができるCdSe量子ドットの製造方法を提供する。すなわち、一つの反応混合物中に2種類以上(例えば5種類以上、更に6〜10種類)の均一サイズのCdSe量子ドット分画が、経時的に順次合成されるため、順次分画を得ることにより、加熱を停止せず、かつそれぞれ精製せずに均一サイズの分画を得ることができる。更なるサイズ選択工程は、量子ドットの凝集を促進させ、最終の非凝集生成物の生成収率を低下させる。本発明の量子ドットフラクションは初期には非凝集体であり、高い透明性を有し、サイズ選択及び精製が不要である。
4.ほとんど完全にCd前駆体やSe前駆体を使用することが可能であり、環境にやさしいCdSe量子ドットの製造方法を提供する。
5.量子収率が非常に高いCdSe量子ドット分画を提供する。いうまでもなく量子収率が非常に高いCdSe量子ドット分画は、CdSe量子ドットを利用する全ての工業技術及びライフサイエンス技術分野において有利に用いることができる。
6.サイズ分布は非常に狭いCdSe量子ドット分画を提供する。サイズ分布が非常に狭いCdSe量子ドット分画は、特にライフサイエンス技術分野において有利に用いることができる。
7.発光スペクトルの半値全幅(FWHM)が非常に狭い(すなわちシャープなスペクトルである)CdSe量子ドット分画を提供する。発光スペクトルの半値全幅(FWHM)が非常に狭いCdSe量子ドット分画は、多重ラベリング及びイメージング、多重検知(multiple sensing)、2D及び3Dディスプレイ、蛍光標準において有利に用いることができる。
The effects of the present invention include the following.
1. An accurate and easy-to-control CdSe quantum dot manufacturing method is provided. For example, it is possible to obtain CdSe quantum dots having a desired emission wavelength with a wavelength accuracy of 2 to 3 nm.
2. A method for producing CdSe quantum dots with very high reproducibility is provided. Therefore, a quantum dot having a target size can be easily obtained.
3. A method for producing CdSe quantum dots capable of producing a plurality of uniformly sized CdSe quantum dot fractions without purification from a single reaction mixture is provided. That is, since two or more (for example, five or more, further 6 to 10) CdSe quantum dot fractions of uniform size are sequentially synthesized over time in one reaction mixture, by sequentially obtaining fractions Fraction of uniform size can be obtained without stopping heating and purifying each. A further size selection step promotes the aggregation of quantum dots and reduces the production yield of the final non-aggregated product. The quantum dot fraction of the present invention is initially non-aggregated, has high transparency, and does not require size selection and purification.
4). It is possible to use Cd precursors and Se precursors almost completely, and provide an environmentally friendly method for producing CdSe quantum dots.
5. CdSe quantum dot fractions with very high quantum yield are provided. Needless to say, the CdSe quantum dot fraction having a very high quantum yield can be advantageously used in all industrial technology and life science technology fields using CdSe quantum dots.
6). The size distribution provides a very narrow CdSe quantum dot fraction. The CdSe quantum dot fraction having a very narrow size distribution can be advantageously used particularly in the life science technical field.
7). It provides a CdSe quantum dot fraction with a very narrow full width at half maximum (FWHM) of the emission spectrum (ie, a sharp spectrum). CdSe quantum dot fractions with very narrow emission spectrum full width at half maximum (FWHM) can be advantageously used in multiple labeling and imaging, multiple sensing, 2D and 3D displays, and fluorescence standards.
本発明の方法は、Cd前駆体溶液及びSe前駆体溶液の混合物を0.20℃/分〜0.55℃/分の温度勾配上昇率で温度を上昇させて加熱することにより量子ドットを成長させる方法である。本発明の方法について以下詳述する。 The method of the present invention grows quantum dots by heating a mixture of a Cd precursor solution and a Se precursor solution at a temperature gradient increase rate of 0.20 ° C./min to 0.55 ° C./min. It is a method to make it. The method of the present invention will be described in detail below.
本明細書において、Cd前駆体とは、CdSeナノ粒子あるいはナノ結晶を形成するためのCd供給源となる物質(化合物、あるいは単体元素)を意味する。Cd前駆体の例としては、酸化カドミウム(CdO)、ジメチルカドミウム((CH3)2Cd)、カドミウムアセテート((CH3COO)2Cd)、カドミウムクロリド(CdCl2)、カドミウムナイトライト(Cd(NO3)2)が挙げられる。これらの中で、ジメチルカドミウム、酸化カドミウムが好ましい。ジメチルカドミウムの毒性を考慮すれば、酸化カドミウムが最も好ましい。 In the present specification, the Cd precursor means a substance (compound or simple element) that serves as a Cd supply source for forming CdSe nanoparticles or nanocrystals. Examples of Cd precursors include cadmium oxide (CdO), dimethyl cadmium ((CH 3 ) 2 Cd), cadmium acetate ((CH 3 COO) 2 Cd), cadmium chloride (CdCl 2 ), cadmium nitrite (Cd ( NO 3 ) 2 ). Among these, dimethyl cadmium and cadmium oxide are preferable. Considering the toxicity of dimethylcadmium, cadmium oxide is most preferable.
本明細書において、Se前駆体とは、CdSeナノ粒子またはナノ結晶を形成するためのSe供給源となる物質(化合物、あるいは単体元素)を意味する。Se前駆体の例としては、セレンショット(Se−shot)、粉末状Se(Se−powder)、酸化セレン(SeO2)、セレノウレア(Selenourea)、ジエチルセレニウム(Diethylselenium)、ジエチルセレノカルバメート(Diethylselenocarbamate)が挙げられる。これらの中でセレンショット及び粉末状Seが好ましく、粉末状セレンが最も好ましい。 In this specification, the Se precursor means a substance (compound or simple element) that is a Se supply source for forming CdSe nanoparticles or nanocrystals. Examples of Se precursors include selenium shot (Se-shot), powdered Se (Se-powder), selenium oxide (SeO 2 ), selenourea, diethyl selenium, and diethyl selenocarbamate (Diethylselencarbate). Can be mentioned. Of these, selenium shot and powdered Se are preferred, and powdered selenium is most preferred.
