Forskerhold afslører, hvorfor vandfugtighed påvirker kvantekrystaller

Holdet, ledet af professor Jiwoong Yang fra Institut for Energiteknik ved DGIST, og i samarbejde med holdet ledet af professor Jungwon Park fra School of Chemical and Biological Engineering ved Seoul National University, bestemte den fugt- (vand-) inducerede nedbrydningsmekanisme af halvleder nanokrystal kvanteprikker.

Det fælles forskerhold udviklede næste generations billeddannelsesplatform for in-situ væskefase-transmissionselektronmikroskopi (TEM), som kan bruges til at afsløre reaktionsmellemprodukter og atomare enheds reaktionsveje, der eksisterer i nedbrydningsprocessen, og derved tage et skridt tættere på kommercialiseringen af ​​nanokrystal kvanteprikker.

Halvleder nanokrystal kvanteprikker finder omfattende anvendelser inden for forskellige områder såsom biobilleddannelse, optoelektroniske enheder og katalysatorer på grund af deres fordelagtige egenskaber, herunder størrelse og formafhængige båndgab, høj lampeeffektivitet og smal fuld bredde ved halv maksimum. Men de udviser også ulemper såsom reduceret stabilitet, når de udsættes for fugt og ilt sammenlignet med bulk-halvlederkrystaller.

Som et resultat er talrige undersøgelser i gang for at skabe halvleder nanokrystal kvanteprikker med forbedret stabilitet mod påvirkningen af ​​fugt og ilt. Ikke desto mindre står udviklingsprocessen over for udfordringer, fordi den specifikke "nedbrydningsmekanisme", som forårsager forringelse af deres egenskaber på grund af eksterne faktorer, ikke er blevet fuldstændig forklaret.

Undersøgelser er blevet udført ved hjælp af spektrometri, røntgenspredning og diffraktionsanalyse for at identificere nedbrydningsmekanismen; disse metoder kunne dog kun identificere ændringerne i nanokrystallers optiske og fysiske egenskaber i den fugtinducerede nedbrydningsproces, hvilket kun giver gennemsnitlige oplysninger om strukturelle ændringer.

Desuden er der begrænsninger i at afsløre eksistensen af ​​forskellige atomare enhedsreaktionsmønstre og reaktionsmellemprodukter, der kan forekomme i individuelle nanopartikler, da det er vanskeligt at bestemme den strukturelle ændringsmekanisme for individuelle nanokrystaller.

I overensstemmelse hermed udtænkte professor Jiwoong Yangs team ved DGIST en metode, der bruger in-situ væskefase TEM, som muliggør observation af reaktionsprocessen for individuelle nanopartikler i realtid. Især var der behov for flydende celler, der var i stand til både reaktionskontrol og ultra-høj opløsning i realtid, for at identificere den fugtinducerede nedbrydningsmekanisme.

Til dette formål udviklede holdet "grafen-baserede næste generation flydende celler", der besidder begge funktioner. Disse næste generations flydende celler er designet til at kontrollere blandingen af ​​to forskellige væsker gennem ekstremt tynde grafenmembraner.

Desuden blev der udført forskning for at afsløre nedbrydningsmekanismen ved hjælp af "cadmiumsulfid (CdS)," som er en velkendt krystalliseringsmetode for nanokrystalliske kvanteprikker. Resultaterne afslørede, at "cadmiumsulfid (CdS)" halvleder nanokrystaller undergår nedbrydning ved at danne amorfe mellemprodukter bestående af Cd(OH)x under nedbrydningsprocessen.

Desuden fører tilstedeværelsen af ​​dette amorfe mellemprodukt til en uregelmæssigt formet krystaloverfladestruktur i midten af ​​reaktionen, som er forskellig fra den tidligere undersøgte nedbrydningsmekanisme af metalnanokrystaller. Dette bekræftede vigtigheden af ​​at beskytte overfladen af ​​halvledernanokrystaller, da den fugtinducerede strukturelle nedbrydning af halvledernanokrystaller er irreversibel og starter fra overfladen.

"Fugt-induceret nedbrydning har været en nøglefaktor, der forårsager vanskeligheder med at kommercialisere halvleder nanokrystal kvanteprikker," udtalte DGIST professor Jiwoong Yang. "Den nedbrydningsmekanisme afsløret i denne undersøgelse forventes at bidrage væsentligt til den fremtidige udvikling af kvantematerialer."

Artiklen er publiceret i tidsskriftet ACS Nano .

Flere oplysninger: Hyeonjong Ma et al, Moisture-Induced Degradation of Quantum-Sized Semiconductor Nanocrystals through Amorphous Intermediates, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c03103

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)