Naar de lange lijst van toevallige ontdekkingen – zwaartekracht, penicilline, de Nieuwe Wereld – voeg dit toe:Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben ontdekt waarom een ​​veelbelovende techniek voor het maken van kwantumstippen en nanostaafjes tot nu toe een teleurstelling is geweest. Nog steeds beter, ze hebben ook ontdekt hoe ze het probleem kunnen oplossen.

Een team van onderzoekers onder leiding van chemicus Paul Alivisatos, directeur van Berkeley Lab, en Prashant Jain, een chemicus nu bij de Universiteit van Illinois, heeft ontdekt waarom nanokristallen gemaakt van meerdere componenten in oplossing via de uitwisseling van kationen (positieve ionen) slechte lichtstralers zijn. Het probleem, ze vonden, komt voort uit onzuiverheden in het eindproduct. Het team toonde ook aan dat deze onzuiverheden door hitte kunnen worden verwijderd.

"Door deze nanokristallen te verhitten tot 100 graden Celsius, we waren in staat om de onzuiverheden te verwijderen en hun luminescentie binnen 30 uur met een factor 400 te verhogen, " zegt Jain, een lid van de onderzoeksgroep van Alivisatos toen dit werk werd gedaan. "Toen de onzuiverheden werden verwijderd, waren de opto-elektronische eigenschappen van nanokristallen gemaakt door middel van kationenuitwisseling qua kwaliteit vergelijkbaar met stippen en nanostaafjes die conventioneel werden gesynthetiseerd."

zegt Alivisatos, "Met onze nieuwe bevindingen, de kation-uitwisselingstechniek wordt echt een methode die op grote schaal kan worden gebruikt om nieuwe nanokristallen van hoge opto-elektronische kwaliteit te maken."

Jain is de hoofdauteur en Alivisatos de corresponderende auteur van een paper waarin dit werk in het tijdschrift wordt beschreven Angewandte Chemie getiteld "Zeer lichtgevende nanokristallen van verwijdering van onzuivere atomen die achterblijven bij synthese van ionenuitwisseling." Andere auteurs waren Brandon Beberwyck, Lam-Kiu Fong en Mark Polking.

Quantum dots en nanostaafjes zijn lichtemitterende halfgeleider nanokristallen die een breed scala aan toepassingen hebben, inclusief bio-imaging, zonne-energie en beeldschermtechnologieën. Typisch, deze nanokristallen worden gesynthetiseerd uit colloïden - deeltjes die in oplossing zijn gesuspendeerd. Als een alternatief, Alivisatos en zijn onderzoeksgroep ontwikkelden een nieuwe oplossingsgebaseerde synthesetechniek waarbij nanokristallen chemisch worden getransformeerd door alle kationen in het kristalrooster uit te wisselen of te vervangen door een ander type kation. Deze kationenuitwisselingstechniek maakt het mogelijk om nieuwe soorten kern/schil nanokristallen te produceren die ontoegankelijk zijn door conventionele synthese. Kern/schil nanokristallen zijn heterostructuren waarin het ene type halfgeleider is ingesloten in een ander, bijvoorbeeld, een cadmiumselenide (CdSe) kern en een cadmiumsulfide (CdS) omhulsel.

"Hoewel veelbelovend voor de eenvoudige en goedkope fabricage van nanokristallen met meerdere componenten, de kationenuitwisselingstechniek heeft kwantumdots en nanostaafjes opgeleverd die slecht presteren in optische en elektronische apparaten, " zegt Alivisatos, een wereldautoriteit op het gebied van nanokristalsynthese die een gezamenlijke afspraak heeft met de University of California (UC) Berkeley, waar hij de Larry en Diane Bock professor in nanotechnologie is.

Zoals Jain het verhaal vertelt, hij was bezig met het weggooien van CdSe/CuS-nanokristallen in oplossing die zes maanden oud waren, toen hij uit gewoonte de nanokristallen testte onder ultraviolet licht. Tot zijn verbazing nam hij een aanzienlijke luminescentie waar. Daaropvolgende spectrale metingen en het vergelijken van de nieuwe gegevens met de oude toonden aan dat de luminescentie van de nanokristallen met minstens het zevenvoudige was toegenomen.

"Het was een toevallige vondst en erg spannend, "Jain zegt, "Maar aangezien niemand zes maanden wil wachten voordat hun monsters van hoge kwaliteit zijn, besloot ik de nanokristallen te verwarmen om het proces te versnellen dat hun luminescentie deed toenemen."

Jain en het team vermoedden en de daaropvolgende studie bevestigde dat onzuiverheden - originele kationen die tijdens het uitwisselingsproces in het kristalrooster achterblijven - de boosdoener waren.

"Zelfs een paar onzuiverheden van kationen in een nanokristal zijn voldoende om effectief te zijn in het vangen van nuttige, energetische ladingsdragers, ' zegt Jain. 'In de meeste kwantumdots of nanostaafjes, ladingsdragers zijn gedelokaliseerd over het hele nanokristal, waardoor ze gemakkelijk onzuiverheden kunnen vinden, hoe weinig er ook zijn, binnen het nanokristal. Door de oplossing te verwarmen om deze onzuiverheden te verwijderen en deze door onzuiverheden gemedieerde opsluiting uit te schakelen, we geven de ladingsdragers genoeg tijd om straling te combineren en daardoor de luminescentie te vergroten."

Aangezien ladingsdragers ook een belangrijke rol spelen bij elektronisch vervoer, fotovoltaïsche prestaties, en fotokatalytische processen, Jain zegt dat het uitschakelen van door onzuiverheden gemedieerde trapping ook deze opto-elektronische eigenschappen in nanokristallen die zijn gesynthetiseerd via de kationenuitwisselingstechniek zou moeten versterken.