本明細書において、Cd前駆体溶液とは、上記Cd前駆体を溶媒と混合した溶液であるが、Cd前駆体、溶媒の種類によっては完全な溶液ではなく、分散液である場合も含む。
Cd前駆体溶液中のCd前駆体濃度は、前駆体溶液の重量に対して、1.0〜2.0質量%程度であることが好ましい。例えば、脂肪酸8g、TOPO8g及びHDA12gに対して、Cd前駆体を0.45〜0.50g程度使用することが好ましい。
In this specification, the Cd precursor solution is a solution obtained by mixing the Cd precursor with a solvent. However, depending on the type of the Cd precursor and the solvent, the Cd precursor solution includes not only a complete solution but also a dispersion.
The Cd precursor concentration in the Cd precursor solution is preferably about 1.0 to 2.0 mass% with respect to the weight of the precursor solution. For example, it is preferable to use about 0.45 to 0.50 g of Cd precursor for 8 g of fatty acid, 8 g of TOPO and 12 g of HDA.
Cd前駆体溶液を調整するための溶媒としては、炭素数10〜18の脂肪酸を用いることが好ましく、炭素数18の脂肪酸を用いることが更に好ましい。これらの脂肪酸の存在により、量子ドットを狭い範囲にサイズ分布を保つことが可能である。好ましい脂肪酸の例として、オレイン酸、ステアリン酸、パルミチン酸が挙げられる。これらの中では、オレイン酸またはステアリン酸が好ましく、ステアリン酸が最も好ましい。
脂肪酸の使用量は、前駆体溶液の重量に対して、20〜40質量%程度であることが好ましい。
As a solvent for adjusting the Cd precursor solution, a fatty acid having 10 to 18 carbon atoms is preferably used, and a fatty acid having 18 carbon atoms is more preferably used. Due to the presence of these fatty acids, it is possible to keep the size distribution of the quantum dots in a narrow range. Examples of preferred fatty acids include oleic acid, stearic acid, and palmitic acid. Of these, oleic acid or stearic acid is preferred, and stearic acid is most preferred.
It is preferable that the usage-amount of a fatty acid is about 20-40 mass% with respect to the weight of a precursor solution.
Cd前駆体溶液を調整するために更に、配位性溶媒を添加することが好ましい。本明細書において配位性溶媒とは、配位結合において金属原子を中心に配位できる溶媒である。
配位性溶媒の例としては、トリオクチルホスフィンオキサイド(TOPO)、トリオクチルホスフィン(TOP)、ヘキサデシルアミン(HDA)、テトラデシルホスホン酸(TDPA)、ドデシルアミン(DDA)、ジオクチルアミン(DOA)、トリオクチルアミン(TOA)、トリブチルホスフィン(TBP)、ヘキシルホスホン酸(HPA)、オクタデシルホスホン酸(ODPA)、オクタデシルアミン(ODA)、オクタデセン(ODE)、トリエチルオルトホルメート(TEOF)が挙げられる。2種類以上の配位性溶媒を用いてもよい。上記配位性溶媒の中では、Cdの溶媒としてTOPO、HDA及びODAが最も好ましい。
また、TOPO及びHDAを組み合わせて用いることが好ましいが、この場合にはHDAを過剰に用いることが好ましい(例、TOPO:HDA=2:3〜2:5(質量比))。
配位性溶媒の使用量は、前駆体溶液の重量に対して、50〜98質量%程度であることが好ましい。
In order to adjust the Cd precursor solution, it is preferable to add a coordinating solvent. In this specification, the coordinating solvent is a solvent capable of coordinating around a metal atom in a coordination bond.
Examples of coordinating solvents include trioctylphosphine oxide (TOPO), trioctylphosphine (TOP), hexadecylamine (HDA), tetradecylphosphonic acid (TDPA), dodecylamine (DDA), dioctylamine (DOA) , Trioctylamine (TOA), tributylphosphine (TBP), hexylphosphonic acid (HPA), octadecylphosphonic acid (ODPA), octadecylamine (ODA), octadecene (ODE), and triethylorthoformate (TEOF) . Two or more kinds of coordinating solvents may be used. Among the coordinating solvents, TOPO, HDA and ODA are most preferable as the solvent for Cd.
In addition, it is preferable to use a combination of TOPO and HDA. In this case, it is preferable to use HDA in excess (eg, TOPO: HDA = 2: 3 to 2: 5 (mass ratio)).
The amount of the coordinating solvent used is preferably about 50 to 98% by mass with respect to the weight of the precursor solution.
Cd前駆体を、上記脂肪酸及び/または配位性溶媒に室温で添加し、次に少なくとも150℃まで加熱して溶解してCd前駆体を溶解し、Cd前駆体溶液を製造する。Cd前駆体溶液は必要に応じて、その後温度を低下させてもよい。一度溶液となったCd前駆体溶液は安定であり、温度を下げても固体の沈殿等は生じない。 The Cd precursor is added to the fatty acid and / or the coordinating solvent at room temperature and then heated to at least 150 ° C. to dissolve to dissolve the Cd precursor, thereby producing a Cd precursor solution. The Cd precursor solution may then be lowered in temperature as needed. Once the Cd precursor solution is in solution, it is stable, and solid precipitation does not occur even when the temperature is lowered.
