Name: Synthèse ensemencée de nanocristaux de bâtonnets et de tétrapodes CdSe/CdS (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-11T13:15:00.000+00:00
Duration: 12 min 56 s
Description: Découvrez la synthèse ensemencée de nanocristaux CdSe/CdS en forme de bâtonnets et de tétrapodes. Cette méthode permet un contrôle précis de la morphologie des nanostructures pour des applications en nanotechnologie.

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Ce travail a été soutenu par le programme de chimie physique des nanostructures inorganiques, KC3103, directeur, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, du département de l’Énergie des États-Unis, sous le contrat DE-AC02-05CH11231. Le Center for Nanoscale Materials de l’Argonne National Laboratory est soutenu par une installation d’utilisateurs du ministère américain de l’Énergie, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences sous le contrat n°. DE-AC02-06CH11357. K.M. et B.J.B. remercient le ministère de l’Énergie pour son soutien au titre du programme de bourses d’études supérieures de l’Office of Science du ministère de l’Énergie (DOE SCGF), rendu possible en partie par l’American Recovery and Reinvestment Act de 2009 et administré par ORISE-ORAU dans le cadre du contrat no. DE-AC05-06OR23100.

<ol><li>Talapin, D. V., Lee, J. -S., Kovalenko, M. V., Shevchenko, E. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Propects+of+Colloidal+Nanoscrystals+for+Electronic+and+Optoelectronic+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Propects of Colloidal Nanoscrystals for Electronic and Optoelectronic Applications.</a> Chem. Rev. 110, 389-458 (2010).</li>
<li>Hines, M. A., Guyot-Sionnest, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+Characterization+of+Strongly+Luminescing+ZnS-Capped+CdSe+Nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Synthesis and Characterization of Strongly Luminescing ZnS-Capped CdSe Nanocrystals.</a> J. Phys. Chem. 100, 468-471 (1996).</li>
<li>Peng, X., Schlamp, M. C., Kadavanich, A., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epitaxial+Growth+of+Highly+Luminescent+CdSe%2FCdS+Core%2FShell+Nanocrystals+with+Photostability+and+Electronic+Accessibility%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Epitaxial Growth of Highly Luminescent CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals with Photostability and Electronic Accessibility.</a> J. Am. Chem. Soc. 119, 7019-7029 (1997).</li>
<li>Talapin, D. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+Emissive+Colloidal+CdSe%2FCdS+Heterostructures+of+Mixed+Dimensionality.%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Highly Emissive Colloidal CdSe/CdS Heterostructures of Mixed Dimensionality.</a> Nano Lett. 3, 1677-1681 (2003).</li>
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<li>Talapin, D. V., Nelson, J. H., Shevchenko, E. V., Aloni, S., Sadtler, B., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Seeded+Growth+of+Highly+Luminscent+CdSe%2FCdS+Nanoheterostructures+with+Rod+and+Tetrapod+Morphologies%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Seeded Growth of Highly Luminscent CdSe/CdS Nanoheterostructures with Rod and Tetrapod Morphologies.</a> Nano Lett. 7, 2951-2959 (2007).</li>
<li>Dabbousi, B. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%28CdSe%29ZnS+Core-Shell+Quantum+Dots%3A+Synthesis+and+Characterization+of+a+Size+Series+of+Highly+Luminescent+Nanocrystallites%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+B%22%5BJournal%5D)">(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites.</a> J. Phys. Chem. B. 101, 9463-9475 (1997).</li>
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<li>Carbone, L., Cozzoli, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+Heterostructured+Nanocrystals%3A+Synthesis+and+Growth+Mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotoday%22%5BJournal%5D)">Colloidal Heterostructured Nanocrystals: Synthesis and Growth Mechanisms.</a> Nanotoday. 5, 449-493 (2010).</li>
