science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Chemici gaan terug naar de toekomst om het mysterie van de kwantumstippen te ontrafelen

Quantum dots fluoresceren in een reeks kleuren onder UV-licht in het laboratorium van chemieprofessor Todd Krauss. Credit:foto van de Universiteit van Rochester / J. Adam Fenster

Al meer dan 30 jaar, onderzoekers hebben kwantumstippen gemaakt - kleine, kristallijn, halfgeleiders op nanoschaal met opmerkelijke optische en elektronische eigenschappen.

Ze hebben ze toegepast om televisietoestellen te verbeteren, bijvoorbeeld, om de kleur sterk te verbeteren. Tal van andere toepassingen worden nagestreefd, met geïntegreerde schakelingen, zonnepanelen, computergebruik, medische beeldvorming, en inkjetdruk, onder andere.

Maar quantum dot-synthese is grotendeels tot stand gekomen met vallen en opstaan, omdat er weinig is begrepen over hoe de chemicaliën die betrokken zijn bij het maken van kwantumstippen - sommige zeer giftig - in feite op elkaar inwerken om de resulterende nanodeeltjes te vormen.

Dat gaat misschien veranderen. In een paper in Natuurcommunicatie , Todd Krauss, professor en voorzitter van de afdeling Scheikunde aan de Universiteit van Rochester, en promovendus Leah Frenette, de hoofdauteur, beschrijf de onderliggende mechanismen die betrokken zijn bij de vorming van een veelgebruikte klasse van kwantumstippen die cadmium- en seleniumverbindingen als hun moleculaire voorlopers gebruiken.

Ironisch, het team ontdekte dat, op een gegeven moment tijdens dit proces, hoe veiliger, meer controleerbare verbindingen die nu worden gebruikt, ontleden in dezelfde zeer giftige verbindingen die 30 jaar geleden werden gebruikt bij de initiële productie van kwantumdots.

Professor in de chemie Todd Krauss (links) en afgestudeerde student Leah Frenette zijn afgebeeld met kwantumstippen in Krauss' lab in Hutchison Hall. De twee hebben de onderliggende mechanismen beschreven die betrokken zijn bij het produceren van kwantumstippen. Krediet:J. Adam Fenster

"We zijn in wezen 'terug naar de toekomst' gegaan met onze ontdekking, " zegt Krauss. "Wat Leah ontdekte was, tijdens de quantum dot-synthesereactie, de momenteel gebruikte verbindingen vallen uiteen in de chemicaliën die we al tientallen jaren proberen te vermijden, die vervolgens reageren om de kwantumstippen te vormen."

De bevindingen, Krauss zegt, een "fundamentele ontdekking" vormen die mogelijk:

  1. Leidt tot verwijdering van veel van het giswerk bij de productie van cadmium/selenium-kwantumdots dat heeft geleid tot inconsistenties en niet-reproduceerbaarheid, industriële toepassingen belemmeren.
  2. Waarschuw onderzoekers en bedrijven die werken aan grootschalige kwantumdotsynthese dat die zeer giftige waterstofselenide- en cadmiumakyl-complexen (misschien wel de gevaarlijkste chemicaliën ter wereld) nog steeds "op de loer liggen" als onderdeel van het syntheseproces.
  3. Help bij het verklaren van het chemische gedrag van fosfines die worden gebruikt in een breed scala van kwantumpuntreacties bij hoge temperaturen.

Kwantumstippen, die eigenschappen vertonen die liggen tussen bulkhalfgeleiders en enkele moleculen, zijn bijzonder interessante materialen omdat ze eigenschappen hebben die zeer "afstembaar" zijn. Bijvoorbeeld, grotere quantum dots zenden langere golflengten uit, rood en sinaasappel produceren. Kleinere stippen zenden kortere golflengten uit, wat resulteert in blauw en groen, hoewel de specifieke kleuren en maten variëren afhankelijk van de exacte samenstelling van de kwantumdot.

Een kwantumpunt heeft de chemische en fotostabiliteit van mineralen, maar heeft een laag organische moleculen aan de buitenkant waardoor het "gemanipuleerd kan worden net zoals je kleine moleculen in oplossing zou manipuleren. Je kunt ze spuiten, je kunt ze coaten op oppervlakken, je kunt ze mengen, en doe er allerlei verschillende scheikunde mee, " zegt Todd Krauss, hoogleraar en leerstoel scheikunde. Krediet:Michael Osadciw

"Je verandert de temperatuur, je verandert de voorloperconcentraties, je verandert het volume van de fles, je verandert het oplosmiddel, en uiteindelijk vind je de juiste combinatie van factoren die je deeltjes (dots) van hoge kwaliteit geven, ' zegt Krauss.

Hij vergelijkt de huidige synthetische benaderingen met een audiofiel die de treble- en bass-knoppen op een geluidssysteem aanpast, zonder enig diep begrip van sinusgolven.

"Het werkt. Maar op een gegeven moment hebben we het gevoel dat je moet uitzoeken hoe de stippen precies worden gemaakt, en dat is wat zal leiden tot toekomstige doorbraken om ze aanzienlijk beter te maken, ' zegt Krauss.