湿法化学刻蚀制备碳化硅量子点

引言

寻找理想的体内发光生物标志物是一个巨大的挑战，因为需要满足严格的标准:生物标志物应该(I)无毒和生物惰性，(ii)光稳定，即不发光，iii)不显示发光的间歇性，即不应该有闪烁，(iv)临界直径接近6 nm时小，(v)可大量生产用于生物学研究。有机染料分子被很好地表征，并且可以在较大的激发和发射波长范围内被合成。染料分子符合标准(iv)–(v ),但它们通常会褪色且有毒，因为可见光发射来自双键或芳香键。最近，合成了光稳定的小型发光纳米晶体。以上最成功的候选人是硒化镉(CdSe)，其中可以很好地控制颗粒的尺寸。根据尺寸的不同，CdSe纳米晶体由于主电子态的量子限制而发出各种波长的光，因此它们被称为CdSe量子点(qd)。

2 CdSe和其他复合半导体qd含有有毒的重金属。3虽然这些qd的直径在1-5nm的范围内，但需要一个保护壳来避免毒性和聚集，并使这些qd在水溶液中高度稳定。核/壳qd的流体动力学尺寸通常大于20 nm。此外，它们在激发时经常闪烁。2，3这些量子点满足标准(ii)和(v)但是没有达到其他标准，特别是标准(I ),该标准可能是体内研究中最重要的标准。

在本文中，我们研究了符合标准(I)至(v)的最佳候选碳化硅量子点。块状碳化硅(SiC)是一种化学惰性的宽带隙间接半导体，具有优异的硬度和耐热性。多孔形式的SiC已经成功应用于骨组织和牙科，因此SiC被认为是一种生物惰性材料。4 SiC基微机电系统(MEMS)也得到研究，并成功应用于生命系统中。6在纳米尺度上，SiC显示出量子限制效应和400–460nm发射范围内的发光特性。已经在活生物体中研究了尺寸为1–6nm的SiC纳米晶体，它们显示出有效的发光而不会干扰活细胞。它们可以生产为小于10 nm的尺寸，并且不需要保护壳来使SiC QDs具有生物相容性或在水系统中稳定它们。

结果和讨论

我们成功地生产了超小胶体碳化硅纳米晶体。在两种情况下，蚀刻2小时后，测得的重量损失为50毫克/克，对于开放系统，SiC QDs的产量约为2毫克，当使用消化弹进行蚀刻过程时，其产量为3.0–3.5毫克。因此，相对于开放系统，封闭的反应室可以提高产量，这是一个重要的问题。因此，光致发光的强度也增加了(见下面的光致发光研究)。HRTEM图像显示，碳化硅量子点接近球形，尺寸分布为1-8纳米，平均直径约为3纳米(见图1)。在任何样品中都没有发现大于8 nm的SiC QDs或聚集的颗粒。这表明封闭反应室方法导致更小的SiC纳米颗粒。与我们之前的研究20相比，这是一个重要的改进.

图一。HRTEM图像(左上和右上)和碳化硅量子点的尺寸分布(右下)。红线是拟合的高斯曲线。

简而言之，与开放容器系统相比，封闭反应系统的两个主要优点是显而易见的:更大的产量和更窄的尺寸分布以及更小的SiC QDs平均直径。在封闭系统中，在反应过程中，当反应器内形成高压时，酸蒸气和气相产物都不会逸出。我们使用酸消化弹作为反应器，这些炸弹被验证达到13 MPa。为了更深入地了解开放系统和封闭系统反应机制之间的差异，我们必须研究SiC刻蚀机制。碳化硅的湿法腐蚀尚未得到深入研究21热HF/HNO3混合物能够蚀刻立方形式的SiC，

SiC + 2HNO3 + 6HF → H2SiF6 + 2HNO2

+ CO2 + 2H2 。

在该反应中，形成两种气相产物，即二氧化碳和氢气。即使在高温和环境压力下，这两种成分在酸中的溶解度也非常低。因此，它们可以在SiC表面诱导气泡的形成。这些气泡掩盖了SiC表面，并且很可能堵塞了形成的孔隙。较高的压力增加了气体的溶解度，气泡更容易从表面扩散出去。以这种方式在蚀刻过程中产生相对小的孔是可能的，这可能导致更窄的尺寸分布。对HF/HNO3湿法腐蚀SiC的更深入的理解可能来自于对使用相同混合物的硅的各向同性腐蚀的研究。HF/HNO3蚀刻系统是最广泛使用的硅各向同性蚀刻剂之一，但是在反应过程中氮的还原表现出非常复杂的化学性质。大多数作者同意硅蚀刻的活性剂不是NO3——而是氧化态13.25–28的中间态氮物种。我们假设活性剂在SiC的蚀刻中是相似的，并且加速的蚀刻可能是由于在封闭系统中更高的中间态稳定性。在开放系统中，氮还原的气相反应产物会逸出，这会改变平衡，从而降低蚀刻的可能性。然而，在封闭系统中，气体产物留在反应室中，并能与水反应，增加活性中间体的浓度。

图二。(a)分别与纯水和乙醇相比，SiC量子点在水和乙醇中的红外光谱。在常压下，在开放的反应室中合成SiC量子点。(b)在高压密闭反应室中合成的碳化硅量子点的红外光谱。示出了起始SiC MCs的IR光谱用于比较。每个光谱都进行了基线校正和缩放，以提高可见度。

光致发光研究

在300-400nm激发范围内在水和乙醇溶液中获得SiC量子点的PL光谱。最高的带强度出现在340-370nm的激发处，相应的发射在430-450nm的范围内[图3(a)上图-对于水性胶体溶液]。

图3。(a)在340、350、360和370 nm激发下，在封闭的高压反应室(上图)中制备的含水SiC QDs的PL光谱。两种方法制备的样品在360 nm激发下的光致发光光谱。为了更好地可视化，对光谱进行了缩放(下图)。(b)两种方法在不同激发波长下的PL强度的比较。

图4。碳化硅量子点在水和乙醇溶液中的光致发光光谱。直(虚线)垂直线显示H2O (EtOH)溶液的最大强度。

总结

与我们之前使用开放系统合成SiC量子点的研究相比，20在封闭系统中合成的SiC量子点的光致发光光谱显示出两个主要差异。在发射最大值中存在轻微的蓝移，并且对于在封闭反应室中生产的SiC QDs，光谱通常没有在开放容器中生产的SiC QDs宽[图3(a)下图]。根据HRTEM显微照片，这两种差异证实了更窄的尺寸分布，并显示出几乎单分散的分布范围(封闭系统为1-8nm，而不是开放系统的1-15nm)和更低的平均尺寸(3 nm，而不是6 nm)。为了比较两个系统在不同激发下的PL发射强度的绝对强度，进行了一组新的实验，其中所有实验参数保持相同。结果如图3(b)所示。对于封闭反应室制备的SiC QDs，PL强度增强了约30%,这与我们关于产量增加的发现一致。

比较在水和乙醇溶液中记录的PL光谱，可以观察到随着溶剂极性增加的红移(图4)。样品的浓度和尺寸分布以及设置参数是相同的。我们将这种现象主要归因于不同溶剂的介电常数的变化。