[发明专利]硅/锗纳米粒子墨水、用于合成纳米粒子的激光热解反应器和相关方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请案要求同时待审的齐鲁沃鲁(Chiruvolu)等人的名为“硅/锗纳米粒子墨水和相关方法(Silicon/Germanium Nanoparticle Inks，and Associated Methods)”的2010年6月29日申请的美国临时专利申请案61/359,662的优先权，该案以引用的方式并入本文中。 

技术领域

本发明涉及用针对激光热解反应器设计的所需喷嘴合成无机纳米粒子，例如掺杂硅纳米粒子。本发明进一步涉及可调配为所需墨水(例如喷墨墨水、凹版印刷墨水或印刷糊剂)的硅纳米粒子分散液。 

背景技术

硅是一种重要的工业材料。硅的许多应用是基于硅的半导体性质。硅的半导体性质和电子迁移率可使用掺杂剂来改变。半导体装置的形成一般涉及含选择性掺杂硅的装置区域的形成，其中所述掺杂剂会改变电导性质或其它所需性质。通过选择掺杂方法，可形成装置的不同区域，其向特定装置提供功能以利用半导体性质，例如用含p型掺杂剂和n型掺杂剂的对应材料形成的二极管结。举例来说，n型掺杂剂提供可增加导电带粒子数的过量电子，且所得材料称为n型半导体。p型掺杂剂提供电子缺乏或空穴且用于形成p型半导体。通过适当掺杂，可形成各种装置，例如晶体管、二极管等。 

多种半导体应用对于许多形式的硅材料产生工业相关性。举例来说，大面积薄膜晶体管等的形成要求替代性的半导体加工方法。另外，随着能源成本增加和能源需求增加，太阳能电池的市场相应地日益增加。大部分工业太阳能电池包含光导硅半导体，且半导体的差异性掺杂有助于收集光电流。在性能要求提高的同时，保持成本降低存在极大压力，因此非常需要对材料加工进行改进，这是一种解决性能问题同时使成本保持在可接受程度的方法。锗是一种可替代硅且具有类似半导体性质的半导体材料。另外，硅与锗可彼此形成半导体合金。 

发明内容

在第一方面，本发明涉及一种包含至少约1重量％的平均初级粒子直径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子的分散液，其中所述分散液为良好分散液，且所述硅粒子没有进行非溶剂的化学键结的有机表面改性。 

在另一方面，本发明涉及一种包含至少约1重量％的平均初级粒子直径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子的分散液，其中所述分散液为良好分散液且总金属污染不超过约1重量百万分率。 

在另一方面，本发明涉及平均初级粒子直径不超过约100纳米且总金属污染含量不超过约5ppm的硅/锗纳米粒子集合。 

在其它方面，本发明涉及一种糊剂，其包含至少约5重量％的平均初级粒径不超过约50纳米的元素硅/锗纳米粒子、约0.25重量％到约15重量％的沸点为约55℃到约160℃的第一溶剂和约65重量％到约94.75重量％的沸点为至少约175℃的第二溶剂，其中所述糊剂的粘度为约10Pa·s到约300Pa·s。 

在其它方面，本发明涉及一种墨水，其包含至少约1重量％的平均初级粒径不超过约30纳米的元素硅/锗纳米粒子、约10重量％到约60重量％的醇、约30重量％到约80重量％的极性非质子性溶剂，其中所述墨水的粘度为约0.1mPa·s到约100mPa·s且表面张力为约20达因(dyne)/厘米到约70达因/厘米。 

另外，本发明涉及一种制备含元素硅/锗纳米粒子的墨水的方法。所述方法可包含将第二溶剂添加到元素硅纳米粒子分散于第一溶剂中的初始分散液中以形成墨水，所述墨水为所述纳米粒子于溶剂掺合物中的良好分散液。在一些实施例中，元素硅纳米粒子没有用有机化合物进行基于非溶剂的化学键结的表面改性。一般地，第一溶剂与第二溶剂掺和以形成单相。 

此外，本发明涉及一种基于调整纳米粒子浓度来形成具有所选粘度的丝网印刷糊剂的方法，其中所述丝网印刷糊剂包含元素硅/锗纳米粒子。所述方法一般包含将纳米粒子分散于溶剂中以形成糊剂，所述溶剂包含沸点为约55℃到约160℃的第一溶剂与沸点为至少约175℃的第二溶剂的掺合物，其中所述糊剂的粒子浓度为约10重量％到约20重量％且所述糊剂在2s^-1的剪切速率下的粘度为约10Pa·s到约800Pa·s。