Molekylærlignende fotokemi fra halvledernanokrystaller

Forskere fra North Carolina State University har demonstreret overførslen af ​​triplet excitonenergi fra halvledernanokrystaller til overfladebundne molekylære acceptorer, forlænge levetiden af ​​den oprindeligt forberedte exciterede tilstand med seks størrelsesordener. Dette fund har implikationer for områder lige fra solenergikonvertering til fotokemisk syntese til optoelektronik til lysterapi til kræftbehandling.

Excitoner er elektron/hul-parrene dannet i halvleder-nanokrystaller ved absorption af lys, midlertidigt lagre det som kemisk energi. I solceller, for eksempel, excitonerne transporterer energi gennem materialet, så det kan opsamles og omdannes til elektricitet.

Med hensyn til fotokemi, den største ulempe ved at bruge de fleste halvleder-nanokrystaller som fotosensibilisatorer ligger i deres korte eksiterede tilstandslevetider - typisk titusvis af nanosekunder - hvilket gør dem utilstrækkelige til at drive fotokemiske reaktioner. NC State kemi professor Felix Castellano, sammen med postdoc Cedric Mongin og kandidatstuderende Sofia Garakyaraghi, spekulerede på, om det ville være muligt at forlænge levetiden for halvleder nanokrystal exciterede tilstand til tidsskalaer, der er lange nok til at udføre kemi.

"Det grundlæggende spørgsmål var, "Kan vi tage en nanopartikel-exciteret tilstand med en levetid på snesevis af nanosekunder og forlænge den gennem sensibilisering, '" siger Castellano. "Hvis vi tager den oprindelige nanokrystal-exciterede tilstand og overfører dens energi til en triplet-acceptor på overfladen af ​​nanomaterialet, så burde den molekylære triplet-exciterede tilstand, du opretter, have en lang nok levetid til at fremme kemiske reaktioner. Dette tyder også på, at halvleder nanokrystaller udviser molekylær-lignende adfærd."

Castellanos team brugte cadmiumselenid (CdSe) nanokrystaller dækket med oliesyre, udarbejdet af prof. Mikhail Zamkov og hans kandidatstuderende Natalia Razgoniaeva ved Bowling Green State University. Noget af oliesyren erstattes derefter af den molekylære triplet-acceptor 9-anthacencarboxylsyre (ACA). Når CdSe nanokrystal-lejet ACA rammes med en grøn laserpuls, exciton produceret i CdSe overføres til ACA, danner en molekylær triplet-exciton med en millisekunds levetid. Dette repræsenterer en levetidsforlængelse på seks størrelsesordener, muliggør efterfølgende kemisk reaktivitet.

"Den anden fordel er, at ved at oversætte excitonen væk fra nanopartikeloverfladen, i stedet for at involvere selve nanopartiklerne i de ønskede kemiske reaktioner, du vil ikke nedbryde nanopartiklerne, " siger Castellano. "Den kan blive ved med at absorbere lys og overføre energien til masseopløsningen."