本明細書において、Se前駆体溶液とは、上記Se前駆体を上記配位性溶媒と混合した溶液であるが、Se前駆体、配位性溶媒の種類によっては完全な溶液ではなく、分散液である場合も含む。配位性溶媒は、Cd前駆体溶液に関して述べたものと同じものを用いることができる。
Se前駆体溶液中のSe濃度は、前駆体溶液の重量に対して、5〜15質量%程度であることが好ましく、8〜12質量%であることが更に好ましい。例えば、TOP7gに対して、0.71g〜0.79gの粉末状Seを使用することが好ましい。
In this specification, the Se precursor solution is a solution obtained by mixing the Se precursor with the coordinating solvent. However, depending on the type of the Se precursor and the coordinating solvent, the solution is not a complete solution. This includes cases where As the coordinating solvent, the same ones described for the Cd precursor solution can be used.
The Se concentration in the Se precursor solution is preferably about 5 to 15% by mass, and more preferably 8 to 12% by mass, based on the weight of the precursor solution. For example, it is preferable to use 0.71 g to 0.79 g of powdered Se with respect to 7 g of TOP.
Se前駆体を、上記配位性溶媒に室温で添加し、次に少なくとも150℃まで加熱してSe前駆体を溶解し、Se前駆体溶液を製造する。Se前駆体溶液は必要に応じて、その後温度を低下させてもよい。一度溶液となったSe前駆体溶液は安定であり、温度を下げても固体の沈殿等は生じない。 The Se precursor is added to the coordinating solvent at room temperature, and then heated to at least 150 ° C. to dissolve the Se precursor to produce an Se precursor solution. If necessary, the Se precursor solution may be lowered in temperature thereafter. The Se precursor solution once in solution is stable, and no solid precipitates or the like are produced even when the temperature is lowered.
本発明の方法において、Cd前駆体溶液中のCdとSe前駆体溶液中のSeの原子比は0.85:1〜1.10:1が好ましく、更に0.9:1〜1:1であることが好ましい。
上記に示した以上の比でSe前駆体を用いると、定温状態で成長が完全に飽和せず、量子ドットが成長し続ける。すなわち、図1aは、2種類のCd:Se比(1:1及び1:5)における210℃でのCdSe量子ドットの成長曲線を示しているが、1:5の比の場合には、新規な量子ドットの成長が持続する。Se前駆体が過剰な状態では量子ドットは新規に連続的に形成され、このことはいくつかの異なるサイズの量子ドットが反応混合物中にそれぞれの時刻に同時に存在する結果となる。図1bは、Cd:Se=1:5におけるCdSe量子ドットの発光スペクトルであり、左側の点線が200℃で10分後、右側の黒色線が210℃で2時間後のスペクトルを表しているが、この図から、新たに成長した小さな量子ドットが存在することが明らかに示されている。Cd:Se前駆体比が1:1、もしくはわずかにCd前駆体が多い状態では、新たな量子ドットの成長開始(核形成)が抑制され、2時間後においても単一のスペクトルを示している(図1c)。この抑制はすでに形成されている「古い」量子ドットの成長抑制より強力である。従って、反応混合物中ではすでに形成済の「古い」量子ドットと同時に、新規量子ドットの形成が完全に止まる(図1a、図1c)。一方、過剰なCd前駆体を使用すると(Cd:Se前駆体比が1:1超)、合成の第一混合物中で量子ドットが凝集する。
In the method of the present invention, the atomic ratio of Cd in the Cd precursor solution to Se in the Se precursor solution is preferably 0.85: 1 to 1.10: 1, more preferably 0.9: 1 to 1: 1. Preferably there is.
When the Se precursor is used at a ratio higher than that shown above, the growth is not completely saturated in a constant temperature state, and the quantum dots continue to grow. That is, FIG. 1a shows the growth curves of CdSe quantum dots at 210 ° C. at two Cd: Se ratios (1: 1 and 1: 5), but in the case of a ratio of 1: 5, Quantum dot growth continues. In the presence of excess Se precursor, quantum dots are newly formed continuously, which results in several different sized quantum dots being simultaneously present at each time in the reaction mixture. FIG. 1b is an emission spectrum of CdSe quantum dots at Cd: Se = 1: 5, where the dotted line on the left represents the spectrum after 10 minutes at 200 ° C. and the black line on the right represents the spectrum after 2 hours at 210 ° C. This figure clearly shows that there are newly grown small quantum dots. In the state where the Cd: Se precursor ratio is 1: 1 or the Cd precursor is slightly higher, the growth start (nucleation) of new quantum dots is suppressed, and a single spectrum is shown even after 2 hours. (FIG. 1c). This suppression is more powerful than the growth suppression of already formed “old” quantum dots. Therefore, the formation of new quantum dots stops completely simultaneously with the “old” quantum dots already formed in the reaction mixture (FIGS. 1a and 1c). On the other hand, if an excess of Cd precursor is used (Cd: Se precursor ratio is greater than 1: 1), the quantum dots aggregate in the synthesized first mixture.
本発明の方法では、上述したCd前駆体溶液と、Se前駆体溶液を混合する。
混合する前に、Cd前駆体溶液を十分に溶解するため、少なくとも150℃で少なくとも30分加熱することが好ましい。
またSe前駆体溶液も、十分な溶解を達成させるために少なくとも150℃で少なくとも30分間加熱することが好ましい。
Cd前駆体溶液あるいはSe前駆体溶液の温度を適宜調整し、両者を混合する。各溶液の温度は、混合後の温度が、核形成を開始するための初期温度となるように調整することが好ましい。具体的には、例えば、一方の前駆体溶液の温度を150℃に調整し、一方の前駆体溶液の温度を室温程度まで冷却して、両前駆体溶液をすばやく混合することにより、約110℃の初期温度に調整することができる。
CdSeの核形成は、両前駆体溶液が混合されるとすぐに形成が始まる。110℃付近で良好な核形成が観察されるため、初期温度を110℃〜120℃、好ましくは110℃付近に設定することが好ましい。
In the method of the present invention, the Cd precursor solution described above and the Se precursor solution are mixed.
Before mixing, it is preferable to heat at least 150 ° C. for at least 30 minutes in order to sufficiently dissolve the Cd precursor solution.
