Se presenta un protocolo para la síntesis sembrada de nanoestructuras multicomponentes en forma de bastón y tetrápodo que consisten en CdS y CdSe.
Artículo de método
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Se presenta un protocolo para la síntesis sembrada de nanoestructuras multicomponentes en forma de bastón y tetrápodo que consisten en CdS y CdSe.
Demostramos un método para la síntesis de nanoestructuras multicomponentes consistentes en CdS y CdSe con morfologías de bastones y tetrápodos. Se utiliza una estrategia de síntesis sembrada en la que primero se preparan semillas esféricas de CdSe utilizando una técnica de inyección en caliente. Al controlar la estructura cristalina de la semilla para que sea wurtzita o zinc-blenda, el posterior crecimiento de inyección en caliente de CdS fuera de la semilla da como resultado un nanocristal en forma de bastón o en forma de tetrápodo, respectivamente. La fase y la morfología de los nanocristales sintetizados se confirman mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión, lo que demuestra que los nanocristales son puros en fase y tienen una morfología consistente. El coeficiente de extinción y el rendimiento cuántico de los nanocristales sintetizados se calculan mediante espectroscopía de absorción UV-Vis y espectroscopía de fotoluminiscencia. Los bacilos y tetrápodos exhiben coeficientes de extinción y rendimientos cuánticos que son superiores a los de las semillas desnudas. Esta síntesis demuestra la disposición precisa de los materiales que se puede lograr a nanoescala mediante el uso de un enfoque sintético sembrado.
La síntesis de nanoestructuras multicomponentes se ha desarrollado rápidamente en los últimos años1. Se ha sintetizado una gama de nanoheteroestructuras semiconductoras II-VI, incluidas las partículasesféricas 2,3 de la capa del núcleo, las nanovarillassembradas 4,5 y los tetrápodos sembrados6. Estas heteroestructuras permiten una manipulación sofisticada de fotones y portadores a nanoescala y exhiben muchos fenómenos interesantes, incluyendo coeficientes de extinción extremadamente altos, emisión polarizada4 y altos rendimientos cuánticos2,7.
La síntesis de nanoestructuras multicomponentes requiere un control preciso sobre la composición, la fase, la forma, el tamaño y la conectividad de cada componente. El control sobre estos diversos factores depende en gran medida de la capacidad de modular de forma independiente la tasa de nucleación y crecimiento8,9,10. Una estrategia para lograr un control independiente sobre la nucleación y el crecimiento es separar estos dos procesos en pasos sintéticos separados. Aquí, mostraremos cómo pequeñas semillas de CdSe generadas en condiciones de reacción optimizadas para la nucleación y el crecimiento de nanocristales esféricos pueden transferirse a un segundo matraz donde el crecimiento de CdS ocurre en condiciones de reacción optimizadas para el crecimiento anisotrópico de brazos en forma de bastoncillo6. Al ajustar la estructura cristalina de la semilla de CdSe de wurtzita a zinc-blenda, demostraremos cómo la morfología de las heteroestructuras de CdSe/CdS cultivadas en condiciones similares se puede cambiar de una nanovarilla a un tetrápodo, destacando el control preciso sobre la fase, la forma y el tamaño que ofrecen los métodos de síntesis de nanopartículas de última generación. Las nanoestructuras de los calcogenuros de cadmio han servido como un sistema-modelo útil para el desarrollo de nuevas técnicas sintéticas, ya que este sistema de materiales ha sido explorado intensamente; Aunque en este protocolo de vídeo se muestra la síntesis de una nanoestructura concreta, las mismas técnicas son aplicables a la síntesis de muchas otras nanoestructuras.
Se ha demostrado que pequeñas diferencias en las técnicas y reactivos empleados en la síntesis de nanopartículas crean diferencias dramáticas en el producto final. Por ejemplo, se ha demostrado que la tasa de rampa de temperatura11 y las impurezas12-14 presentes durante la síntesis tienen un impacto dramático en el tamaño y la forma de los nanocristales. Con la identificación de los factores específicos a los que los procedimientos sintéticos son altamente sensibles, la reproducibilidad de las síntesis de nanocristales continúa mejorando. Este detallado protocolo de vídeo pretende ayudar a los nuevos profesionales en el campo a evitar muchos errores comunes asociados con la síntesis de nanopartículas.