<li>Baumgardner, W. J., Quan, Z., Fang, J., Hanrath, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Timing+Matters%3A+The+Underappreciated+Role+of+Temperature+Ramp+Rate+for+Shape+Control+and+Reproducibility+of+Quantum+Dot+Synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Timing Matters: The Underappreciated Role of Temperature Ramp Rate for Shape Control and Reproducibility of Quantum Dot Synthesis.</a> Nanoscale. 4, 3625-3528 (2012).</li>
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<li>Steckel, J. S., Yen, B. K. H., Oertel, D. C., Bawendi, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+Mechanism+of+Lead+Chalcogenide+Nanocrystal+Formation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">On the Mechanism of Lead Chalcogenide Nanocrystal Formation.</a> J. Am. Chem. Soc. 128, 13031-13033 (2006).</li>
<li>Wang, F., Tang, R., Buhro, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Trouble+with+TOPO%3B+Identification+of+Adventitious+Impurities+Beneficial+to+the+Growth+of+Cadmium+Selenide+Quantum+Dots%2C+Rods%2C+and+Wires%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">The Trouble with TOPO; Identification of Adventitious Impurities Beneficial to the Growth of Cadmium Selenide Quantum Dots, Rods, and Wires.</a> Nano Lett. 8, 3521-3524 (2008).</li>
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<li>Yu, W. W., Qu, L., Guo, W., Peng, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+Determination+of+the+Extinction+Coefficient+of+CdTe%2C+CdSe%2C+and+CdS+Nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Experimental Determination of the Extinction Coefficient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals.</a> Chem. Mater. 15, 2854-2860 (2003).</li>
<li>Chen, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+Metal-Selenide+Nanocrystals+Using+Selenium+Dioxide+as+the+Selenium+Precursor%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Synthesis of Metal-Selenide Nanocrystals Using Selenium Dioxide as the Selenium Precursor.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 47, 8638-8641 (2008).</li>
<li>Huang, J., Kovalenko, M. V., Talapin, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alkyl+Chains+of+Surface+Ligands+Affect+Polytypism+of+CdSe+Nanocrystals+and+Play+an+Important+Role+in+the+Synthesis+of+Anisotropic+Nanoheterostructures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Alkyl Chains of Surface Ligands Affect Polytypism of CdSe Nanocrystals and Play an Important Role in the Synthesis of Anisotropic Nanoheterostructures.</a> J. Am. Chem. Soc. 132, 15866-15868 (2010).</li>
<li>Čapek, R. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+Properties+of+Zincblende+Cadmium+Selenide+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Optical Properties of Zincblende Cadmium Selenide Quantum Dots.</a> J. Phys. Chem. C. 114, 6371-6376 (2010).</li>
<li>Qu, L., Peng, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+Photoluminescence+Properties+of+CdSe+Nanocrystals+in%5BTitle%5D)+AND+%22Growth.+J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Control of Photoluminescence Properties of CdSe Nanocrystals in.</a> Growth. J. Am. Chem. Soc. 124, 2049-2055 (2002).</li>
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<li>Sitt, A., Sala, F. D., Menagen, G., Banin, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiexciton+Engineering+in+Seeded+Core%2FShell+Nanorods%3A+Transfer+from+Type-I+to+Quasi-type-II+Regimes%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Multiexciton Engineering in Seeded Core/Shell Nanorods: Transfer from Type-I to Quasi-type-II Regimes.</a> Nano Lett. 9, 3470-3476 (2009).</li>
</ol>

Nous n’avons rien à divulguer.