The Se precursor solution is also preferably heated at least at 150 ° C. for at least 30 minutes in order to achieve sufficient dissolution.
The temperature of the Cd precursor solution or Se precursor solution is appropriately adjusted, and both are mixed. The temperature of each solution is preferably adjusted so that the temperature after mixing becomes the initial temperature for starting nucleation. Specifically, for example, by adjusting the temperature of one precursor solution to 150 ° C., cooling the temperature of one precursor solution to about room temperature, and quickly mixing both precursor solutions, about 110 ° C. The initial temperature can be adjusted.
CdSe nucleation begins as soon as both precursor solutions are mixed. Since good nucleation is observed around 110 ° C., the initial temperature is preferably set to 110 ° C. to 120 ° C., preferably around 110 ° C.
また、本発明の方法において、上昇温度勾配で加熱する前に一定温度(例えば110℃)で一定時間(少なくとも30分)加熱することにより、最初の量子ドットフラクションを得てもよい。
その後、0.10℃/分〜0.80℃/分の上昇温度勾配で加熱することにより、他のフラクションを得ることができる。
その後、初期温度から0.10℃/分〜0.80℃/分で、好ましくは0.20℃/分〜0.55℃/分で、更に好ましくは0.20℃/分〜0.50℃/分の上昇温度勾配で、混合物を加熱する。
なお、本明細書において、「上昇温度勾配で加熱する」とは、漸次的に反応混合物の温度が上昇するように、加熱装置を制御する態様をいうが、行う反応の規模、攪拌方法、加熱制御方法の種類等により、反応混合物の温度が多少上下する場合も含むことは当然である。
反応混合物の温度を上昇温度勾配で加熱する方法としては、油浴等の加熱浴と、投げ込みヒーター、マントルヒーター、ホットスターラー等の加熱手段及びこれを制御するコントローラーとの組合わせなど、当業者に公知の方法が挙げられる。
なお、本明細書において混合物の温度とは、混合物自体の温度をいい、油浴等の加熱装置の温度を意味しない。
上記加熱は、110℃〜250℃の温度範囲内で行うことが好ましい。より低い温度で加熱を行う場合には、核形成が停止し、低い品質の量子ドットが生成する(例えば、<10%の量子収率、ブロードなホトルミネセンススペクトル、大きなサイズ分布)。250℃より高い温度では、直径が>5nmの量子ドットが得られ、生成収率も非常に低い。
また、量子ドットの結晶性を良好にし、量子収率が高いCdSe量子ドットが得られるという観点から、本発明の反応の全工程を通して、不活性雰囲気下、例えば窒素気流下あるいはアルゴン気流下で行うことが好ましい。
In the method of the present invention, the first quantum dot fraction may be obtained by heating at a constant temperature (for example, 110 ° C.) for a fixed time (at least 30 minutes) before heating with the rising temperature gradient.
Thereafter, other fractions can be obtained by heating at an increasing temperature gradient of 0.10 ° C./min to 0.80 ° C./min.
Thereafter, from the initial temperature, it is 0.10 ° C / min to 0.80 ° C / min, preferably 0.20 ° C / min to 0.55 ° C / min, and more preferably 0.20 ° C / min to 0.50. The mixture is heated with an increasing temperature gradient of ° C / min.
In the present specification, “heating with a rising temperature gradient” refers to a mode in which the heating device is controlled so that the temperature of the reaction mixture gradually increases, but the scale of the reaction to be performed, the stirring method, the heating Of course, the case where the temperature of the reaction mixture slightly increases or decreases depending on the type of control method or the like is included.
As a method of heating the temperature of the reaction mixture with an increasing temperature gradient, a person skilled in the art, such as a combination of a heating bath such as an oil bath, a heating means such as a throwing heater, a mantle heater, a hot stirrer, and a controller for controlling the heating means. A well-known method is mentioned.
In the present specification, the temperature of the mixture means the temperature of the mixture itself, and does not mean the temperature of a heating device such as an oil bath.
It is preferable to perform the said heating within the temperature range of 110 to 250 degreeC. When heating at lower temperatures, nucleation stops and low quality quantum dots are produced (eg, <10% quantum yield, broad photoluminescence spectrum, large size distribution). At temperatures above 250 ° C., quantum dots with diameters> 5 nm are obtained and the production yield is also very low.
Further, from the viewpoint of improving the crystallinity of the quantum dots and obtaining CdSe quantum dots having a high quantum yield, the reaction is performed under an inert atmosphere, for example, a nitrogen stream or an argon stream, throughout the reaction of the present invention. It is preferable.
本発明の方法は、同時的でしかも再現性高く2種以上(6〜10種)の均一サイズCdSe量子ドットを単一反応において合成することを可能にするのである。この合成は緩慢な上昇温度勾配により達成され、上述の技術的仕様を守った場合にだけ可能となる。これは下記の状況によって可能となる。
−ある設定温度において、新たに合成された量子ドットの属性(主に狭いサイズ分布)を比較的長い時間、一定に(変化させずに)保つ条件の発見。
−反応混合物中のフリーCdとSe前駆体の存在下で、新規量子ドット形成を完全に停止させる条件の発見。
The method of the present invention makes it possible to synthesize two or more (6 to 10) uniformly sized CdSe quantum dots simultaneously and reproducibly in a single reaction. This synthesis is achieved by a slow rising temperature gradient and is only possible if the above technical specifications are observed. This is made possible by the following situation.
Discovery of conditions that keep the attributes (mainly narrow size distribution) of newly synthesized quantum dots constant (without change) for a relatively long time at a certain set temperature.
Discovery of conditions that completely stop the formation of new quantum dots in the presence of free Cd and Se precursors in the reaction mixture.
