Het maken van halfgeleider kwantumstippen is soms meer een zwarte kunst dan een wetenschap. Dat vormt een belemmering voor verdere vooruitgang in, bijvoorbeeld, het creëren van betere zonnecellen of verlichtingsapparatuur, waar kwantumdots unieke voordelen bieden die vooral nuttig zouden zijn als ze zouden kunnen worden gebruikt als basisbouwstenen voor het bouwen van grotere nanoschaalarchitecturen.

Andrew Greytak, een chemicus aan het College van Kunsten en Wetenschappen aan de Universiteit van South Carolina, leidt een onderzoeksteam dat het proces van het synthetiseren van kwantumstippen veel systematischer maakt. Zijn groep heeft zojuist een paper gepubliceerd in Chemie van materialen detaillering van een effectieve nieuwe methode voor het zuiveren van CdSe-nanokristallen met goed gedefinieerde oppervlakte-eigenschappen.

Hun proces maakt gebruik van gelpermeatiechromatografie (GPC) om kwantumdots te scheiden van onzuiverheden van kleine moleculen, en het team ging verder in het karakteriseren van de nanokristallen door een verscheidenheid aan analytische methoden. Een vergelijking van hun gezuiverde kwantumdots met die gezuiverd door de traditionele methode van meerdere solvatatie- en precipitatiecycli onderstreepte het nut van de nieuwe methode bij het bereiden van uniforme halfgeleider nanokristallen die zeer vatbaar zijn voor verdere synthetische manipulatie.

Kwantumstippen

Kwantumstippen, die nanokristallen zijn met een diameter van 5-10 nanometer, optische en andere fysieke eigenschappen hebben die verschillen van die van grotere kristallen. Door de kleinere afmetingen kunnen ze andere kleuren absorberen en uitzenden dan bulkhoeveelheden van dezelfde verbinding vanwege kwantummechanische effecten; ze hebben ook zeer grote oppervlakte-tot-volume verhoudingen en kunnen gevoelig zijn voor oppervlaktebehandelingen.

Het laboratorium van Greytak bereidt typisch kwantumdots voor in hydrofobe oplosmiddelen (zoals 1-octadeceen), dus komen ze "afgetopt" uit met hydrofobe moleculen en lossen ze gemakkelijk op in niet-polaire oplosmiddelen. "De manier waarop het proces werkt, je hebt altijd een aanzienlijke hoeveelheid niet-gereageerd uitgangsmateriaal, hoogkokende oplosmiddelen en extra oppervlakteactieve stoffen die belangrijk zijn voor de synthese, zei Greytak. Maar als de synthese eenmaal voltooid is, het zijn onzuiverheden die moeten worden verwijderd."

De historische methode van kwantumpuntzuivering is cycli van solvatatie, neerslag (zoals met alcohol), decanteren van onzuiverheden en opnieuw oplossen. Hoewel de methode al zo'n 20 jaar in gebruik is, het heeft een fundamentele tekortkoming.

"Met het precipitatie- en heroplossingsproces, het doet niet echt de scheiding op basis van de grootte van het deeltje, het doet het op basis van de oplosbaarheid, "zei Greytak. "Dus als je onzuiverheden hebt die oplosbaarheidseigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met die van het deeltje, ze worden niet verwijderd."

Gelpermeatiechromatografie

Greytak leidde zijn team, waaronder afgestudeerde studenten Yi Shen, Megan Gee en Rui Tan, bij het ontwikkelen van GPC als een zeer effectief alternatief. Een maat-uitsluitingstechniek, GPC scheidt chemische soorten op basis van molecuulgewicht en wordt vaak gebruikt met macromoleculen.

Vergeleken met materialen die zijn bereid via het precipitatie- en re-solvatatieproces, de GPC-gezuiverde quantum dots hadden een veel betere stabiliteit bij hoge temperatuur. Bovendien, een reeks NMR-metingen, bijgestaan ​​door USC-onderzoeksdocent Perry Pellechia, gaf aan dat de GPC-methode veel effectiever was in het verwijderen van zwak geadsorbeerde liganden van het kwantumdot-oppervlak.

Een synthetisch proces naar voren brengen

Het team onderzocht verder de geschiktheid van de kwantumstippen voor verdere synthetische manipulatie. Opnieuw, de GPC-gezuiverde producten waren superieur, zowel in CdS-schaalgroei op CdSe-quantumdots als liganduitwisseling van cysteïne op CdSe/CdxZn1-xS-quantumdots.

Greytak ziet de methode als een fundamentele stap voorwaarts om kwantumdots verder te kunnen manipuleren, of het nu gaat om het construeren van grotere architecturen of het beweren van controle over hoe de nanokristalcolloïden zich in oplossing gedragen.

"Wat we graag zeggen is dat we een sequentiële, preparatieve chemie voor halfgeleider nanokristallen, " zei Greytak. "In de meeste synthetische chemie, je hebt een uitgangsmateriaal, je doet een reactie, en je gaat door een reeks tussenvormen met goed gedefinieerde structuren die kunnen worden geïsoleerd. Voor een nanomateriaal, het is veel moeilijker, omdat we geen moleculen maken, we maken een populatie van deeltjes die, laten we zeggen, een straal van twee nanometer. Ze zijn niet allemaal identiek, en het bereiken van een consistent product was een uitdaging, zowel in termen van hoe het te isoleren en te karakteriseren.

"Dus we werken er echt aan om een ​​monster te karakteriseren, met, zeg NMR en thermogravimetrische analyse, en in staat zijn om echt met vertrouwen te voorspellen hoe het in een volgende stap zal reageren."