Halfgeleider nanokristallen van verschillende groottes en vormen kunnen de optische en elektrische eigenschappen van materialen bepalen. Vloeibare celtransmissie-elektronenmicroscopie (LCTEM) is een opkomende methode om chemische transformaties op nanoschaal te observeren en de precieze synthese van nanostructuren met verwachte structurele kenmerken te informeren. Onderzoekers onderzoeken de reacties van halfgeleider nanokristallen met de methode om de zeer reactieve omgeving te bestuderen die tijdens het proces wordt geproduceerd via vloeibare radiolyse.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , Cheng Yan en een onderzoeksteam in Chemistry and Materials Science aan de University of California Berkeley, en het Leibniz Institute of Surface Engineering, Duitsland, gebruikten het radiolyseproces om het etstraject van enkelvoudige deeltjes van prototypische halfgeleider-nanomaterialen te vervangen. Loodselenide-nanobuisjes die tijdens het werk werden gebruikt, vertegenwoordigden een isotrope structuur om de kubische vorm voor etsen te behouden via een laag-voor-laag-mechanisme. De anisotrope pijlvormige cadmiumselenide-nanostaafjes behielden polaire facetten met cadmium- of seleniumatomen. De trajecten van transmissievloeistofcelelektronenmicroscopie onthulden hoe de reactiviteit van specifieke facetten in vloeibare omgevingen de vormtransformaties van halfgeleiders op nanoschaal beheersten.

Optimaliseren van vloeistofceltransmissie-elektronenmicroscopie (LCTEM)

Halfgeleider nanokristallen bevatten breed afstembare optische en elektrische eigenschappen die afhankelijk zijn van hun grootte en vorm voor een breed scala aan toepassingen. Materiaalwetenschappers hebben de reactiviteit van specifieke bulkkristalfacetten op groei- en etsreacties gekarakteriseerd om de meest willekeurige patronen te ontwikkelen in top-down bulkhalfgeleiderverwerking. De meerdere facetten van nanokristallen en hun reactiemechanisme maken ze interessant voor direct onderzoek. De thermodynamica van colloïdale nanokristallen kan de organisch-anorganische interfaces beïnvloeden die ze definiëren. Transmissie-elektronenmicroscopie met vloeibare cellen biedt de vereiste ruimte-tijdresolutie om dynamiek op nanoschaal te observeren, zoals het zelfassemblageproces. Het team plaatste daarom een ​​waterige zak met nanokristallen tussen de ultradunne koolstoflagen van twee transmissie-elektronenmicroscopieroosters en gebruikte tris (hydroxymethyl) aminomethaanhydrochloride (tris·HCl), een organisch molecuul om het etsen van gevoelige halfgeleider nanokristallen te reguleren.

Bestaand onderzoek naar LCTEM en nanokristallen is beperkt tot edelmetalen vanwege hun onvermogen om de chemische omgeving tijdens radiolyse te reguleren, waardoor reactieve materialen worden afgebroken. Recent onderzoek suggereert een mogelijkheid om nieuwe omgevingen voor LCTEM te ontwerpen, om etstrajecten van enkelvoudige deeltjes van reactieve nanokristallen te observeren. Tijdens de experimenten reguleerde het tris·HCl-additief het elektrochemische potentieel van het etsproces, en het team gebruikte kinetische modellering om de concentratie en het elektrochemische potentieel van de amineradicalen in de vloeibare cel te schatten.

Proof-of-concept

Als proof of concept verkregen de wetenschappers representatieve transmissie-elektronenmicroscopiebeelden van een loodselenide-nanokubus in vacuüm en verzamelden een tijdreeks van beelden tijdens laag-voor-laag etsen van loodselenide-nanokristallen. The outcome of LCTEM imaging showed the formation of a substance with higher image contrast around the lead selenide nanocrystals as a product of etching reactions, it appears that during the etching process, selenium oxidized and dispersed into the liquid to facilitate the formation of lead chloride, with chloride ions in the lead pocket. When compared to the cubic lattice of lead selenide, wurzite cadmium selenide featured an anisotropic lattice with alternating layers of cadmium and selenium atoms. During the growth of wurzite cadmium selenide nanocrystals, the surfactant ligands favorably bound to the cadmium regions to facilitate the fast growth of selenium regions.

Yan et al. presented the structure of cadmium selenide nanorods resolved via high-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy in vacuum. The scientists generated the images by collecting electrons scattered to high angles by atoms in the material to develop mass-thickness image contrast, where cadmium was brighter than selenium. The team similarly performed in situ etching experiments on arrow-shaped cadmium selenide nanorods.

In this way, Cheng Yan and colleagues used liquid cell electron microscopy (LCTEM) to show the possibility of directly examining the facet-dependent reactivity of colloidal nanocrystals at the nanoscale. The method offered real-time, continuous structural trajectories, in contrast to classical methods. Existing research had already highlighted the effect of the inclusion or removal of ligands on the self-assembly and etching of nanocrystals in LCTEM experiments.

The team showed how sensitive nanomaterials such as lead selenide can be studied using LCTEM and highlighted the inclusion of organic additives such as tris·HCl to regulate the radiolytic redox environment in liquid cell electron microscopy. Future studies can enable the potential to gain real-time information about the transformation of an array of functional nanostructures with increasing complexity using core/shell nanocrystals, as well as those assembled via inorganic-organic interfaces. + Verder verkennen

How gas nanobubbles accelerate solid-liquid-gas reactions

© 2022 Science X Network