At sætte mere videnskab ind i kunsten at lave nanokrystaller

At forberede halvlederkvanteprikker er nogle gange mere en sort kunst end en videnskab. Det udgør en hindring for yderligere fremskridt i, for eksempel, skabe bedre solceller eller belysningsenheder, hvor kvanteprikker tilbyder unikke fordele, som ville være særligt nyttige, hvis de kunne bruges som grundlæggende byggesten til at konstruere større nanoskalaarkitekturer.

Andrew Greytak, en kemiker i College of Arts and Sciences ved University of South Carolina, leder et forskerhold, der gør processen med at syntetisere kvanteprikker meget mere systematisk. Hans gruppe har netop udgivet et papir i Materialernes kemi beskriver en effektiv ny metode til oprensning af CdSe nanokrystaller med veldefinerede overfladeegenskaber.

Deres proces bruger gel-permeation chromatography (GPC) til at adskille kvanteprikker fra små molekyle urenheder, og holdet gik videre med at karakterisere nanokrystallerne ved en række forskellige analytiske metoder. En sammenligning af deres oprensede kvanteprikker med dem, der er renset ved den traditionelle metode med multiple solvatiserings- og udfældningscyklusser, understregede nytten af ​​den nye metode til fremstilling af ensartede halvledernanokrystaller, der er meget modtagelige for yderligere syntetisk manipulation.

Kvanteprikker

Kvanteprikker, som er nanokrystaller med diametre i området 5-10 nanometer, har optiske og andre fysiske egenskaber, der er forskellige fra større krystallers. Den reducerede størrelse gør det muligt for dem at absorbere og udsende andre farver end bulkmængder af den samme forbindelse på grund af kvantemekaniske effekter; de har også meget store overflade-til-volumen-forhold og kan være følsomme over for overfladebehandlinger.

Greytaks laboratorium fremstiller typisk kvanteprikker i hydrofobe opløsningsmidler (såsom 1-octadecen), så de kommer ud "tilsluttet" med hydrofobe molekyler og opløses let i upolære opløsningsmidler. "Måden processen fungerer, du har altid en betydelig mængde uomsat udgangsmateriale, højtkogende opløsningsmidler og ekstra overfladeaktive stoffer der er vigtige for syntesen, " sagde Greytak. "Men når syntesen er færdig, det er urenheder, der skal fjernes."

Den historiske metode til kvantepunktoprensning er solvatiseringscyklusser, nedbør (såsom med alkohol), dekantering af urenheder og resolvation. Selvom metoden har været i brug i omkring 20 år, den har en grundlæggende mangel.

"Med udfældnings- og genopløsningsprocessen, den foretager faktisk ikke adskillelsen på grundlag af partiklens størrelse, det gør det på basis af opløseligheden, " sagde Greytak. "Så hvis du har urenheder, der har opløselighedsegenskaber svarende til partiklens, de er ikke fjernet."

Gelpermeationskromatografi

Greytak ledede sit hold, som omfattede kandidatstuderende Yi Shen, Megan Gee og Rui Tan, i at udvikle GPC som et yderst effektivt alternativ. En størrelsesudelukkende teknik, GPC adskiller kemiske arter efter molekylvægt og bruges almindeligvis med makromolekyler.

Sammenlignet med materialer fremstillet gennem udfældnings- og genopløsningsprocessen, de GPC-rensede kvanteprikker havde meget bedre stabilitet ved høj temperatur. I øvrigt, en række NMR-målinger assisteret af USC-forskningslektor Perry Pellechia indikerede, at GPC-metoden var meget mere effektiv til at fjerne svagt adsorberede ligander fra kvantepunktoverfladen.

At føre en syntetisk proces videre

Holdet undersøgte yderligere kvanteprikkernes egnethed til yderligere syntetisk manipulation. Igen, de GPC-rensede produkter var overlegne, både i CdS-skalvækst på CdSe kvanteprikker samt ligandudveksling af cystein på CdSe/CdxZn1-xS kvanteprikker.

Greytak ser metoden som et grundlæggende skridt fremad i at kunne manipulere kvanteprikker yderligere, hvad enten det drejer sig om at konstruere større arkitekturer eller at hævde kontrol over, hvordan nanokrystalkolloiderne opfører sig i opløsning.

"Det, vi gerne vil sige, er, at vi udvikler en sekventiel, præparativ kemi for halvleder nanokrystaller, " sagde Greytak. "I det meste af syntetisk kemi, du har et udgangsmateriale, du laver en reaktion, og du fortsætter gennem en række mellemprodukter med veldefinerede strukturer, der kan isoleres. For et nanomateriale, det er meget sværere, fordi vi ikke laver molekyler, vi laver en population af partikler, der har, Lad os sige, en radius på to nanometer. De er ikke alle identiske, og at opnå et ensartet produkt har været udfordrende, både i forhold til hvordan man isolerer det og karakteriserer det.

"Så vi arbejder virkelig på at kunne karakterisere en prøve, med, sige NMR og termogravimetrisk analyse, og at være i stand til virkelig med tillid til at forudsige, hvordan det vil reagere i et efterfølgende trin."