Faccetta--sfaccettatura che collega di cadmio colloidale forma-anisotropo Chalcogenide nanostrutture

L'obiettivo generale di questo protocollo sintetico è collegare cristalli nanometrici semiconduttori colloidali con anisotropia di forma, affacciandone le facce attraverso un processo di attacco orientato. Sebbene questo metodo possa potenzialmente affrontare questioni fondamentali nel campo dell'optoelettronica basata su nanoparticelle colloidali, come la necessità di migliorare il trasporto di carica tra le particelle preservando al contempo la capacità di lavorazione in soluzione, il principale vantaggio di questa tecnica consiste nel fatto che il processo di collegamento faccia-a-faccia può essere applicato a nanoparticelle semiconduttrici di diverse forme e dimensioni.

L'idea per questo metodo è nata quando abbiamo osservato segni di aggregazione orientata durante la conduzione di reazioni di scambio in nanocristalli semiconduttori anisotropi dal punto di vista della forma, in determinate reazioni e condizioni. A dimostrare la procedura saranno Xuanwei Ong e Shashank Gupta, studenti laureati del mio laboratorio. Per prima cosa, aggiungere TOPO, ossido di cadmio, acido esilfosfonico e acido ottadecilfosfonico in un pallone a fondo rotondo da 15 millilitri, a tre collo.

Dopo aver aggiunto una bacchetta magnetica al miscuglio, inserire una sonda termometrica attraverso un setto di gomma forato e sigillare uno dei collo del pallone con il setto. Montare il refrigerante a riflusso sul pallone a fondo rotondo e collegarlo tramite un adattatore, quindi sigillare il foro rimanente con un setto di gomma. Dopo aver applicato grasso da vuoto su tutte le giunzioni elastiche di vetro, riscaldare il miscuglio in agitazione a 150 gradi Celsius e sottoporlo a vuoto per un'ora e mezza per effettuare la degasazione.

Successivamente, aggiungere 1,8 millilitri di una soluzione madre di solfuro TLP precedentemente preparata in un pallone a fondo rotondo da 10 millimetri con un collo singolo e sigillarlo con un setto di gomma. Aggiungere al pallone 80 nanomoli di una soluzione di punti quantici di seleniuro di cadmio wurtzite precedentemente preparata in tellurwin e successivamente rimuovere il tellurwin sotto vuoto a 70 gradi Celsius. Lasciare degassare la soluzione sotto agitazione a 800 giri al minuto per ulteriori 30 minuti.

Posizionare il pallone a fondo tondo contenente il precursore del cadmio sotto azoto e aumentare la temperatura fino a 350 gradi Celsius. A 320 gradi Celsius, aggiungere 1,8 millilitri di TLP nel pallone a fondo tondo attraverso la settima di gomma. A 350 gradi Celsius, aspirare la soluzione di solfuro di TLP contenente i punti quantici in una siringa e iniettarla rapidamente nel pallone a fondo tondo contenente il precursore del cadmio.

Lasciare agitare la soluzione a 800 giri/min per ulteriori sei minuti, in modo da consentire la crescita dei nanobastoncini. Successivamente, rimuovere il mantello riscaldante e raffreddare la soluzione a temperatura ambiente in condizioni ambientali. Per trattare la soluzione di nanobastoncini, aggiungere due millilitri di telluwin alla soluzione di crescita e trasferire l'intera miscela in un tubo da centrifuga da 50 millilitri.

Aggiungere 30 millilitri di metanolo alla miscela. Successivamente, centrifugare la sospensione ottenuta a 2.240 x G per tre minuti. Dopo aver eliminato il soprannatante, aggiungere cinque millilitri di telluwin al precipitato per disperdere i nanobastoni.

Dopo due o tre cicli dei passaggi di lavorazione precedenti, disperdere i nanorod in cinque millimetri di telluwin per ulteriori utilizzi. Successivamente, posizionare una goccia della soluzione di nanorod su una griglia di rame da 300 mesh, ricoperta con un film di carbonio continuo, per l'analisi al microscopio elettronico. Rimuovere la soluzione in eccesso con carta assorbente e lasciare essiccare il campione a temperatura ambiente.