Consulte todas las hojas de datos de seguridad de materiales (MSDS) pertinentes antes del uso. Varios de los productos químicos utilizados en estas síntesis son agudamente tóxicos y carcinogénicos. Los nanomateriales pueden presentar peligros adicionales en comparación con sus contrapartes en estado masivo. Utilice todas las prácticas de seguridad adecuadas al realizar una reacción de nanocristales, incluido el uso de controles de ingeniería (campana extractora, caja de guantes) y equipo de protección personal (gafas de seguridad, guantes, bata de laboratorio, pantalones largos y calzado cerrado). Partes de los siguientes procedimientos implican técnicas estándar de manipulación libre de aire15.
1. Preparación de precursores moleculares
2. Síntesis de semillas de CdSe

3. Síntesis de heteroestructuras de CdSe/CdS
Se obtuvieron espectros de absorción, espectros de fotoluminiscencia (PL), patrones de difracción de rayos X (XRD) e imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para las semillas (Figure 1) y las heteroestructuras finales (Figure 2). Los espectros de absorción y PL se utilizan para calcular el coeficiente de extinción y el rendimiento cuántico de las nanoestructuras. La XRD y la TEM se emplean para determinar la fase y la morfología de las nanoestructuras.

Figura 1. Semillas de nanocristales de CdSe con estructuras cristalinas wurtzita y blenda de zinc. (a, b) Espectros de absorción (negro) y de PL (rojo) con imágenes insertadas de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de nanocristales de CdSe wurtzita y blenda de zinc, respectivamente. (c, d) Patrones de difracción de rayos X de nanocristales de CdSe wurtzita y blenda de zinc, con los patrones de líneas de los materiales masivos correspondientes proporcionados como referencia. Haga clic aquí para ver la imagen ampliada.

Figura 2. Heteroestructuras con semilla de CdSe/CdS con morfologías de varilla y tetrapodo. (a, b) Imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de nanovarillas de CdSe/CdS y tetrapodos de CdSe/CdS, respectivamente. (c, d) Patrones de difracción de rayos X (XRD) de nanovarillas y tetrapodos de CdSe/CdS. Solo son evidentes los reflejos del CdS wurtzita. (e, f) Espectros de absorción (negro) y de fotoluminiscencia (PL, rojo) de nanovarillas y tetrapodos de CdSe/CdS. La línea verde muestra los espectros de absorción ampliados para resaltar la absorción debida a la semilla de CdSe. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.
Los espectros ópticos de las semillas de w-CdSe y zb-CdSe presentan una absorción excitónica clara (Figuras 1a y 1b), ya que las semillas son altamente monodispersas; la energía del primer excitón corresponde a diámetros de 3,3 nm y 3,6 nm para w-CdSe y zb-CdSe, respectivamente. Las semillas también exhiben una fotoluminiscencia intensa, con rendimientos cuánticos que varían aproximadamente entre 3 y 30 %, dependiendo del método de preparación de la muestra; por ejemplo, un mayor número de pasos de limpieza tiende a eliminar los ligandos superficiales y conduce a rendimientos cuánticos más bajos6. El estrecho ancho a la mitad de la altura máxima del pico de PL (31 nm y 33 nm para las nanocristales de w-CdSe y zb-CdSe, respectivamente) es consistente con distribuciones de tamaño del 5-10 %21.
Los patrones de difracción de rayos X recopilados para las semillas (Figuras 1c y 1d) confirman que son de la fase deseada. La fase wurtzita presenta reflexiones claras a 41,1° y 53,8° que están ausentes en la fase blenda de zinc. El ensanchamiento del pico se origina por el ensanchamiento de Scherrer debido al tamaño finito del cristal.
Las diferencias en la estructura cristalina de las semillas de CdSe conducen a morfologías muy distintas en la heteroestructura final (Figuras 2a y 2b)6. El w-CdS se nuclea y crece a partir de las caras (001) y (00
) del w-CdSe, dando como resultado una partícula final con forma de varilla debido al crecimiento uniaxial. En contraste, el w-CdS se nuclea y crece a partir de las caras {111} del zb-CdSe. De las ocho caras {111}, cuatro presentan una saturación coordinativa menor que las otras; como resultado, observamos un crecimiento más rápido del w-CdS a partir de estas cuatro caras, lo que conduce a una morfología tetrapódica22. Las varillas y tetrapodos sembrados muestran una alta cristalinidad, correspondiente al CdS wurtzita, según se confirma mediante difracción de rayos X (XRD) (Figuras 2c y 2d).
