[发明专利]表面改性的纳米粒子

说明书

用两亲性大分子例如两亲性的共聚物对纳米粒子(QD)的表面改性。表面改性使得QD与氧排除基体(如环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂或任何亲水的无机/有机混合树脂如(甲基)丙烯酸酯官能化的、多面体的、低聚的硅倍半氧烷(POSS))更加相容。

本申请是申请日为2014年12月19日、发明名称为“表面改性的纳米粒子”、国际申请号为PCT/GB2014/053775并且中国国家申请号为201480072461.8的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用：

本申请要求2014年1月6日提交的美国临时申请号61/924,060的权益，其内容通过引用以其全部结合在此。

关于联邦资助的研究或开发的声明：不适用

技术领域

本发明总体上涉及纳米粒子。更具体地，其涉及用于对半导体纳米粒子的外表面改性的方法。

背景技术

纳米粒子

对于由通常称为量子点(QD)和/或纳米粒子的具有2-100nm的量级的尺寸的粒子组成的化合物半导体的制备和表征存在相当大的兴趣。在此领域中的研究主要聚焦在了纳米粒子的可尺寸调整的电子、光学和化学性质上。半导体纳米粒子归因于它们在各种商业应用如生物学标记、太阳能电池、催化、生物学成像和发光二极管中的潜力，正在获得关注。

两个基本因素(都与单独的半导体纳米粒子的尺寸相关)是它们独特性质的主要原因。第一个是大的表面与体积的比率：随着粒子变得更小，表面原子与内部的那些的数目的比例增加。这导致表面性质在材料的整体性质上发挥重要的作用。第二个因素是，对于很多材料(包含半导体纳米粒子)，材料的电子性质随粒子尺寸改变。此外，因为量子限制效应，带隙典型地随着纳米粒子尺寸的降低逐渐地变大。该效果是“箱中电子”的限制的结果，所述限制给出与在原子和分子中观察到的那些相似的离散能级，而非在相应的大块半导体材料中观察到的连续能带。半导体纳米粒子倾向于展现依赖于纳米粒子材料的粒子尺寸和组成的窄带宽发射。第一激子跃迁(带隙)在能量上随着减小的粒径而增加。

单一半导体材料的半导体纳米粒子，在本文称作“核纳米粒子”，与外部有机钝化层一起，倾向于因为在位于可以导致非辐射电子-空穴复合的纳米粒子表面上的缺陷和悬挂键处发生的电子-空穴复合而具有相对低的量子效率。

消除纳米粒子的无机表面上的缺陷和悬挂键的一个方法是在核粒子的表面上生长第二无机材料(典型地具有更宽的带隙和小的与核材料晶格的晶格错配)，以制备″核-壳″粒子。核-壳粒子将限制在核中的载流子与将另外充当非辐射复合中心的表面态分离。一个实例是生长在CdSe核的表面上的ZnS。另一个方案是制备核-多壳结构，其中″电子-空穴″对被完全限制到由特定材料的数个单层构成的单个壳层，如量子点-量子阱结构。这里，核典型地是宽带隙材料，之后是较窄带隙材料的薄壳，并且被另一个宽带隙层封端。实例是使用以下方法所生长的CdS/HgS/CdS：Hg Hg取代在核纳米晶体的表面上的Cd以沉积仅数个单层的HgS，其随后长满CdS的单层。所得到的结构展现了清楚的光激发载流子在HgS层中的限制。

迄今为止，最多被研究和制备的半导体纳米粒子是所谓的“II-VI材料”，例如，ZnS、ZnSe、CdS、CdSe和CdTe，以及结合这些材料的核-壳和核-多壳结构。但是，在常规QD中使用的镉和其他受限的重金属是高毒性的元素，并且在商业应用中有主要的忧虑。含镉QD的固有毒性妨碍了它们在涉及动物或人类的应用中的使用。例如，近来的研究建议，由镉硫属化物半导体材料制造的QD在生物环境中可以是细胞毒性的，除非受到保护。具体地，经过多种途径的氧化或化学侵蚀可能会导致在QD表面上形成可能被释放到周围环境中的镉离子。尽管表面涂层如ZnS可以明显地降低毒性，但不可能将其完全消除，因为QD可能长期留在细胞中或积累在体内，在此期间，它们的涂层可能经历一些形式的使富镉核暴露的降解。