Ora, determinare la concentrazione di nanobastoncini di solfuro di cadmio seminati con seleniuro di cadmio nella soluzione madre, aggiungendo 20 microlitri dei nanobastoncini processati a tre millilitri di telluwin. Misurare l'assorbanza a 350 nanometri e calcolare la concentrazione dei nanobastoncini, utilizzando la nota assorbanza molare a quella lunghezza d'onda. Preparare una soluzione madre di dodecilammina, aggiungendo 0,14 grammi di dodecilammina a cinque millilitri di etanolo.

Sonicare la soluzione a 37 kilohertz e 320 watt per circa cinque minuti, per garantire una soluzione omogenea. Successivamente, preparare una soluzione di un millilitro di nanocristalli alla concentrazione appropriata. Aggiungere sei milligrammi di acido ottadecilfosfonico alla soluzione di nanocristalli e sottoporre a sonicazione per 10 minuti a 37 kilohertz e 320 watt.

Agitare manualmente la miscela di soluzione durante la sonicazione, poiché è fondamentale sciogliere completamente l'acido ottadecilfosfonico nella soluzione di nanocristalli. In un vial separato, mescolare un millilitro di soluzione di nitrato d'argento alla concentrazione appropriata e un millilitro di soluzione madre di dodecilammina. Aggiungere una barretta magnetica e agitare vigorosamente la soluzione a 800 giri al minuto; mentre si agita, aggiungere un millilitro della soluzione di nanocristalli nel vial e lasciare procedere la reazione per il tempo appropriato, come indicato nel protocollo.

Al termine della reazione, arrestare l'agitazione e lasciare separare in fasi la soluzione. Quindi, rimuovere lo strato acquoso inferiore. Aggiungere cinque millilitri di metanolo allo strato organico per far precipitare i nanocristalli.

Quindi, centrifugare la miscela a 2.240 x G per tre minuti. Dopo aver eliminato il surnatante, aggiungere un millilitro di tellurio per ri-disperdere il prodotto per ulteriori caratterizzazioni. Utilizzando un nanobastoncino di solfuro di cadmio seminato con seleniuro di cadmio come sistema modello, è stato dimostrato un processo parziale di scambio ionico con ioni argento per trasformare le facce delle estremità del nanobastoncino in estremità di solfuro di argento.

Dopo aver reagito con l'acido ottadecilfosfonico, i ligandi di dodecilammina si desorbiscono dalla superficie e le facce si fondono insieme formando catene di nanobastoncelli unite. Un'analisi TEM della soluzione ibrida nelle regioni di giunzione mostra domini di solfuro di argento e contatti amputextile tra due nanobastoncelli. Un primo analisi di trasformata di Fourier rivela due costanti reticolari ascrivibili alle facce 001 del solfuro di argento e del solfuro di cadmio.

L'analisi EDX sulla regione di collegamento mostra la presenza di argento e l'assenza di cadmio. La resa e la natura statistica del processo di collegamento possono essere visualizzate tramite un istogramma che mostra il numero di bastoncini collegati all'interno di una catena di nanobastoncini. In assenza di acido ottadecilfosfonico, non si osserva alcun collegamento e l'istogramma mostra una grande proporzione di nanobastoncini singoli non collegati.

Con una bassa concentrazione di ioni d'argento, si sono ottenute solo catene corte. Le statistiche di collegamento mostravano un'elevata proporzione di dimeri tra le catene corte, seguiti da monomeri. Il processo di collegamento mediato dall'argento può essere esteso a nanobastoncelli e tetrapodi di seleniuro di cadmio con semina di seleniuro di cadmio.

In condizioni appropriate, è possibile ottenere reti concatenate simili di questi nanorod e tetrapodi. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in tre ore se effettuata correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di verificare che la purezza dei reagenti utilizzati sia la stessa di quella indicata nel nostro protocollo, poiché impurezze possono influenzare significativamente i risultati sintetici.

Al termine di questa procedura, altri metodi come la diffusione dinamica della luce possono essere eseguiti per rispondere ad ulteriori domande, ad esempio: quali sono le dimensioni idrodinamiche delle nanoparticelle legate in soluzione? Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come collegare nanocristalli semiconduttori anisotropi mediante un approccio basato sullo scambio catartico. Non dimenticare che lavorare con nanocristalli a base di cadmio può essere estremamente pericoloso e che è sempre necessario adottare precauzioni, come indossare idonei dispositivi di protezione individuale, durante l'esecuzione di questa procedura.