Klare lys af renhed:Forskere opdager, hvorfor rene kvanteprikker og nanorods skinner klarere

Til den lange liste af uhyggelige opdagelser – tyngdekraften, penicillin, den nye verden - tilføj dette:Forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget, hvorfor en lovende teknik til fremstilling af kvanteprikker og nanoroder hidtil har været en skuffelse. Endnu bedre, de har også opdaget, hvordan man løser problemet.

Et team af forskere ledet af kemiker Paul Alivisatos, direktør for Berkeley Lab, og Prashant Jain, en kemiker nu ved University of Illinois, har opdaget, hvorfor nanokrystaller fremstillet af flere komponenter i opløsning via udveksling af kationer (positive ioner) har været dårlige lysemitterende. Problemet, de fandt, stammer fra urenheder i det endelige produkt. Holdet viste også, at disse urenheder kan fjernes gennem varme.

"Ved at opvarme disse nanokrystaller til 100 grader Celsius, vi var i stand til at fjerne urenhederne og øge deres luminescens med 400 gange inden for 30 timer, " siger Jain, medlem af Alivisatos' forskningsgruppe, da dette arbejde blev udført. "Da urenhederne blev fjernet, var de optoelektroniske egenskaber for nanokrystaller fremstillet gennem kationbytte sammenlignelige i kvalitet med prikker og nanoroder, der konventionelt syntetiseres."

siger Alivisatos, "Med vores nye fund, kationbytningsteknikken bliver virkelig en metode, der kan bruges i vid udstrækning til at lave nye nanokrystaller af høj optoelektronisk kvalitet. "

Jain er hovedforfatteren og Alivisatos den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver dette arbejde i tidsskriftet Angewandte Chemie med titlen "Meget lysende nanokrystaller fra fjernelse af urenhedsatomer resterende fra ionbytningssyntese." Andre forfattere var Brandon Beberwyck, Lam-Kiu Fong og Mark Polking.

Kvanteprikker og nanorods er lysemitterende halvleder nanokrystaller, der har en bred vifte af anvendelser, herunder bio-billeddannelse, solenergi og skærmteknologier. Typisk, disse nanokrystaller syntetiseres fra kolloider - partikler suspenderet i opløsning. Som et alternativ, Alivisatos og hans forskergruppe udviklede en ny løsningsbaseret synteseteknik, hvor nanokrystaller omdannes kemisk ved at udskifte eller erstatte alle kationer i krystalgitteret med en anden type kation. Denne kationbytningsteknik gør det muligt at producere nye typer kerne/skal-nanokrystaller, der er utilgængelige gennem konventionel syntese. Kerne/skal nanokrystaller er heterostrukturer, hvor en type halvleder er indesluttet i en anden, for eksempel, en cadmiumselenid (CdSe) kerne og en cadmiumsulfid (CdS) skal.

"Mens jeg holder løfte om den enkle og billige fremstilling af multikomponent -nanokrystaller, kationbytterteknikken har givet kvanteprikker og nanorods, der fungerer dårligt i optiske og elektroniske enheder, "siger Alivisatos, en verdensautoritet inden for nanokrystalsyntese, der har en fælles aftale med University of California (UC) Berkeley, hvor han er Larry og Diane Bock professor i nanoteknologi.

Mens Jain fortæller historien, han var i gang med at bortskaffe CdSe/CuS nanokrystaller i opløsning, der var seks måneder gammel, da han af vane testede nanokrystaller under ultraviolet lys. Til sin overraskelse observerede han betydelig luminescens. Efterfølgende spektrale målinger og sammenligning af de nye data med de gamle viste, at laninescensen af ​​nanokrystaller var steget med mindst syvdoblet.

"Det var et tilfældigt fund og meget spændende, "Jain siger, "men da ingen ønsker at vente seks måneder på, at deres prøver bliver af høj kvalitet, besluttede jeg at opvarme nanokrystaller for at fremskynde den proces, der fik deres luminescens til at stige."

Jain og holdet fik mistanke, og efterfølgende undersøgelse bekræftede, at urenheder - originale kationer, der ender med at blive efterladt i krystalgitteret under udvekslingsprocessen - var synderen.

"Selv nogle få kation-urenheder i en nanokrystal er nok til at være effektive til at fange nyttige, energiske ladningsbærere, "Jain siger." I de fleste kvantepunkter eller nanoroder, ladningsbærere er delokaliseret over hele nanokrystallet, gør det let for dem at finde urenheder, uanset hvor få der måtte være, inde i nanokrystallet. Ved at opvarme opløsningen for at fjerne disse urenheder og lukke for denne urenhedsmedierede fældning, vi giver ladningsbærerne tid nok til at kombinere stråling og derved øge luminescensen."

Da afgiftsbærere også er medvirkende til elektronisk transport, fotovoltaisk ydeevne, og fotokatalytiske processer Jain siger, at afbrydelse af urenhedsmedieret fangst også bør øge disse optoelektroniske egenskaber i nanokrystaller syntetiseret via kationbytterteknikken.