Les spectres optiques des germes w-CdSe et zb-CdSe présentent une absorption excitonique nette (Figures 1a et 1b) car les germes sont fortement monodisperses ; l'énergie du premier exciton correspond à des diamètres de 3,3 nm et 3,6 nm pour les germes w-CdSe et zb-CdSe, respectivement. Les germes présentent également une forte photoluminescence, avec des rendements quantiques variant approximativement entre 3 et 30 %, selon la méthode de préparation de l'échantillon ; par exemple, un nombre plus élevé d'étapes de purification tend à éliminer les ligands de surface et conduit à des rendements quantiques plus faibles6. La faible largeur à mi-hauteur du pic de photoluminescence (31 nm et 33 nm pour les nanocristaux w-CdSe et zb-CdSe, respectivement) est compatible avec des distributions de taille de 5 à 10 %21.
Les diagrammes de diffraction des rayons X recueillis pour les germes (Figures 1c et 1d) confirment qu'ils correspondent à la phase souhaitée. La phase wurtzite présente des réflexions nettes à 41,1° et 53,8°, absentes dans la phase cubique de type blende de zinc. L'élargissement des pics résulte de l'élargissement de Scherrer dû à la taille finie des cristaux.
Les différences de structure cristalline des germes de CdSe conduisent à des morphologies radicalement différentes de l'hétérostructure finale (Figures 2a et 2b)6. Le w-CdS nucléise et croît à partir des faces (001) et (00<img fo:content-width="0.07in" src="/files/ftp_upload/50731/50731bar.jpg" alt="Schéma de notation des nombres complexes avec le symbole de l'unité imaginaire, illustré par la surligne \( \bar{1} \)." data-altupdatedat="1787630408000">) du w-CdSe, conduisant à une particule finale en forme de bâtonnet en raison d'une croissance uniaxiale. En revanche, le w-CdS nucléise et croît à partir des faces {111} du zb-CdSe. Parmi les huit faces {111}, quatre présentent un degré de saturation coordinative inférieur à celui des autres ; par conséquent, on observe une croissance plus rapide du w-CdS à partir de ces quatre faces, ce qui conduit à une morphologie tétrapodique22. Les bâtonnets et tétrapodes obtenus à partir de germes présentent une forte cristallinité, correspondant au CdS wurtzite, comme confirmé par la DRX (Figures 2c et 2d).
Étant donné que la partie CdS des hétérostructures est beaucoup plus grande par rapport à la graine CdSe, l'absorption due aux graines représente un faible pourcentage de l'absorption totale. En conséquence, les hétérostructures absorbent faiblement aux longueurs d'onde supérieures à 500 nm, où la majeure partie de l'absorption est attribuable à la graine CdSe (Figures 2e et 2f). Aux longueurs d'onde inférieures à 500 nm, l'absorption est fortement augmentée, car le CdS, dont la bande interdite est plus large, commence à absorber de manière significative. Les coefficients d'extinction des graines sont de l'ordre de 105 M-1cm-1, tandis que les bâtonnets et les tétrapodes présentent des coefficients d'extinction nettement plus élevés6, respectivement de 107 M-1cm-1 et 108 M-1cm-1. Pour les bâtonnets et les tétrapodes, la première transition excitonique des hétérostructures est décalée vers le rouge par rapport aux graines nues (Figures 2e et 2f), car les électrons et les trous sont répartis sur une particule plus grande.
En fonction de la taille particulière des composants de l'hétérostructure et de la structure de bandes qui en résulte, le trou a tendance à être partiellement confiné dans la graine, tandis que l'électron est plus libre de se déplacer dans l'ensemble de la particule23. Par conséquent, la recombinaison se produit loin de la surface de la particule, conduisant à des rendements quantiques supérieurs à 75 % pour les bâtonnets et compris entre 35 et 70 % pour les tétrapodes, des valeurs nettement plus élevées que celles des graines de CdSe nues6. De plus, le passivage inorganique apporté par le CdS sur les graines de CdSe confère une stabilité environnementale accrue.
Nous avons démontré une méthode permettant de contrôler la morphologie finale d'une hétérostructure à l'échelle nanométrique en maîtrisant la structure cristalline de la graine. Cette même approche de croissance à partir de germes a déjà été appliquée à un large éventail de structures, et nous prévoyons que les types d'hétérostructures pouvant être synthétisés par cette méthode continueront de s'étendre.