Debido a que la porción de CdS de las heteroestructuras es mucho más grande en comparación con la semilla de CdSe, la absorción debida a las semillas representa un pequeño porcentaje de la absorción total. Como resultado, las heteroestructuras absorben débilmente a longitudes de onda superiores a 500 nm, donde la mayor parte de la absorción se debe a la semilla de CdSe (Figuras 2e y 2f). A longitudes de onda inferiores a 500 nm, la absorción se ve drásticamente aumentada, ya que el CdS, con un intervalo de banda más amplio, comienza a absorber significativamente. Los coeficientes de extinción para las semillas son del orden de 105 M-1cm-1, mientras que las varillas y los tetrapodos presentan coeficientes de extinción significativamente mayores6 de 107 M-1cm-1 y 108 M-1cm-1, respectivamente. Tanto para las varillas como para los tetrapodos, la primera transición excitónica de las heteroestructuras presenta un desplazamiento al rojo en comparación con las semillas desnudas (Figuras 2e y 2f), ya que los electrones y los huecos están distribuidos sobre una partícula más grande.
Dependiendo del tamaño particular de los componentes de la heteroestructura y de la estructura de bandas resultante, el hueco tiende a estar algo confinado en la semilla, mientras que el electrón tiene mayor libertad para moverse a lo largo de toda la partícula23. Como resultado, la recombinación ocurre lejos de la superficie de la partícula, lo que lleva a rendimientos cuánticos para las varillas superiores al 75 % y para los tetrapodos entre el 35 % y el 70 %, valores significativamente más altos que los de las semillas de CdSe desnudas6. Además, el pasivado inorgánico proporcionado por el CdS sobre las semillas de CdSe ofrece una mayor estabilidad ambiental.
Hemos demostrado un método para controlar la morfología final de una heteroestructura a escala nanométrica mediante el control de la estructura cristalina de la semilla. Este mismo enfoque de crecimiento dirigido por semillas ya se ha aplicado a una amplia variedad de estructuras, y esperamos que los tipos de heteroestructuras que pueden sintetizarse mediante este enfoque continúen expandiéndose.
No tenemos nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por el Programa de Química Física de Nanoestructuras Inorgánicas, KC3103, Director, Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Básicas de Energía, del Departamento de Energía de los Estados Unidos bajo el contrato DE-AC02-05CH11231. El Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne cuenta con el apoyo de una instalación de usuario del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Ciencias, la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía en virtud del Contrato No. DE-AC02-06CH11357. K.M. y B.J.B. agradecen el apoyo del Programa de Becas de Posgrado de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE SCGF), posible en parte por la Ley de Recuperación y Reinversión Estadounidense de 2009 y administrado por ORISE-ORAU bajo el contrato no. DE-AC05-06OR23100.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Hidróxido de sodio, 98% | Fisher | BP359 | |
| Ácido mirístico, 99% | Sigma Aldrich | M3128 | |
| Metanol, 99,8% | Fisher | A412 | |
| Nitrato de cadmio tetrahidratado, 99% | Sigma Aldrich | 20911 | Altamente tóxico |
| Óxido de cadmio (CdO), 99,99% | Sigma Aldrich | 202894 | Altamente tóxico |
| 1- Octadeceno (ODE), 90% | Sigma Aldrich | O806 | |
| Selenio (Se) de grado técnico, malla 100, 99.99% | Sigma Aldrich | 229865 | |
| Tri-n-octilfosfina (TOP), 97% | Strem | 15-6655 | |
| Azufre (S) sensible al aire, 99.9995% | Alfa Aesar | 10343 | |
| Óxido de trioctilfosfina (TOPO), 99% | Strem | 15-6661 | |
| Ácido N-octadecililfosfónico (ODPA), 99% | Síntesis de PCI | 104224 | |
| Metanol, anhidro, 99,8% | Sigma Aldrich | 322415 | |
| Tolueno, anhidro, 99,8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Cloroformo, anhidro, 99% | Sigma Aldrich | 288306 | |
| Acetona, 99,9% | Fisher | A949 | Secado sobre tamices |
| Hexano, anhidro, 95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| 2-Propanol, anhidro, 99.5% | Sigma Aldrich | 278475 | |
| Dióxido de selenio, 99.999% | Sigma Aldrich | 204315 | |
| Ácido oleico, 90% | Sigma Aldrich | 364525 | Grado técnico |
| Oleylamina, 70% | Sigma Aldrich | O7805 | Grado técnico |
| Ácido propilfosfónico (PPA), 95% | Sigma Aldrich | 305685 | |
| etanol, anhidro, 99,5% | Sigma Aldrich | 459836 | |
| Octilamina, 99% | Sigma Aldrich | O5802 |