מוצג פרוטוקול לסינתזה זרועה של ננו-מבנים רב-רכיביים בצורת מוט וצורת טטרפוד המורכבים מ-CdS ו-CdSe.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
מוצג פרוטוקול לסינתזה זרועה של ננו-מבנים רב-רכיביים בצורת מוט וצורת טטרפוד המורכבים מ-CdS ו-CdSe.
אנו מדגימים שיטה לסינתזה של ננו-מבנים רב-רכיביים המורכבים מ-CdS ו-CdSe עם מורפולוגיות מוט וטטרפוד. נעשה שימוש באסטרטגיית סינתזה זרעים שבה מכינים תחילה זרעים כדוריים של CdSe בטכניקת הזרקה חמה. על ידי שליטה במבנה הגביש של הזרע להיות וורציט או תערובת אבץ, הגידול בהזרקה חמה של CdS מהזרע מביא לננו-גביש בצורת מוט או בצורת טטרפוד, בהתאמה. הפאזה והמורפולוגיה של הננו-גבישים המסונתזים מאושרים באמצעות עקיפה של קרני רנטגן ומיקרוסקופ אלקטרונים הולכה, מה שמדגים כי הננו-גבישים טהורי פאזה ובעלי מורפולוגיה עקבית. מקדם ההכחדה והתפוקה הקוונטית של הננו-גבישים המסונתזים מחושבים באמצעות ספקטרוסקופיה של ספיגת UV-Vis וספקטרוסקופיה פוטו-לומינסנציה. המוטות והטטרפודים מציגים מקדמי הכחדה ותשואות קוונטיות גבוהות מזו של הזרעים החשופים. סינתזה זו מדגימה את הסידור המדויק של חומרים שניתן להשיג בקנה מידה ננומטרי על ידי שימוש בגישה סינתטית זרועה.
הסינתזה של ננו-מבנים רב-רכיביים התפתחה במהירות במהלך השנים האחרונות1. מגוון של ננו-מבני הטרו-מוליכים למחצה II-VI סונתזו, כולל חלקיקי מעטפת ליבה כדוריים2,3, ננו-מוטות זרעים4,5 וטטרפודים זרעים6. מבנים הטרו-מבנים אלה מאפשרים מניפולציה מתוחכמת של פוטונים ונשאים בקנה מידה ננומטרי ומציגים תופעות מעניינות רבות, כולל מקדמי הכחדה גבוהים במיוחד, פליטה מקוטבת4 ותשואות קוונטיות גבוהות2,7.
הסינתזה של ננו-מבנים מרובי רכיבים דורשת שליטה מדויקת על ההרכב, הפאזה, הצורה, הגודל והקישוריות של כל רכיב. השליטה על גורמים שונים אלה מסתמכת במידה רבה על היכולת לווסת באופן עצמאי את קצב ההתגרענות והצמיחה8,9,10. אסטרטגיה אחת להשגת שליטה עצמאית על גרעין וצמיחה היא להפריד את שני התהליכים הללו לשלבים סינתטיים נפרדים. כאן, נראה כיצד ניתן להעביר זרעים קטנים של CdSe שנוצרו בתנאי תגובה המותאמים להתגרענות וצמיחה של ננו-גבישים כדוריים לבקבוק שני שבו הגידול של CdS מתרחש בתנאי תגובה המותאמים לצמיחה אנזוטרופית של זרועות בצורת מוט6. על ידי כוונון המבנה הגבישי של זרע ה-CdSe מוורציט לבלנד אבץ, נדגים כיצד ניתן לשנות את המורפולוגיה של מבנים הטרוסקופיים של CdSe/CdS הגדלים בתנאים דומים מננו-רוד לטטרפוד, תוך הדגשת השליטה המדויקת על השלב, הצורה והגודל הניתנת על ידי שיטות סינתזה מתקדמות של ננו-חלקיקים. ננו-מבנים של כלקוגנידים קדמיום שימשו כמערכת מודל שימושית לפיתוח טכניקות סינתטיות חדשות, שכן מערכת חומרים זו נחקרה באופן אינטנסיבי; למרות שהסינתזה של ננו-מבנה מסוים מוצגת בפרוטוקול וידאו זה, אותן טכניקות ישימות לסינתזה של ננו-מבנים רבים אחרים.