本発明の方法における、0.10℃/分〜0.80℃/分の上昇温度勾配は、図2に示されるように、得られる量子ドットの合成プロセスにおける結晶成長曲線が時間に対して直線的に上昇するような温度勾配となるように制御することが好ましい。このような温度勾配を達成することにより、ワンポットで、複数の、目的サイズの単分散CdSe量子ドットを、正確なサイズ制御と高い再現性をもって、製造することができる。
本発明の方法において上昇温度勾配は0.10℃/分〜0.80℃/分、好ましくは0.20℃/分〜0.55℃/分、更に好ましくは0.20℃/分〜0.50℃/分である。
上昇温度勾配が、0.20℃/分より高い場合には、サイズ分布が狭くなり好ましい。また、上昇温度勾配が0.50℃/分より低い場合にも、サイズ分布が狭くなり好ましい。
In the method of the present invention, the rising temperature gradient from 0.10 ° C./min to 0.80 ° C./min indicates that the crystal growth curve in the synthesis process of the obtained quantum dots is linear with respect to time, as shown in FIG. It is preferable to control the temperature gradient so as to increase. By achieving such a temperature gradient, a plurality of monodispersed CdSe quantum dots of a target size can be manufactured in one pot with accurate size control and high reproducibility.
In the method of the present invention, the rising temperature gradient is 0.10 ° C / min to 0.80 ° C / min, preferably 0.20 ° C / min to 0.55 ° C / min, more preferably 0.20 ° C / min to 0. 50 ° C / min.
When the rising temperature gradient is higher than 0.20 ° C./min, the size distribution is preferably narrowed. In addition, the size distribution is preferably narrowed when the rising temperature gradient is lower than 0.50 ° C./min.
上記の方法により得られた量子ドット分画は、サイズが5nm以下であり、サイズ分布が5%以下であり、かつ量子収率が50〜70%である。より具体的には、例えば、〜3nmの直径を有し、サイズ分布が2.58%の量子ドット分画が得られる。
図4は、実施例の単一反応法で得られた4色のCdSe量子ドットのHR−TEM像を表している。それぞれ、2.38±0.10 nm、3.04±0.12 nm、3.66±0.14 nm、4.25±0.11 nmのサイズに相当する。
また、上記量子ドット分画の発光スペクトルの半値全幅(FWHM)は40nm以下であり、更に詳細には35nm以下である。図5は、実施例で得られた6つの異なるサイズのCdSe量子ドットの規格化蛍光発光スペクトルを表す。半値全幅は全てのスペクトルにおいて27〜30nm程度であり、これは得られたCdSe量子ドット分画が非常に狭いサイズ分布であることを示している。
The quantum dot fraction obtained by the above method has a size of 5 nm or less, a size distribution of 5% or less, and a quantum yield of 50 to 70%. More specifically, for example, a quantum dot fraction having a diameter of ˜3 nm and a size distribution of 2.58% is obtained.
FIG. 4 shows an HR-TEM image of four-color CdSe quantum dots obtained by the single reaction method of the example. This corresponds to a size of 2.38 ± 0.10 nm, 3.04 ± 0.12 nm, 3.66 ± 0.14 nm, 4.25 ± 0.11 nm, respectively.
The full width at half maximum (FWHM) of the emission spectrum of the quantum dot fraction is 40 nm or less, and more specifically, 35 nm or less. FIG. 5 represents the normalized fluorescence emission spectra of six different sized CdSe quantum dots obtained in the examples. The full width at half maximum is about 27 to 30 nm in all the spectra, which indicates that the obtained CdSe quantum dot fraction has a very narrow size distribution.
粒子サイズの測定は、透過型電子顕微鏡の画像等を用いた画像解析法、動的光散乱法、レーザ回折/散乱式測定法などを使用することができる。本明細書において特に述べない限り、粒子サイズは、HR−TEM(高分解能透過電子顕微鏡)法及び吸収スペクトルにより測定した粒子の直径を意味する。
量子収率は、Reiss et alに記載の方法により測定することができる。すなわち、365nmの発光波長における、クロロホルム(またはヘキサン)中の量子ドットのスペクトル積算発光を、同じ光学密度(<0.05)のローダミン6Gのエタノール溶液の発光に対する比をみたものである。本明細書において特に述べない限り、量子収率は、上記Reiss et al の方法により測定されたものを意味する。
The particle size can be measured by an image analysis method using an image of a transmission electron microscope, a dynamic light scattering method, a laser diffraction / scattering measurement method, or the like. Unless otherwise stated in this specification, the particle size means the diameter of the particle measured by HR-TEM (High Resolution Transmission Electron Microscope) method and absorption spectrum.
The quantum yield can be measured by the method described in Reiss et al. That is, the spectral integrated emission of quantum dots in chloroform (or hexane) at an emission wavelength of 365 nm is a ratio of the emission of rhodamine 6G having the same optical density (<0.05) to that of an ethanol solution. Unless stated otherwise herein, quantum yield means that measured by the method of Reiss et al.
<実施例1>
以下の方法により、CdSe量子ドット分画を製造した。
(a)第一分画
Se粉末(0.7896g)を、トリオクチルホスフィン(TOP、7.4g)へ添加し、混合物を150℃まで加熱して(窒素気流下)、TOP−Seストック溶液を作成した。
別途、CdO(0.450g)及びステアリン酸(8g)をアルゴン雰囲気下、三口フラスコ中で150℃まで加熱した。CdOが溶解した後、溶液を室温まで冷却した。前記溶液に、トリオクチルホスフィンオキサイド(TOPO、8g)、及び1−ヘプタデシル−オクタデシルアミン(HDA、12g)を添加し、混合物を再び150℃まで加熱した。この温度において、4mLのTOP−Seストック溶液をすばやく反応チャンバー(カドミウム前駆体を含む)に注入し、核生成を開始した。
CdSe量子ドットが更に成長することを防ぐために、チャンバーの温度を110℃に40分間維持して、第一の色(青蛍光色)の分画を得た。2mLを反応混合物からシリンジにより抜き取り、20mLのクロロホルム中に加えた。
<Example 1>
A CdSe quantum dot fraction was produced by the following method.