La synthèse de nanostructures multicomposants s’est développée rapidement au cours des dernières années1. Une gamme de nanohétérostructures semi-conductrices II-VI a été synthétisée, y compris des particules sphériques de noyau-coquille2,3, des nanotiges ensemencées4,5 et destétrapodes épis. Ces hétérostructures permettent une manipulation sophistiquée des photons et des porteurs à l’échelle nanométrique et présentent de nombreux phénomènes intéressants, notamment des coefficients d’extinction extrêmement élevés, une émission polarisée4 et des rendements quantiques élevés2,7.
La synthèse de nanostructures multicomposants nécessite un contrôle précis de la composition, de la phase, de la forme, de la taille et de la connectivité de chaque composant. Le contrôle de ces divers facteurs repose en grande partie sur la capacité à moduler indépendamment le taux de nucléation et de croissance8,9,10. Une stratégie pour obtenir un contrôle indépendant de la nucléation et de la croissance consiste à séparer ces deux processus en étapes synthétiques distinctes. Ici, nous montrerons comment de petites graines de CdSe générées dans des conditions de réaction optimisées pour la nucléation et la croissance de nanocristaux sphériques peuvent ensuite être transférées dans un second flacon où la croissance de CdS se produit dans des conditions de réaction optimisées pour la croissance anisotrope de bras en forme de bâtonnet6. En ajustant la structure cristalline de la graine de CdSe de la wurtzite à la zincblende, nous démontrerons comment la morphologie des hétérostructures CdSe/CdS cultivées dans des conditions similaires peut être modifiée d’un nanobâtonnet à un tétrapode, mettant en évidence le contrôle précis de la phase, de la forme et de la taille offert par les méthodes de synthèse de nanoparticules de pointe. Les nanostructures des chalcogénures de cadmium ont servi de système modèle utile pour le développement de nouvelles techniques de synthèse, car ce système matériel a été intensivement exploré ; Bien que la synthèse d’une nanostructure particulière soit montrée dans ce protocole vidéo, les mêmes techniques sont applicables à la synthèse de nombreuses autres nanostructures.
Il a été démontré que de petites différences dans les techniques et les réactifs utilisés dans les synthèses de nanoparticules créent des différences spectaculaires dans le produit final. Par exemple, il a été démontré que le taux de rampe de température11 et les impuretés12-14 présentes lors de la synthèse ont un impact considérable sur la taille et la forme des nanocristaux. Avec l’identification des facteurs spécifiques auxquels les procédures de synthèse sont très sensibles, la reproductibilité des synthèses de nanocristaux continue de s’améliorer. Ce protocole vidéo détaillé est destiné à aider les nouveaux praticiens dans le domaine à éviter de nombreux pièges courants associés à la synthèse de nanoparticules.

<table><tbody><tr><td>Hydroxyde de sodium, 98 %</td><td>Fisher</td><td>BP359</td><td></td></tr><tr><td>Acide myristique, 99 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M3128</td><td></td></tr><tr><td>Méthanol, 99,8 %</td><td>Fisher</td><td>A412</td><td></td></tr><tr><td>Nitrate de cadmium tétrahydraté, 99 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>20911</td><td>Oxyde</td></tr><tr><td>de cadmium (CdO) hautement toxique, 99,99 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>202894</td><td>Hautement toxique</td></tr><tr><td>1- Octadécène (ODE), 90 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>O806</td><td></td></tr><tr><td>Sélénium (Se), 100 mesh, 99,99 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>229865</td><td></td></tr><tr><td>Tri-n-octylphosphine (TOP), 97 %</td> <td>Strem</td><td>15-6655</td> Soufre <td>sensible à l’air</td></tr><tr><td>(S), 99,9995 %</td> <td>Alfa Aesar</td><td>10343</td><td></td></tr><tr><td>Oxyde de trioctylphosphine (TOPO), 99 %</td> <td>Strem</td><td>15-6661</td><td></td></tr><tr><td>Acide N-octadécylphosphonique (ODPA), 99 %</td> <td>Synthèse PCI</td><td>104224</td><td></td></tr><tr><td>méthanol anhydre, 99,8 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>322415</td><td></td></tr><tr><td>toluène anhydre, 99,8 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>244511</td><td></td></tr><tr><td>Chloroforme, anhydre, 99 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>288306</td><td></td></tr><tr><td>acétone, 99,9 %</td> <td>Fisher</td><td>A949</td><td>Séchage sur tamis</td></tr> <tr>4 pouces<td>Hexane, anhydre, 95 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>296090</td><td></td></tr><tr><td>2-Propanol, anhydre, 99,5 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>278475</td><td></td></tr><tr><td>dioxyde de sélénium, 99,999 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>204315</td><td></td></tr><tr><td>Acide oléique, 90 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>364525</td><td>Oleylamine de qualité technique</td></tr><tr><td>, 70 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>O7805</td> de <td>qualité technique</td></tr><tr><td>Acide propylphosphonique (PPA), 95 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>305685</td><td></td></tr> éthanol <tr><td>anhydre, 99,5 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>459836</td><td></td></tr><tr><td>octylamine, 99 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>O5802</td><td></td></tr></tbody></table>