הבדלים קטנים בטכניקות ובריאגנטים המשמשים בסינתזה של ננו-חלקיקים הוכחו כיוצרים הבדלים דרמטיים בתוצר הסופי. לדוגמה, קצב עליית הטמפרטורה11 וזיהומים12-14 הקיימים במהלך הסינתזה הוכחו כמשפיעים באופן דרמטי על הגודל והצורה של הננו-גבישים. עם זיהוי הגורמים הספציפיים אליהם ההליכים הסינתטיים רגישים מאוד, יכולת השחזור של סינתזות ננו-גבישים ממשיכה להשתפר. פרוטוקול וידאו מפורט זה נועד לעזור למתרגלים חדשים בתחום להימנע ממלכודות נפוצות רבות הקשורות לסינתזה של ננו-חלקיקים.
יש לעיין בכל גיליונות בטיחות החומרים (MSDS) הרלוונטיים לפני השימוש. חלק מהכימיקלים המשמשים בסינתזות אלו הם רעילים באופן חריף ומסרטנים. לחומרים ננומטריים עשויים להיות סיכונים נוספים בהשוואה למקביליהם במצב צבירה רגיל (bulk). יש להקפיד על כל נהלי הבטיחות המתאימים בעת ביצוע תגובת ננו-גבישים, כולל שימוש באמצעי בקרה הנדסיים (מsetUp של מנדף כימיים, תא כפפות) וציוד מגן אישי (משקפי בטיחות, כפפות, חלוק מעבדה, מכנסיים ארוכים ונעליים סגורות). חלק מהפרוטוקולים הבאים כוללים טכניקות סטנדרטיות לטיפול בתנאים נטולי אוויר15.
1. הכנת הפרקורסורים המולקולריים
2. סינתזה של גרעיני CdSe

3. סינתזה של הטרו-מבנים של CdSe/CdS
ספקטרומי בליעה, ספקטרומי פוטולומינצנציה (PL), תבניות עקיפת קרני רנטגן (XRD) ותמונות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) נאספו עבור הגרעינים (איור 1) ועבור ההטרוסטרוקטורות הסופיות (איור 2). ספקטרומי הבליעה וה-PL משמשים לחישוב מקדם הכיבוי והנצילות הקוונטית של הננו-מבנים. XRD ו-TEM משמשים לקביעת הפאזה והמורפולוגיה של הננו-מבנים.

איור 1. גרעיני ננו-גבישי CdSe במבני גביש מסוג וורציט (wurtzite) וצינק-בלנד (zinc-blende). (a, b) ספקטרום בליעה (שחור) ו-PL (אדום) עם תמונות TEM של ננו-גבישי CdSe מסוג וורציט וצינק-בלנד, בהתאמה, בתוך הגרף. (c, d) תבניות עקיפת קרני X (XRD) של ננו-גבישי CdSe מסוג וורציט וצינק-בלנד, כאשר תבניות הקווים של חומרי המקור (bulk) המתאימים מוצגות לצורך השוואה. לחץ כאן להצגת תמונה גדולה יותר.

איור 2. הטרו-מבנים של CdSe/CdS המבוססים על גרעין במורפולוגיות של מוט וטטרה-פוד. (a, b) תמונות TEM של ננו-מוטות CdSe/CdS וטטרה-פודים של CdSe/CdS, בהתאמה. (c, d) תבניות XRD של ננו-מוטות וטטרה-פודים של CdSe/CdS. רק החזרי wurtzite של CdS ניכרים. (e, f) ספקטרום בליעה (שחור) וספקטרום PL (אדום) של ננו-מוטות וטטרה-פודים של CdSe/CdS. הקו הירוק מציג ספקטרום בליעה מוגדל כדי להדגיש את הבליעה הנובעת מגרעין ה-CdSe. לחץ כאן להצגת תמונה גדולה יותר.