(A) First fraction Se powder (0.7896 g) is added to trioctylphosphine (TOP, 7.4 g) and the mixture is heated to 150 ° C. (under a nitrogen stream) to give a TOP-Se stock solution. Created.
Separately, CdO (0.450 g) and stearic acid (8 g) were heated to 150 ° C. in a three-necked flask under an argon atmosphere. After CdO dissolved, the solution was cooled to room temperature. To the solution was added trioctylphosphine oxide (TOPO, 8 g) and 1-heptadecyl-octadecylamine (HDA, 12 g) and the mixture was heated again to 150 ° C. At this temperature, 4 mL of TOP-Se stock solution was quickly injected into the reaction chamber (containing the cadmium precursor) to initiate nucleation.
In order to prevent further growth of CdSe quantum dots, the temperature of the chamber was maintained at 110 ° C. for 40 minutes to obtain a fraction of the first color (blue fluorescent color). 2 mL was withdrawn from the reaction mixture by syringe and added into 20 mL of chloroform.
更に、下記のようにして、直径が均一である5種類のCdSe量子ドット分画を得た。なお、各分画は、第一分画と同様に、反応混合物からシリンジにより抜き取り、クロロホルム中に加えて処理を行った。なお、下記の実験においてフラスコ中の反応混合物の加熱は、油浴にフラスコを浸漬し、油浴の温度を、温度勾配可変装置(PC−4200、アズワン製)が備えられたヒーターで温度制御して、下記に述べる速度で漸次上昇させた。
(b)第二分画
上記混合物の温度(110℃)を、一定の速度で、50分かけて120℃まで上昇させ(0.20℃/分)、第二の色(ダークグリーン蛍光色)の分画を得た。
(c)第三分画
上記混合物の温度(120℃)を、一定の速度で、60分かけて150℃まで上昇させ(0.50℃/分)、第三の色(黄緑蛍光色)の分画を得た。
(d)第四分画
上記混合物の温度(150℃)を、一定の速度で、80分かけて190℃まで上昇させ(0.50℃/分)、第四の色(黄蛍光色)の分画を得た。
(e)第五分画
上記混合物の温度(190℃)を、一定の速度で、100分かけて220℃まで上昇させ(0.30℃/分)、第五の色(オレンジ蛍光色)の分画を得た。
(f)第六分画
上記混合物の温度(220℃)を、一定の速度で、120分かけて250℃まで上昇させ(0.25℃/分)、第五の色(赤蛍光色)の分画を得た。
上記の温度上昇プロセスにより、図2に示される時間依存的な直線状あるいは線形の量子ドットの成長曲線が得られ、長時間において成長の各時刻におけるCdSe量子ドットサイズ分布を均一に保つことが可能となった。緩慢上昇温度勾配法によって量子ドットの成長曲線は7時間にわたって線形であり(図2)、この線形性により成長プロセスの厳密な制御が可能になったものである。
Further, five CdSe quantum dot fractions having a uniform diameter were obtained as follows. In addition, each fraction was extracted from the reaction mixture with a syringe and treated in chloroform in the same manner as the first fraction. In the following experiment, the reaction mixture in the flask was heated by immersing the flask in an oil bath and controlling the temperature of the oil bath with a heater equipped with a temperature gradient variable device (PC-4200, manufactured by ASONE). And gradually increased at the rate described below.
(B) Second fraction The temperature of the above mixture (110 ° C.) is increased at a constant rate to 120 ° C. over 50 minutes (0.20 ° C./min), and the second color (dark green fluorescent color) Fractions were obtained.
(C) Third fraction The temperature of the above mixture (120 ° C.) is increased at a constant rate to 150 ° C. over 60 minutes (0.50 ° C./min), and the third color (yellowish green fluorescent color) Fractions were obtained.
(D) Fourth fraction The temperature of the above mixture (150 ° C.) is increased at a constant rate to 190 ° C. over 80 minutes (0.50 ° C./min), and the fourth color (yellow fluorescent color) A fraction was obtained.
(E) Fifth Fraction The temperature of the above mixture (190 ° C.) was increased at a constant rate to 220 ° C. over 100 minutes (0.30 ° C./min), and the fifth color (orange fluorescent color) A fraction was obtained.
(F) Sixth Fraction The temperature of the above mixture (220 ° C.) was increased at a constant rate to 250 ° C. over 120 minutes (0.25 ° C./min), and the fifth color (red fluorescent color) A fraction was obtained.
By the above temperature rise process, the time-dependent linear or linear quantum dot growth curve shown in FIG. 2 can be obtained, and the CdSe quantum dot size distribution at each growth time can be kept uniform over a long period of time. It became. The growth curve of quantum dots is linear over 7 hours by the slow rise temperature gradient method (FIG. 2), and this linearity allows strict control of the growth process.
得られた量子ドット分画を、高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM)、DLS(Dynamic Light Scattering(動的光散乱法))、分光測光法及び分光蛍光分析法により特徴付けを行った。
UV/VIS吸収スペクトル法は、島津製作所製分光光度計を用いて測定した。ホトルミネセンス(PL)スペクトルは島津製作所製分光蛍光光度計を用いて測定した。HRTEM画像は、JEOL透過型電子顕微鏡を300kVで作動させることにより得た。
上記の方法により、下記表に示す6種類の直径が均一な分画を得た。
平均±標準偏差は、3回の異なる合成によって得られた各量子ドット分画の吸収スペクトルから、下記式に従って計算して得た(Yu,W.W.,Qu,L.,Guo,W.,Peng,X.Chem.Mater.2003,15,2854)。
The obtained quantum dot fraction was characterized by high-resolution transmission electron microscope (HRTEM), DLS (Dynamic Light Scattering), spectrophotometry and spectrofluorimetry.
