Het team, onder leiding van professor Jiwoong Yang van de afdeling Energietechniek van DGIST, en in samenwerking met het team onder leiding van professor Jungwon Park van de School of Chemical and Biological Engineering van de Seoul National University, bepaalde de door vocht (water) geïnduceerde degradatiemechanisme van halfgeleider nanokristallen kwantumdots.

Het gezamenlijke onderzoeksteam ontwikkelde het beeldvormingsplatform van de volgende generatie voor in-situ vloeistoffase-transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), dat kan worden gebruikt om de reactietussenproducten en reactiepaden van atomaire eenheden die in het afbraakproces bestaan ​​bloot te leggen, en daarmee een stap verder te gaan dichter bij de commercialisering van nanokristallen kwantumdots.

Halfgeleider nanokristal-kwantumdots vinden uitgebreide toepassingen op diverse gebieden, zoals bio-imaging, opto-elektronische apparaten en katalysatoren vanwege hun gunstige kenmerken, waaronder grootte- en vormafhankelijke bandafstanden, hoge lampefficiëntie en smalle volledige breedte op half maximum. Ze vertonen echter ook nadelen, zoals verminderde stabiliteit bij blootstelling aan vocht en zuurstof in vergelijking met bulkhalfgeleiderkristallen.

Als gevolg hiervan zijn er talloze onderzoeken gaande om halfgeleider nanokristallen kwantumdots te creëren met verbeterde stabiliteit tegen de impact van vocht en zuurstof. Niettemin staat het ontwikkelingsproces voor uitdagingen omdat het specifieke ‘degradatie’-mechanisme, dat verslechtering van hun eigenschappen veroorzaakt als gevolg van externe factoren, niet volledig is verklaard.

Er zijn onderzoeken uitgevoerd met behulp van spectrometrie, röntgenverstrooiing en diffractieanalyse om het afbraakmechanisme te identificeren; Deze methoden konden echter alleen de veranderingen in de optische en fysische eigenschappen van nanokristallen in het door vocht geïnduceerde afbraakproces identificeren, en leverden slechts gemiddelde informatie op over structurele veranderingen.

Bovendien zijn er beperkingen bij het onthullen van het bestaan ​​van verschillende reactiepatronen en tussenproducten van atomaire eenheden die in individuele nanodeeltjes kunnen voorkomen, omdat het moeilijk is om het structurele veranderingsmechanisme van individuele nanokristallen te bepalen.

Dienovereenkomstig bedacht het team van professor Jiwoong Yang bij DGIST een methode met behulp van in-situ vloeibare fase TEM, waardoor het reactieproces van individuele nanodeeltjes in realtime kan worden waargenomen. In het bijzonder waren vloeibare cellen nodig die in staat waren tot zowel reactiecontrole als real-time beeldvorming met ultrahoge resolutie om het door vocht geïnduceerde degradatiemechanisme te identificeren.

Voor dit doel ontwikkelde het team ‘op grafeen gebaseerde vloeibare cellen van de volgende generatie’ die beide functies bezitten. Deze vloeistofcellen van de volgende generatie zijn ontworpen om het mengsel van twee verschillende vloeistoffen te regelen via extreem dunne grafeenmembranen.

Bovendien werd onderzoek uitgevoerd om het afbraakmechanisme te onthullen met behulp van "cadmiumsulfide (CdS)", een bekende kristallisatiemethode voor nanokristalkwantumdots. Uit de resultaten bleek dat halfgeleider nanokristallen van "cadmiumsulfide (CdS)" ontbonden worden door de vorming van amorfe tussenproducten bestaande uit Cd(OH)x tijdens het afbraakproces.

Bovendien leidt de aanwezigheid van dit amorfe tussenproduct tot een onregelmatig gevormde kristaloppervlaktestructuur in het midden van de reactie, wat anders is dan het eerder bestudeerde afbraakmechanisme van metalen nanokristallen. Dit bevestigde het belang van het beschermen van het oppervlak van halfgeleider nanokristallen, aangezien de door vocht veroorzaakte structurele afbraak van halfgeleider nanokristallen onomkeerbaar is en vanaf het oppervlak begint.

"Door vocht veroorzaakte degradatie is een sleutelfactor geweest die problemen veroorzaakte bij het commercialiseren van halfgeleider nanokristallen kwantumdots", aldus DGIST-professor Jiwoong Yang. "Het degradatiemechanisme dat in deze studie wordt onthuld, zal naar verwachting aanzienlijk bijdragen aan de toekomstige ontwikkeling van kwantummaterialen."

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Meer informatie: Hyeonjong Ma et al., Door vocht geïnduceerde degradatie van halfgeleider nanokristallen van kwantumformaat door amorfe tussenproducten, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c03103

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door DGIST (Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie)