Il team, guidato dal professor Jiwoong Yang del Dipartimento di ingegneria energetica del DGIST, e in collaborazione con il team guidato dal professor Jungwon Park della Scuola di ingegneria chimica e biologica dell'Università nazionale di Seoul, ha determinato l'umidità (acqua) indotta meccanismo di degradazione dei punti quantici di nanocristalli semiconduttori.
Il team di ricerca congiunto ha sviluppato la piattaforma di imaging di nuova generazione per la microscopia elettronica a trasmissione in fase liquida (TEM) in situ, che può essere utilizzata per rivelare gli intermedi di reazione e i percorsi di reazione delle unità atomiche che esistono nel processo di degradazione, facendo così un passo avanti più vicino alla commercializzazione dei punti quantici di nanocristalli.
I punti quantici di nanocristalli semiconduttori trovano ampie applicazioni in diversi campi come bioimaging, dispositivi optoelettronici e catalizzatori grazie alle loro caratteristiche vantaggiose, tra cui band gap dipendenti dalle dimensioni e dalla forma, elevata efficienza della lampada e larghezza completa ridotta a metà massimo. Tuttavia, presentano anche degli svantaggi, come una ridotta stabilità quando esposti all'umidità e all'ossigeno rispetto ai cristalli semiconduttori sfusi.
Di conseguenza, sono in corso numerosi studi per creare punti quantici di nanocristalli semiconduttori con maggiore stabilità contro l’impatto di umidità e ossigeno. Tuttavia, il processo di sviluppo deve affrontare delle sfide perché lo specifico meccanismo di "degradazione", che provoca il deterioramento delle loro proprietà a causa di fattori esterni, non è stato completamente spiegato.
Sono stati condotti studi utilizzando la spettrometria, la diffusione dei raggi X e l'analisi di diffrazione per identificare il meccanismo di degradazione; tuttavia, questi metodi potrebbero solo identificare i cambiamenti nelle proprietà ottiche e fisiche dei nanocristalli nel processo di degradazione indotto dall'umidità, fornendo solo informazioni medie sui cambiamenti strutturali.
Inoltre, ci sono limitazioni nel rivelare l'esistenza di vari modelli di reazione delle unità atomiche e intermedi di reazione che possono verificarsi nelle singole nanoparticelle, poiché è difficile determinare il meccanismo di cambiamento strutturale dei singoli nanocristalli.
Di conseguenza, il team del professor Jiwoong Yang presso il DGIST ha ideato un metodo che utilizza il TEM in fase liquida in situ, consentendo l'osservazione del processo di reazione delle singole nanoparticelle in tempo reale. In particolare, per identificare il meccanismo di degradazione indotto dall'umidità erano necessarie celle liquide capaci sia di controllo della reazione che di imaging ad altissima risoluzione in tempo reale.
A questo scopo, il team ha sviluppato “celle liquide di nuova generazione a base di grafene” che possiedono entrambe le funzioni. Queste celle liquide di nuova generazione sono progettate per controllare la miscela di due liquidi diversi attraverso membrane di grafene estremamente sottili.
Inoltre, è stata condotta una ricerca per rivelare il meccanismo di degradazione utilizzando il "solfuro di cadmio (CdS)", che è un noto metodo di cristallizzazione per punti quantici di nanocristalli. I risultati hanno rivelato che i nanocristalli semiconduttori di "solfuro di cadmio (CdS)" subiscono la decomposizione formando intermedi amorfi costituiti da Cd(OH)x durante il processo di degradazione.
Inoltre, la presenza di questo intermedio amorfo porta ad una struttura superficiale cristallina di forma irregolare al centro della reazione, che è diversa dal meccanismo di degradazione dei nanocristalli metallici precedentemente studiato. Ciò ha confermato l'importanza di proteggere la superficie dei nanocristalli semiconduttori, poiché la degradazione strutturale indotta dall'umidità dei nanocristalli semiconduttori è irreversibile e inizia dalla superficie.
"Il degrado indotto dall'umidità è stato un fattore chiave che ha causato difficoltà nella commercializzazione dei punti quantici di nanocristalli semiconduttori", ha affermato il professor Jiwoong Yang del DGIST. "Si prevede che il meccanismo di degradazione rivelato in questo studio contribuirà in modo significativo al futuro sviluppo di materiali quantistici."
L'articolo è pubblicato sulla rivista ACS Nano .
Ulteriori informazioni: Hyeonjong Ma et al, Degradazione indotta dall'umidità di nanocristalli di semiconduttori di dimensioni quantistiche attraverso intermedi amorfi, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c03103
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito da DGIST (Istituto di scienza e tecnologia Daegu Gyeongbuk)