The UV / VIS absorption spectrum method was measured using a spectrophotometer manufactured by Shimadzu Corporation. The photoluminescence (PL) spectrum was measured using a spectrofluorometer manufactured by Shimadzu Corporation. HRTEM images were obtained by operating a JEOL transmission electron microscope at 300 kV.
By the above method, fractions having uniform diameters of six types shown in the following table were obtained.
The mean ± standard deviation was obtained from the absorption spectrum of each quantum dot fraction obtained by three different syntheses according to the following formula (Yu, WW, Qu, L., Guo, W. Peng, X. Chem. Mater. 2003, 15, 2854).
計算式:
D = (1.6122×10-9)λ4−(2.6575×10-6)λ3+(1.6242×10-3)λ2−(0.4277)λ+41.57
a formula:
D = (1.6122 × 10 −9 ) λ 4 − (2.6575 × 10 −6 ) λ 3 + (1.6242 × 10 −3 ) λ 2 − (0.4277) λ + 41.57
*1:ローダミン6Gを標準物質(吸収を100%)としてクロロホルム中の積算発光比から得た。 * 1: Obtained from the cumulative emission ratio in chloroform using rhodamine 6G as a standard substance (absorption of 100%).
各分画の吸収波長を図3に示す。
4つの異なるサイズの量子ドットのHR−TEM像を図4に示す。HR−TEM像から計算された大きさは、吸収スペクトルから計算された大きさに厳密に一致した。量子ドットの蛍光スペクトルは非常にシャープで半値全幅が30nm程度であった(図5)。
The absorption wavelength of each fraction is shown in FIG.
FIG. 4 shows HR-TEM images of four different size quantum dots. The size calculated from the HR-TEM image closely matched the size calculated from the absorption spectrum. The fluorescence spectrum of the quantum dots was very sharp and the full width at half maximum was about 30 nm (FIG. 5).
<実施例2>
Se粉末(0.7896g)を、トリオクチルホスフィン(TOP、7.4g)へ添加し、混合物を150℃まで加熱して(窒素気流下)、TOP−Seストック溶液を作成した。
別途、CdO(0.450g)及びステアリン酸(8g)をアルゴン雰囲気下、三口フラスコ中で150℃まで加熱した。CdOが溶解した後、溶液を室温まで冷却した。前記溶液に、トリオクチルホスフィンオキサイド(TOPO、8g)、及び1−ヘプタデシル−オクタデシルアミン(HDA、12g)を添加し、混合物を再び150℃まで加熱した。この温度において、4mLのTOP−Seストック溶液をすばやく反応チャンバー(カドミウム前駆体を含む)に注入し、核生成を開始した。
上記混合物の温度(110℃)を、一定の速度で、700分かけて180℃まで上昇させ(0.10℃/分)、分画Aを得た。
分画Aの量子ドットの、平均サイズは、約3nmであり、サイズ分布は約12%であり、量子収率は約28%であった。
<Example 2>
Se powder (0.7896 g) was added to trioctylphosphine (TOP, 7.4 g) and the mixture was heated to 150 ° C. (under a nitrogen stream) to make a TOP-Se stock solution.
Separately, CdO (0.450 g) and stearic acid (8 g) were heated to 150 ° C. in a three-necked flask under an argon atmosphere. After CdO dissolved, the solution was cooled to room temperature. To the solution was added trioctylphosphine oxide (TOPO, 8 g) and 1-heptadecyl-octadecylamine (HDA, 12 g) and the mixture was heated again to 150 ° C. At this temperature, 4 mL of TOP-Se stock solution was quickly injected into the reaction chamber (containing the cadmium precursor) to initiate nucleation.
The temperature of the above mixture (110 ° C.) was increased at a constant rate to 180 ° C. over 700 minutes (0.10 ° C./min) to obtain fraction A.
The average size of fraction A quantum dots was about 3 nm, the size distribution was about 12%, and the quantum yield was about 28%.
<実施例3>
Se粉末(0.7896g)を、トリオクチルホスフィン(TOP、7.4g)へ添加し、混合物を150℃まで加熱して(窒素気流下)、TOP−Seストック溶液を作成した。
別途、CdO(0.450g)及びステアリン酸(8g)をアルゴン雰囲気下、三口フラスコ中で150℃まで加熱した。CdOが溶解した後、溶液を室温まで冷却した。前記溶液に、トリオクチルホスフィンオキサイド(TOPO、8g)、及び1−ヘプタデシル−オクタデシルアミン(HDA、12g)を添加し、混合物を再び150℃まで加熱した。この温度において、4mLのTOP−Seストック溶液をすばやく反応チャンバー(カドミウム前駆体を含む)に注入し、核生成を開始した。
上記混合物の温度(110℃)を、一定の速度で、200分かけて270℃まで上昇させ(0.80℃/分)、分画Bを得た。 分画Bの量子ドットの、平均サイズは約3.5nmであり、サイズ分布は約9%であり、量子収率は約40%であった。
<Example 3>
Se powder (0.7896 g) was added to trioctylphosphine (TOP, 7.4 g) and the mixture was heated to 150 ° C. (under a nitrogen stream) to make a TOP-Se stock solution.
Separately, CdO (0.450 g) and stearic acid (8 g) were heated to 150 ° C. in a three-necked flask under an argon atmosphere. After CdO dissolved, the solution was cooled to room temperature. To the solution was added trioctylphosphine oxide (TOPO, 8 g) and 1-heptadecyl-octadecylamine (HDA, 12 g) and the mixture was heated again to 150 ° C. At this temperature, 4 mL of TOP-Se stock solution was quickly injected into the reaction chamber (containing the cadmium precursor) to initiate nucleation.
The temperature of the above mixture (110 ° C.) was increased to 270 ° C. over 200 minutes at a constant rate (0.80 ° C./min) to obtain fraction B. The average size of the fraction B quantum dots was about 3.5 nm, the size distribution was about 9%, and the quantum yield was about 40%.
