Nanokrystaller bliver blottede:Fjerner materialets bittesmå tøjler

(PhysOrg.com) - Forskere fra DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory har opdaget en universel teknik til at fjerne nanokrystaller af tøjlignende molekyler, der indtil nu har udgjort forhindringer for deres integration i enheder. Disse resultater kunne give forskere en ren tavle til at udvikle nye nanokrystal-baserede teknologier til energilagring, solcelleanlæg, smarte vinduer, solbrændstoffer og lysemitterende dioder.

Nanokrystaller fremstilles typisk i en kemisk opløsning ved hjælp af snorlige molekyler kaldet ligander kemisk bundet til deres overflade. Disse kulbrinte-baserede eller organometalliske molekyler hjælper med at stabilisere nanokrystallen, men danner også en uønsket isolerende skal omkring strukturen. Effektiv og ren fjernelse af disse overfladeligander er udfordrende og har undgået forskere i årtier.

Nu, ved at bruge Meerweins salt - en organisk forbindelse også kendt under dens tungedrejede betegnelse triethyloxoniumtetrafluoroborate - har et Berkeley Lab-team fjernet organiske ligander bundet til nanokrystaller, eksponerer en bar overflade, der gør det muligt at bruge nanokrystaller i en række forskellige applikationer.

"Vores teknik giver dig dybest set mulighed for at tage alle nanokrystal - metaloxider, metallisk, halvledere - og gør disse til dispersioner af ligandfri nanokrystalblæk til spin- eller spraybelægning og endda mønsterdannelse ved hjælp af en inkjetprinter, ” siger Brett Helms, en ansat videnskabsmand i Organic and Macromolecular Synthesis Facility ved Berkeley Labs Molecular Foundry, et forskningscenter for nanovidenskab. "Hvad mere er, de bevarer deres strukturelle integritet og udviser mere effektive transportegenskaber i enheder."

Mange nanokrystaller, der er vigtige for energienheder, kan ikke modstå stærke syrer eller oxidationsmidler, der typisk bruges til at strippe organiske ligander - disse nanokrystaller opløses simpelthen. I dette studie, Helms og kolleger undersøgte atomistiske detaljer om samspillet mellem en blyselenid nanokrystal - et halvledermateriale - og ligander, der omgiver dens overflade. Holdet brugte derefter kemiske reagenser baseret på Meerweins salt til at reagere med nanokrystaller kemisk for at gøre disse koordinerende ligander ude af stand til at binde sig til overfladen igen. skabe 'nøgne' nanokrystaller i opløsning eller som en tynd film på en støtte. Denne teknik, Helms siger, viste sig at være overordentlig generel.

"Vores team har udviklet en generel metode til at fjerne ligander på en nanokrystal for at opnå "nøgne" nanokrystaloverflader, siger Evelyn Rosen, en post-doc forsker, der arbejder med Helms. "Disse bare nanokrystaller kan have unikke egenskaber selv, men muliggør også tilføjelse af nye ligander til denne nøgne overflade som ønsket for nogle typer nanokrystaller. Mest væsentligt, denne teknik bør udvide nanokrystallernes anvendelighed ved at give mere kontrol over optimeringen af ​​deres egenskaber."

For at demonstrere, at nanokrystallerne virkelig blev strippet for deres ligander, holdet karakteriserede tynde film af ligandbelagte og nøgne blyselenid-nanokrystaller med en ny teknik kaldet infrarød spektroskopi i nanoskala, eller nano-IR. I denne teknik, infrarødt lys absorberet af filmene bruges til at analysere excitationer fra specifikke molekylære vibrationer, såsom carbon-hydrogen-bindinger dannet af ligander. Ved hjælp af nano-IR, forskerne fandt, at nanokrystaller var ensartet blottede over makroskopiske afstande, fører til en stigning i elektronisk ledningsevne med flere størrelsesordener sammenlignet med unstrippede nanokrystalfilm.

"Denne metode er anvendelig på en virkelig universel måde og gør det muligt at bruge nanokrystaller i en bred vifte af applikationer og i forskellige miljøer, ” siger Delia Milliron, Direktør for faciliteten for uorganiske nanostrukturer på støberiet og en medforfatter på denne undersøgelse.

Ja, Milliron tilføjer, flere Foundry-brugere udnytter allerede disse nanokrystaller til projekter om energilagring og superkondensatormaterialer, som lagrer energi som batterier, men som kan oplades hurtigere.

"Med en robust, men simpel procedure til at behandle 'aktiverede' nanokrystaller fra opløsning over store områder, svarende til kravene i en fremstillingsproces, er et vigtigt første skridt til at integrere disse spændende nye materialer i næste generations energirelaterede enheder, ” tilføjer Helms. "Vi udnytter denne proces bredt i vores forskning og opfordrer potentielle samarbejdspartnere til at indsende brugerforslag til Molecular Foundry, ”

Rosen er hovedforfatter og Helms den tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer om denne forskning i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition . Artiklen har titlen "Exceptionelt mild reaktiv stripning af native ligander fra nanokrystaloverflader ved hjælp af Meerweins salt."  Medforfatter til papiret med Rosen, Helms og Milliron var Raffaella Buonsanti, Anna Llordes og April Sawvel.