הספקטרה האופטית של גרעיני ה-w-CdSe וה-zb-CdSe מראה בליעה אקסיטונית ברורה (איורים 1a ו- 1b) מכיוון שהגרעינים הם בעלי מונו-דיספרסיה גבוהה; האנרגיה של האקסיטון הראשון תואמת לקטרים של 3.3 nm ו-3.6 nm עבור w-CdSe ו-zb-CdSe, בהתאמה. הגרעינים מראים גם פוטולומינסנציה חזקה, עם נבחיות קוונטיות הנעות בין כ-3-30%, תלוי בשיטת הכנת הדגימה; לדוגמה, מספר רב יותר של שלבי ניקוי נוטה להסיר את הליגנדים מהפני השטח ולהוביל לנבחיות קוונטיות נמוכות יותר6. הרוחב המלא בחצי הגובה (FWHM) הצר של שיא ה-PL (31 nm ו-33 nm עבור ננו-גבישי w-CdSe ו-zb-CdSe, בהתאמה) עולה בקנה אחד עם התפלגויות גודל של 5-10%21.
תבניות עקיפת קרני ה-X שנאספו עבור הגבישים (איורים 1c ו- 1d) מאשרות שהם נמצאים בפאזה הרצויה. לפאזת הוורציט (wurtzite) ישנן השתקפויות ברורות ב-41.1° וב-53.8° שאינן קיימות בפאזת הצינק-בלנד (zinc-blende). הרחבת השיא נובעת מהרחבת שרר (Scherrer broadening) עקב גודל גביש סופי.
ההבדלים במבנה הגבישי של גרעיני ה-CdSe מובילים למורפולוגיות שונות באופן דרמטי של ההטרוסטרוקטורה הסופית (איורים 2a ו- 2b)6. w-CdS מגריין וגדל מהפאות (001) ו-(00
) של ה-w-CdSe, מה שמוביל לחלקיק סופי בצורת מוט עקב גדילה חד-צירית. לעומת זאת, w-CdS מגריין וגדל מהפאות {111} של zb-CdSe. מתוך שמונה הפאות {111}, ארבע מציגות רוויה קואורדינטיבית נמוכה יותר מהשאר; כתוצאה מכך, אנו מבחינים בגדילה מהירה יותר של w-CdS מאותן ארבע פאות, מה שמוביל למורפולוגיית טטראפוד (רגל-ארבע)22. המוטות והטטראפודים המבוססים על הגרעינים מציגים גבישיות גבוהה, התואמת ל-CdS מסוג וורציט (wurtzite), כפי שאושר על ידי XRD (איורים 2c ו- 2d).
מכיוון שחלק ה-CdS של ההטרו-מבנים גדול בהרבה בהשוואה לגרעין ה-CdSe, הבליעה בשל הגרעינים מהווה אחוז קטן מהבליעה הכוללת. כתוצאה מכך, ההטרו-מבנים בולעים באופן חלש באורכי גל ארוכים מ-500 nm, שבהם רוב הבליעה נובעת מגרעין ה-CdSe (איורים 2e ו 2f). באורכי גל קצרים מ-500 nm, הבליעה מוגברת באופן דרמטי מכיוון שה-CdS, בעל פער הפס הגדול יותר, מתחיל לבלוע באופן משמעותי. מקדמי הכיבוי של הגרעינים הם בסדר גודל של 105 M-1cm-1, בעוד שלמוטות ולטטראפודים יש מקדמי כיבוי מוגברים משמעותית6 של 107 M-1cm-1 ו-108 M-1cm-1, בהתאמה. הן עבור המוטות והן עבור הטטראפודים, המעבר האקסיטוני הראשון של ההטרו-מבנים מוסט לאדום בהשוואה לגרעינים החשופים (איורים 2e ו 2f) מכיוון שהאלקטרונים והחורים פרוסים על פני חלקיק גדול יותר.