synthèse ensemencée de nanocristaux de bâtonnets et de tétrapodes cdse/cds

Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals

Nous démontrons une méthode de synthèse de nanostructures multicomposants composées de CdS et de CdSe avec des morphologies de bâtonnets et de tétrapodes. Une stratégie de synthèse par ensemencement est utilisée dans laquelle les graines sphériques de CdSe sont d’abord préparées à l’aide d’une technique d’injection à chaud. En contrôlant la structure cristalline de la graine pour qu’elle soit de la wurtzite ou de la zincblende, la croissance ultérieure par injection à chaud de CdS à partir de la graine donne lieu à un nanocristal en forme de bâtonnet ou de tétrapode, respectivement. La phase et la morphologie des nanocristaux synthétisés sont confirmées par diffraction des rayons X et microscopie électronique à transmission, démontrant que les nanocristaux sont purs en phase et ont une morphologie cohérente. Le coefficient d’extinction et le rendement quantique des nanocristaux synthétisés sont calculés à l’aide de la spectroscopie d’absorption UV-Vis et de la spectroscopie de photoluminescence. Les bâtonnets et les tétrapodes présentent des coefficients d’extinction et des rendements quantiques supérieurs à ceux des graines nues. Cette synthèse démontre l’arrangement précis des matériaux qui peut être réalisé à l’échelle nanométrique en utilisant une approche synthétique ensemencée.

Des spectres d'absorption, des spectres de photoluminescence (PL), des clichés de diffraction de rayons X (XRD) et des images de microscopie électronique en transmission (TEM) ont été obtenus pour les germes (Figure 1) et les hétérostructures finales (Figure 2). Les spectres d'absorption et de PL sont utilisés pour calculer le coefficient d'extinction et le rendement quantique des nanostructures. La XRD et la TEM sont utilisées pour déterminer la phase et la morphologie des nanostructures.
<img alt="Points quantiques de CdSe ; spectres UV-vis et PL ; motifs de XRD ; analyse des nanocristaux ; propriétés optiques." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50731/50731fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50731/50731fig1.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
Figure 1. Graines de nanocristaux de CdSe aux structures cristallines wurtzite et blende de zinc. (a, b) Spectres d'absorption (noir) et de photoluminescence (rouge) avec, en insert, les images de microscopie électronique en transmission (TEM) des nanocristaux de CdSe wurtzite et blende de zinc, respectivement. (c, d) Motifs de diffraction des rayons X des nanocristaux de CdSe wurtzite et blende de zinc, les profils théoriques des matériaux massifs correspondants étant indiqués à titre de référence. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50731/50731fig1highres.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir l'image en taille plus grande</a>.
<img alt="Analyse en MET, XRD et spectrale de nanostructures ; tiges/étoiles de CdS ; émission de photoluminescence." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50731/50731fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50731/50731fig2.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
Figure 2. Hétérostructures greffées CdSe/CdS présentant des morphologies de tiges et de tétrapodes. (a, b)  Images de MET des nanotiges CdSe/CdS et des tétrapodes CdSe/CdS, respectivement. (c, d) Profils de diffraction XRD des nanotiges et des tétrapodes CdSe/CdS. Seules les réflexions provenant du CdS wurtzite sont apparentes. (e, f) Spectres d'absorption (noir) et de photoluminescence (PL, rouge) des nanotiges et des tétrapodes CdSe/CdS. La ligne verte montre les spectres d'absorption agrandis afin de mettre en évidence l'absorption due à la graine de CdSe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50731/50731fig2highres.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir l'image en taille plus grande</a>.