<実施例4>
実施例1において得られた量子ドットの成長曲線を利用して、目的(サイズ3.5nm)のCdSe量子ドット分画の合成を試みた。
実施例1と同様のプロトコールで実験を開始し、4時間20分後に分画を得た。得られた分画は、サイズ3.55±0.09nmを有しており、本発明の高い再現性が示された。
更に2回、同様のプロトコールで実験を行い、4時間20分後に分画を得たところ、3.48±0.11nm及び3.52±0.10nmのサイズの分画がそれぞれ得られ、本発明の高い再現性を支持する結果となった。
図6aは、上記実験(3回のうちの1回)で得られた分画のHR−TEM像を、図6bは、吸収スペクトル(λmax=568nm)を、また図6cは蛍光スペクトル(λmax=585nm)を表す。
<Example 4>
Using the quantum dot growth curve obtained in Example 1, synthesis of the desired CdSe quantum dot fraction (size 3.5 nm) was attempted.
The experiment was started with the same protocol as in Example 1, and a fraction was obtained after 4 hours and 20 minutes. The obtained fraction had a size of 3.55 ± 0.09 nm, indicating high reproducibility of the present invention.
Further, the experiment was performed twice with the same protocol, and fractions were obtained after 4 hours and 20 minutes. As a result, fractions with sizes of 3.48 ± 0.11 nm and 3.52 ± 0.10 nm were obtained. The results supported the high reproducibility of the invention.
FIG. 6a shows an HR-TEM image of the fraction obtained in the above experiment (1 out of 3 times), FIG. 6b shows an absorption spectrum (λ max = 568 nm), and FIG. 6c shows a fluorescence spectrum (λ max = 585 nm).
以上のとおり、本発明の緩慢上昇温度勾配法によるCdSe量子ドットの合成法は、まさしく望むサイズと望むスペクトルを有する単分散量子ドット分画の分離を正確に制御することを可能にし、反応混合物中に存在する既存の量子ドットの成長が次の分画の分離に影響を与えることがない。得られた量子ドットは非常に高品質であり(最も良好なもので95%〜97%の均一分散という非常に良好なサイズ分布)、高い蛍光を示し(量子収率が80%に至る)、高い透過性を示す(粒子の凝集が無い)。しかも、すでに報告されている他の方法のように、300℃近辺での速い核形成に必要な「ホットインジェクション」(この操作は高温において非常に高速(ミリ秒レンジ)で正確な操作を必要とするので反応が再現性をさらに低くするリスクがあるのだが)を必要としない。本発明の方法では、量子ドットのサイズ分布は非常に狭い。その上、サイズ分布が合成プロセスにおいて改善される。 As described above, the method of synthesizing CdSe quantum dots according to the slow rising temperature gradient method of the present invention makes it possible to accurately control the separation of monodisperse quantum dot fractions having exactly the desired size and desired spectrum, in the reaction mixture. The growth of the existing quantum dots present in does not affect the separation of the next fraction. The resulting quantum dots are very high quality (the best and very good size distribution with a uniform dispersion of 95% to 97%), show high fluorescence (quantum yield reaches 80%), High permeability (no particle aggregation). Moreover, like other methods already reported, “hot injection” required for fast nucleation around 300 ° C. (this operation is very fast (millisecond range) and requires precise operation at high temperatures. The reaction is at risk of making the reproducibility even lower). In the method of the present invention, the size distribution of the quantum dots is very narrow. Moreover, the size distribution is improved in the synthesis process.
量子ドットは二つの主要な分野において広範に応用されている。
(1)工業技術分野としては、LED、太陽電池の増感、波長キャリブレーションのための蛍光標準、繊維光センサー、UVコーティング及び硬化技術が挙げられる。
(2)ライフサイエンス技術としては、インビトロ及びインシツにおける分子及び細胞の光学的画像化、インビボにおける深部組織光学的画像化、多様な画像プローブの開発と、光学及びMRI、光学及びPET、光学及びX線の組み合わせを用いた多様な応用、最近、トキシン、爆発物及びその他の検知、腫瘍細胞の光増感化、時間分解スペクトル画像化、等が挙げられる。
本発明の方法により製造された量子ドットは、上記分野において使用可能である。
Quantum dots are widely applied in two main fields.
(1) Industrial technology fields include LEDs, solar cell sensitization, fluorescent standards for wavelength calibration, fiber light sensors, UV coating and curing techniques.
(2) Life science technologies include in vitro and in situ optical imaging of molecules and cells, in vivo deep tissue optical imaging, development of various imaging probes, optics and MRI, optics and PET, optics and X Various applications using combinations of lines, recent detection of toxins, explosives and other, photosensitization of tumor cells, time-resolved spectral imaging, etc.
Quantum dots produced by the method of the present invention can be used in the above fields.
Claims (10)
前記混合物の温度(110℃)を、50分かけて120℃まで上昇させ、
上記混合物の温度(120℃)を、60分かけて150℃まで上昇させ、
上記混合物の温度(150℃)を、80分かけて190℃まで上昇させ、
上記混合物の温度(190℃)を、100分かけて220℃まで上昇させ、
上記混合物の温度(220℃)を、120分かけて250℃まで上昇させる、
ことにより、CdSe量子ドットの結晶成長曲線を時間に対し線形となるように調整することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。 Cd precursor solution and Se precursor solution are mixed and adjusted to 110 ° C.,
Increasing the temperature of the mixture (110 ° C.) to 120 ° C. over 50 minutes,
Increase the temperature of the above mixture (120 ° C) to 150 ° C over 60 minutes,
Increase the temperature of the above mixture (150 ° C.) to 190 ° C. over 80 minutes,
Increase the temperature of the above mixture (190 ° C.) to 220 ° C. over 100 minutes,
Increasing the temperature of the mixture (220 ° C.) to 250 ° C. over 120 minutes;
It makes and adjusts so that the linear relative time crystal growth curve of CdSe quantum dots, the method according to any one of claims 1 to 9.
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