Preparare punti quantici di semiconduttori a volte è più un'arte nera che una scienza. Ciò rappresenta un ostacolo a ulteriori progressi in Per esempio, creare celle solari o dispositivi di illuminazione migliori, dove i punti quantici offrono vantaggi unici che sarebbero particolarmente utili se potessero essere utilizzati come elementi costitutivi di base per la costruzione di architetture su nanoscala più grandi.

Andrew Greytak, un chimico al College of Arts and Sciences dell'Università della Carolina del Sud, sta guidando un team di ricerca che sta rendendo il processo di sintesi dei punti quantici molto più sistematico. Il suo gruppo ha appena pubblicato un articolo in Chimica dei materiali dettagliare un nuovo metodo efficace per purificare i nanocristalli di CdSe con proprietà superficiali ben definite.

Il loro processo utilizza la cromatografia a permeazione di gel (GPC) per separare i punti quantici dalle impurità delle piccole molecole, e il team è andato oltre nel caratterizzare i nanocristalli con una varietà di metodi analitici. Un confronto dei loro punti quantici purificati con quelli purificati con il metodo tradizionale di più cicli di solvatazione e precipitazione ha sottolineato l'utilità del nuovo metodo nella preparazione di nanocristalli semiconduttori uniformi altamente suscettibili di ulteriori manipolazioni sintetiche.

Punti quantici

punti quantici, che sono nanocristalli con diametri nell'intervallo di 5-10 nanometri, hanno proprietà ottiche e altre proprietà fisiche diverse da quelle dei cristalli più grandi. La dimensione ridotta consente loro di assorbire ed emettere colori diversi rispetto a quantità sfuse dello stesso composto a causa di effetti quantomeccanici; hanno anche rapporti superficie-volume molto grandi e possono essere sensibili ai trattamenti superficiali.

Il laboratorio di Greytak prepara tipicamente punti quantici in solventi idrofobici (come 1-ottadecene), quindi escono "ricoperti" con molecole idrofobe e si dissolvono facilmente in solventi non polari. "Il modo in cui funziona il processo, hai sempre una quantità significativa di materiale di partenza non reagito, solventi altobollenti e tensioattivi extra che sono importanti per la sintesi, " disse Greytak. "Ma una volta che la sintesi è completa, sono impurità che devono essere rimosse".

Il metodo storico della purificazione a punti quantici è costituito da cicli di solvatazione, precipitazioni (come con l'alcol), decantazione delle impurità e risolvazione. Sebbene il metodo sia in uso da circa 20 anni, ha un difetto fondamentale.

"Con il processo di precipitazione e ridissoluzione, in realtà non sta facendo la separazione in base alla dimensione della particella, lo fa in base alla solubilità, " disse Greytak. "Quindi se hai impurità che hanno qualità di solubilità simili a quelle della particella, non vengono rimossi".

Cromatografia a permeazione di gel

Greytak ha diretto la sua squadra, che includeva gli studenti laureati Yi Shen, Megan Gee e Rui Tan, nello sviluppo della GPC come alternativa altamente efficace. Una tecnica di esclusione delle dimensioni, La GPC separa le specie chimiche in base al peso molecolare ed è comunemente usata con le macromolecole.

Rispetto ai materiali preparati attraverso il processo di precipitazione e risolvazione, i punti quantici purificati con GPC avevano una stabilità molto migliore ad alta temperatura. Inoltre, una serie di misurazioni NMR assistite dal professore associato di ricerca USC Perry Pellechia ha indicato che il metodo GPC era molto più efficace nella rimozione di ligandi debolmente adsorbiti dalla superficie del punto quantico.

Portare avanti un processo sintetico

Il team ha ulteriormente esaminato l'idoneità dei punti quantici per ulteriori manipolazioni sintetiche. Ancora, i prodotti purificati con GPC erano superiori, sia nella crescita del guscio di CdS su punti quantici di CdSe sia nello scambio di ligandi della cisteina su punti quantici di CdSe/CdxZn1-xS.

Greytak vede il metodo come un fondamentale passo avanti per poter manipolare ulteriormente i punti quantici, sia nella costruzione di architetture più grandi che nell'affermare il controllo su come i colloidi nanocristallini si comportano in soluzione.

"Ci piace dire che stiamo sviluppando un sequenziale, chimica preparativa per nanocristalli semiconduttori, " disse Greytak. "Nella maggior parte della chimica sintetica, hai un materiale di partenza, fai una reazione, e si procede attraverso una serie di intermedi con strutture ben definite che possono essere isolate. Per un nanomateriale, è molto più difficile, perché non stiamo facendo molecole, stiamo creando una popolazione di particelle che ha, diciamo, raggio di due nanometri. Non sono tutti identici, e ottenere un prodotto coerente è stato impegnativo, sia in termini di come isolarlo e caratterizzarlo.

"Quindi stiamo davvero lavorando per essere in grado di caratterizzare un campione, insieme a, diciamo NMR e analisi termogravimetrica, ed essere in grado di prevedere davvero con sicurezza come reagirà in una fase successiva".