Un protocole pour la synthèse ensemencement de nanostructures multicomposants en forme de bâtonnet et de tétrapode composées de CdS et de CdSe est présenté.

Synthèse ensemencée de nanocristaux de bâtonnets et de tétrapodes CdSe/CdS

We demonstrate a method for the synthesis of multicomponent nanostructures consisting of CdS and CdSe with rod and tetrapod morphologies. A seeded ...

L'objectif général de l'expérience suivante est de démontrer la synthèse amorcée de nanostructures multifonctionnelles en forme de bâtonnets et de tétraèdres, composées de cadmium, de sulfure et de séléniure de cadmium. Cette synthèse est réalisée en préparant d'abord des précurseurs moléculaires réactifs. Dans un deuxième temps, les précurseurs moléculaires sont mis à réagir afin de former des germes de séléniure de cadmium ayant des structures cristallines de type wurtzite et de blende de zinc.Ensuite, les nanocristaux de séléniure de cadmium à structure en bâtonnets et en tétraèdres sont obtenus respectivement à partir de germes de sélénium et de zinc. Les résultats montrent que le choix de la structure cristalline du germe de séléniure de cadmium permet un contrôle précis de la morphologie finale de l'hétérostructure séléniure de cadmium-sulfure de cadmium. Aujourd'hui, il est possible de fabriquer des nanocristaux multifonctionnels en exerçant un contrôle indépendant sur la composition, la phase, la taille, la forme, voire la connectivité de chaque composant au sein du nanocristal.Pour y parvenir, nous devons séparer la nucléation de la croissance, ce qui est réalisé en effectuant la nucléation et la croissance en étapes synthétiques indépendantes et distinctes. La démonstration visuelle de cette méthode est utile, car de légères différences dans la technique peuvent avoir un impact important sur le produit final obtenu, notamment en identifiant les facteurs spécifiques auxquels la synthèse des nano-cristaux est très sensible. La reproductibilité de ces méthodes continue de s'améliorer.Plusieurs des produits chimiques utilisés dans cette synthèse sont fortement toxiques et cancérigènes. De plus, les nanomatériaux peuvent présenter d'autres dangers par rapport à leurs formes massives. Veuillez utiliser toutes les mesures de sécurité appropriées, y compris les dispositifs de protection collective et les équipements de protection individuelle adaptés.Consulter également la fiche de données de sécurité pertinente avant d'effectuer la synthèse. Avant de commencer cette procédure, préparer les précurseurs moléculaires, notamment le miroir de cadmium, l'octal d'état, la phosphine, le sélénure et le sulfure de tri Tal phosphine, comme décrit dans le protocole textuel suivant, qui combine 60 milligrammes d'oxyde de cadmium, 3,0 grammes d'oxyde de tri-octylphosphine et 280 milligrammes d'acide N-octa-désal phospho. Dans un ballon à fond rond de 25 millilitres, à trois cols, équipé d'un barreau d'agitation, d'une sonde thermocouple, d'un condenseur de reflux et d'un septum en caoutchouc.Dégazer le mélange à 150 degrés Celsius sous vide pendant une heure tout en agitant à 800 tr/min. Après le dégazage, placer la solution sous atmosphère d'argon et chauffer à 300 degrés Celsius jusqu'à ce qu'elle devienne une solution optiquement claire. Retirer le ballon du manteau chauffant et agiter délicatement la solution pour éliminer l'excès d'oxyde de cadmium des parois latérales du ballon.