בהתאם לגודל הספציפי של רכיבי ההטרוסטרוקטורה ומבנה הפסים הנובע מכך, החור נוטה להיות מוגבל במידה מסוימת לגרעין (seed), בעוד שהאלקטרון חופשי יותר לנוע בכל החלקיק23. כתוצאה מכך, רקומבינציה מתרחשת הרחק מפני השטח של החלקיק, מה שמוביל לנכונות קוונטית (quantum yields) עבור מוטות מעל 75% ועבור טטראפודים בין 35-70%, ערכים הגבוהים משמעותית מאלו של גרעיני CdSe חשופים6. יתרה מכך, הפסיבציה האנאורגנית של CdS על גרעיני ה-CdSe מספקת יציבות סביבתית מוגברת.
הדגמנו שיטה לבקרה על המורפולוגיה הסופית של הטרו-מבנה (heterostructure) בננו-קנה מידה, באמצעות שליטה במבנה הגבישי של הגרעין (seed). גישה זו של צמיחה מונחית-גרעין כבר יושמה על מגוון רחב של מבנים, ואנו צופים כי סוגי ההטרו-מבנים שניתן לסנתז בגישה זו ימשיכו להתרחב.
אין לנו מה לחשוף.
עבודה זו נתמכה על ידי התוכנית לכימיה פיזיקלית של ננו-מבנים אנאורגניים, KC3103, מנהל משרד המדע, המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים, של משרד האנרגיה של ארצות הברית תחת חוזה DE-AC02-05CH11231. המרכז לחומרים ננומטריים במעבדה הלאומית ארגון נתמך על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, מתקן משתמש של המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים תחת חוזה מס. DE-AC02-06CH11357. ק.מ. ו-B.J.B. מודים בתודה על תמיכתה של תוכנית המלגות לתארים מתקדמים של משרד האנרגיה למדעים (DOE SCGF), שהתאפשרה בחלקה על ידי חוק ההתאוששות וההשקעה מחדש האמריקאי משנת 2009 ומנוהלת על ידי ORISE-ORAU תחת חוזה מס. DE-AC05-06OR23100.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| נתרן הידרוקסיד, 98% | פישר | BP359 | |
| , 99% | סיגמא אולדריץ' | M3128 | |
| מתנול, 99.8% | פישר | A412 | |
| קדמיום חנקתי טטרהידרט, 99% | סיגמא אולדריץ' | 20911 | |
| תחמוצת קדמיום רעילה מאוד (CdO), 99.99% | סיגמא אולדריץ' | 202894 | רעיל מאוד |
| 1- אוקטדסן (ODE), 90% | סיגמא אולדריץ' | O806 | סלניום (Se) בדרגה טכנית |
| , 100 רשת, 99.99% | סיגמא אולדריץ' | 229865 | |
| טרי-אן-אוקטילפוספין (TOP), 97% | סטרם | 15-6655 | רגישה לאוויר |
| (S), 99.9995% | אלפא אייזר | 10343 | |
| תחמוצת טריוקטיל פוספין (TOPO), 99% | סטרם | 15-6661 | |
| חומצה N-אוקטאדצילפוספונית (ODPA), 99% | סינתזת PCI | 104224 | |
| מתנול, נטול מים, 99.8% | סיגמא אולדריץ' | 322415 | |
| טולואן, נטול מים, 99.8% | סיגמא אולדריץ' | 244511 | |
| כלורופורם, נטול מים, 99% | סיגמא אולדריץ' | 288306 | |
| אצטון, 99.9% | פישר | A949 | מיובש על פני 4Å מסננות |
| הקסאן, נטול מים, 95% | סיגמא אולדריץ' | 296090 | |
| 2-פרופנול, נטול מים, 99.5% | סיגמא אולדריץ' | 278475 | |
| סלניום דו-חמצני, 99.999% | סיגמא אולדריץ' | 204315 | |
| חומצה אולאית, 90% | סיגמא אולדריץ' | 364525 | בדרגה טכנית |
| , 70% | סיגמא אולדריץ' | O7805 | דרגה טכנית |
| חומצה פרופילפוספונית (PPA), 95% | סיגמא אולדריץ' | 305685 | |
| אתנול, נטול מים, 99.5% | סיגמא אולדריץ' | 459836 | |
| אוקטילמין, 99% | סיגמא אולדריץ' | O5802 |