À la suite de cela, réchauffez à nouveau la solution jusqu'à ce qu'elle devienne optiquement claire. Ajoutez goutte à goutte 1,5 gramme de tris(o-tolyl)phosphine à la solution et augmentez la température jusqu'à 370 degrés Celsius. À l'aide d'une seringue munie d'une aiguille de calibre 14, ajoutez rapidement la solution de séléniure d'octadécylphosphine une solution au mélange réactionnel.Laisser la réaction se dérouler pendant la durée souhaitée, car la taille des nano-cristaux de séléniure de cadmium peut être ajustée en modulant le temps de réaction. Une fois la réaction terminée, retirer le chauffe-ballon et refroidir rapidement le ballon à l’aide d’un courant d’air comprimé.Ensuite, ajoutez 10 millilitres de méthanol anhydre à la solution. Lorsque la température descend en dessous de 60 degrés Celsius, transférez les nano-cristaux dans un flacon sous argon et centrifugez pendant 10 minutes. À l'issue de la centrifugation à 2 600 ×g, décantez le surnageant et redispersez le précipité.Dans du toluène anhydre. Ajouter du méthanol anhydre jusqu'à ce que la solution devienne trouble et centrifuger pendant 10 minutes à 2 600 G, décantation du surnageant et répétition de la procédure de nettoyage à l'hexane et à l'isopropanol. Après centrifugation, disperser le précipité nettoyé dans quelques millilitres de toluène anhydre. Ensuite, confirmer la structure cristalline des nano-cristaux de sélénure de cadmium par diffraction des rayons X.Ensuite, déterminez la concentration de la solution de séléniure de cadmium blanc. À l'aide de la spectroscopie d'absorption UV-visible, mélangez 0,17 gramme d'état miroir de cadmium et 37 millilitres d'octadécène dans un ballon rond de 50 millilitres à trois cols, muni d'un barreau d'agitation, d'une sonde thermocouple, d'un réfrigérant à reflux et d'un septum en caoutchouc.Débarrasser la solution de ses bulles d'air sous vide à 90 degrés Celsius pendant une heure, tout en agitant à 800 tr/min. Ensuite, refroidir la solution à température ambiante sous argon. Puis, retirer brièvement le septum en caoutchouc et ajouter 33 milligrammes de poudre de dioxyde de sélénium dans le ballon.Après avoir remplacé le septum, dégazer la solution sous vide à 50 degrés Celsius pendant 15 minutes tout en agitant à 800 tr/min. Après avoir placé la solution sous atmosphère d'argon, chauffer celle-ci à 240 degrés Celsius à une vitesse de rampe d'environ 10 degrés Celsius par minute. Lorsque la solution atteint 240 degrés Celsius, ajouter goutte à goutte une solution d'octadécène préalablement dégazée.Après 30 minutes, retirez le chauffage par mantle et laissez refroidir la solution à température ambiante. Une fois les particules nettoyées, confirmez la structure cristalline de type zinc blende des nanocristaux de séléniure de cadmium par diffraction des rayons X. Déterminez ensuite la concentration de la structure de type zinc blende.Solution de séléniure de cadmium utilisant la spectroscopie d'absorption UV-visible dans un ballon rond de 25 millilitres à trois cols, équipé d'un barreau d'agitation, d'une sonde thermocouple, d'un réfrigérant à reflux et d'un septum en caoutchouc. Ajouter 207 milligrammes d'oxyde de cadmium, 1,08 gramme d'acide phosphorique N-octa-décyl, 3,35 grammes de trioctylphosphine oxyde et 15 milligrammes d'acide propylphosphorique. Après dégazage et formation du complexe de la solution réactionnelle, placer celle-ci sous atmosphère d'argon et chauffer à 340 degrés Celsius.Ensuite, ajoutez par gouttes 1,5 gramme de tri-octylphosphine et laissez la température remonter à 340 degrés Celsius. À l’aide d’une seringue munie d’une aiguille de calibre 14, ajoutez rapidement 0,65 gramme de la solution de sulfure de tri-n-octylphosphine au mélange réactionnel. Après 20 secondes, ajoutez rapidement une solution de séléniure de cadmium de manière similaire.Régler la température de la réaction à 320 degrés Celsius. Après 10 minutes à 320 degrés Celsius, retirer le manteau chauffant pour laisser refroidir la solution. Ajouter ensuite environ 10 millilitres de toluène anhydre au flacon, lorsque la température est d'environ 100 degrés Celsius, afin d'éviter la solidification de l'oxyde de trioctylphosphine.Après avoir transféré la solution brute dans un flacon, purifiez les nanobâtonnets obtenus. Voir le protocole écrit pour les détails concernant la procédure de purification. Mélangez 207 milligrammes d'oxyde de cadmium, 1,08 gramme d'acide N-octa-décylphosphonique, 3,35 grammes de trioctylphosphine oxyde et 50 milligrammes d'acide propylphosphonique dans un ballon rond de 25 litres à trois cols, muni d'un barreau d'agitation, d'une sonde thermocouple, d'un condenseur de reflux et d'un septum en caoutchouc.Après avoir dégazé le mélange réactionnel et placé sous atmosphère d'argon, chauffez-le à 300 degrés Celsius. Lorsque la température atteint 300 degrés Celsius, ajoutez goutte à goutte 1,5 gramme de triphénylphosphine et laissez la température revenir à sa valeur initiale. Ensuite, ajoutez rapidement 0,65 gramme de sulfure d'octylphosphine au mélange réactionnel à l'aide d'une seringue munie d'une aiguille de calibre 14.Ajouter rapidement, après 40 secondes, un mélange de zinc, une solution de sélénide de cadmium de la même manière, puis élever la température de réaction à 315 degrés Celsius à raison d'un degré par minute. Après 20 minutes à 315 degrés Celsius, retirer le manchon chauffant pour refroidir la réaction. Ensuite, ajouter du toluène anhydre au flacon lorsque la température est d'environ 100 degrés Celsius afin d'éviter la solidification de l'oxyde de trioctylphosphine.Après avoir transféré la solution brute dans un tube à centrifuger, purifiez les tétraèdres semés. Consultez le protocole écrit pour obtenir des détails sur la procédure de purification. Une fois terminée, stockez les tétraèdres dans le toluène. Enfin, séparez les tétraèdres des nanobâtonnets indésirables en centrifugeant la solution de toluène à 12 000 G pendant 30 minutes.Après centrifugation, éliminer la couche supérieure de nanobâtonnets et dissoudre la couche inférieure de tétrapodes. Hoene illustré. Voici les spectres d'absorption et de photoluminescence du site en couches et des nanocristaux de sélénure de cadmium-zinc, respectivement.Ces spectres peuvent être utilisés pour calculer le coefficient d'extinction et le rendement quantique des nanostructures. Les encarts sont des images de microscopie électronique en transmission, des graines de nano-cristal de sélénide de cadmium, ainsi que des motifs de diffraction des rayons X des phases pures et des mélanges de zinc et de sélénide de cadmium. Les nano-cristaux sont représentés ici avec les motifs en ligne des matériaux massifs correspondants fournis à titre de référence ; la diffraction des rayons X et la microscopie électronique en transmission peuvent être utilisées pour déterminer la phase et la morphologie des nanostructures.La microscopie électronique en transmission, les images des nanobâtonnets de séléniure de cadmium, sulfure de cadmium et des tétrapodes de séléniure de cadmium sulfure de cadmium sont présentées ici. Les diagrammes de diffraction des rayons X des nanobâtonnets et des tétrapodes sont illustrés ici, et seules les réflexions provenant du sulfure de cadmium hexagonal sont apparentes. Les spectres d'absorption et de photoluminescence des nanobâtonnets de séléniure de cadmium sulfure de cadmium et des tétrapodes respectivement sont montrés ici.La ligne verte montre les spectres d'absorption agrandis afin de mettre en évidence l'absorption. En raison de la graine de séléniure de cadmium, nous avons démontré une méthode permettant d'ajuster la morphologie finale d'une nanostructure hétérogène. En contrôlant la structure cristalline des nanostructures de départ, les nanostructures de cadmium ont servi de système modèle utile pour le développement de nouvelles techniques de synthèse.Bien que cette vidéo protocole ait démontré la synthèse d'une nanostructure particulière, les mêmes techniques s'appliquent à une grande variété d'autres structures. La synthèse de nanocristaux a désormais progressé au point qu'il est possible de concevoir des structures complexes à des fins et des applications spécifiques. Si vous vous lancez dans une nouvelle synthèse de nanocristaux, n'oubliez pas de tenir compte de tous les dangers que vous pourriez rencontrer et de réaliser la synthèse en toute sécurité.

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