CdS와 CdSe로 구성된 막대 모양과 테트라포드 모양의 다성분 나노 구조의 시딩 합성을 위한 프로토콜이 제시됩니다.
방법 논문
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CdS와 CdSe로 구성된 막대 모양과 테트라포드 모양의 다성분 나노 구조의 시딩 합성을 위한 프로토콜이 제시됩니다.
우리는 막대 및 테트라포드 형태를 가진 CdS 및 CdSe로 구성된 다성분 나노 구조를 합성하는 방법을 보여줍니다. CdSe의 구형 시드를 고온 주입 기술을 사용하여 먼저 준비하는 시드 합성 전략이 사용됩니다. 종자의 결정 구조를 wurtzite 또는 zinc-blende로 제어함으로써, 종자에서 CdS의 후속 고온 주입 성장은 각각 막대 모양 또는 사지 모양의 나노 결정을 생성합니다. 합성된 나노결정의 위상과 형태는 X선 회절 및 투과 전자 현미경을 사용하여 확인되었으며, 이는 나노결정이 위상 순수하고 일관된 형태를 가지고 있음을 보여줍니다. 합성된 나노결정의 흡광계수와 양자 수율은 UV-Vis 흡수 분광법과 광발광 분광법을 사용하여 계산됩니다. 간상세포와 테트라포드는 벌거벗은 씨앗보다 더 높은 소멸 계수와 양자 수율을 나타냅니다. 이 합성은 시딩된 합성 접근법을 사용하여 나노 규모에서 달성할 수 있는 물질의 정확한 배열을 보여줍니다.
다성분 나노 구조의 합성은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했습니다1. 구형 코어-쉘 입자2,3, 시딩된 나노막대4,5 및 시딩된 테트라포드6을 포함하여 다양한 II-VI 반도체 나노이질구조가 합성되었습니다. 이러한 헤테로 구조는 나노 스케일에서 광자와 캐리어를 정교하게 조작할 수 있게 해주며 매우 높은 흡광 계수, 편광 방출4 및 높은 양자 수율2,7을 포함하여 많은 흥미로운 현상을 나타냅니다.
다성분 나노 구조의 합성은 각 구성 요소의 구성, 위상, 모양, 크기 및 연결성에 대한 정밀한 제어가 필요합니다. 이러한 다양한 요인에 대한 제어는 핵형성 및 성장 속도를 독립적으로 조절하는 능력에 크게 의존합니다8,9,10. 핵형성 및 성장에 대한 독립적인 제어를 달성하기 위한 한 가지 전략은 이 두 가지 과정을 별도의 합성 단계로 분리하는 것입니다. 여기에서는 구형 나노결정의 핵형성 및 성장에 최적화된 반응 조건에서 생성된 CdSe의 작은 시드가 막대 모양 암6의 이방성 성장에 최적화된 반응 조건에서 CdS의 성장이 발생하는 두 번째 플라스크로 이동하는 방법을 보여줍니다. CdSe 종자의 결정 구조를 wurtzite에서 zinc-blende로 조정함으로써 유사한 조건에서 성장한 CdSe/CdS 이종 구조의 형태가 나노로드에서 사지체로 어떻게 변경될 수 있는지 보여주며, 최첨단 나노 입자 합성 방법이 제공하는 위상, 모양 및 크기에 대한 정밀한 제어를 강조합니다. 카드뮴 칼코게나이드의 나노 구조는 이 물질 시스템이 집중적으로 탐구되었기 때문에 새로운 합성 기술의 개발을 위한 유용한 모델 시스템 역할을 했습니다. 특정 나노 구조의 합성이 이 비디오 프로토콜에 표시되지만, 동일한 기술이 수많은 다른 나노 구조의 합성에 적용할
수 있습니다.나노 입자 합성에 사용되는 기술과 시약의 작은 차이는 최종 제품에서 극적인 차이를 만드는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 합성 중에 존재하는 온도 램프 속도11과 불순물12-14는 나노 결정의 크기와 모양에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 합성 절차가 매우 민감한 특정 요인을 확인함으로써 나노 결정 합성의 재현성은 계속 개선되고 있습니다. 이 상세한 비디오 프로토콜은 이 분야의 새로운 실무자가 나노 입자 합성과 관련된 많은 일반적인 함정을 피할 수 있도록 돕기 위한 것입니다.
사용 전 모든 관련 물질안전보건자료(MSDS)를 참조하시기 바랍니다. 본 합성 과정에 사용되는 여러 화학 물질은 급성 독성 및 발암성이 있습니다. 나노물질은 벌크 상태의 물질과 비교하여 추가적인 위험성이 있을 수 있습니다. 나노결정 반응을 수행할 때는 공학적 제어 장치(흄 후드, 글로브 박스) 및 개인 보호구(안전 고글, 장갑, 실험복, 긴 바지, 앞코가 막힌 신발)의 사용을 포함하여 모든 적절한 안전 수칙을 준수하시기 바랍니다. 다음 절차의 일부 과정에는 표준 무산소 취급 기술15이 포함됩니다.
1. 분자 전구체 준비
2. CdSe 시드 합성

3. CdSe/CdS 이종구조의 합성
시드(그림 1) 및 최종 헤테로구조체(그림 2)에 대해 흡수 스펙트럼, 광루미네선스(PL) 스펙트럼, X선 회절(XRD) 패턴 및 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 수집하였습니다. 흡수 및 PL 스펙트럼은 나노구조체의 소멸 계수와 양자 수율을 계산하는 데 사용됩니다. XRD와 TEM은 나노구조체의 결정상과 형태를 확인하는 데 사용됩니다.

그림 1. वुर्टज़ाइट(wurtzite) 및 zinc-blende 결정 구조의 CdSe 나노결정 시드. (a, b) 각각 वुर्टज़ाइट 및 zinc-blende CdSe 나노결정의 TEM 이미지가 삽입된 흡수(검정색) 및 PL(빨간색) 스펙트럼. (c, d) वुर्टज़ाइट 및 zinc-blende CdSe 나노결정의 X선 회절 패턴이며, 참조용으로 해당 벌크 재료의 선 패턴이 제공됨. 여기를 클릭하여 더 큰 이미지 보기.

그림 2. 로드 및 테트라포드 형태의 CdSe/CdS 시드 기반 이종구조. (a, b) 각각 CdSe/CdS 나노로드와 CdSe/CdS 테트라포드의 TEM 이미지. (c, d) CdSe/CdS 나노로드와 테트라포드의 XRD 패턴. wurtzite CdS의 회절 피크만 나타난다. (e, f) CdSe/CdS 나노로드와 테트라포드의 흡수(검은색) 및 PL(빨간색) 스펙트럼. 녹색 선은 CdSe 시드에 의한 흡수를 강조하기 위해 확대된 흡수 스펙트럼을 보여준다. 더 큰 이미지로 보려면 여기를 클릭하십시오.
w-CdSe 및 zb-CdSe 시드의 광학 스펙트럼은 시드가 매우 단분산되어 있어 뚜렷한 엑시톤 흡수를 나타냅니다 (그림 1a 및 1b). 첫 번째 엑시톤 에너지는 w-CdSe와 zb-CdSe의 경우 각각 3.3 nm 및 3.6 nm의 직경에 해당합니다. 또한 시드는 시료의 준비 방법에 따라 약 3-30% 범위의 양자 효율을 갖는 강한 광루미네스(photoluminescence)를 보입니다. 예를 들어, 세척 단계를 더 많이 거치면 표면 리간드가 제거되어 양자 효율이 낮아지는 경향이 있습니다6. PL 피크의 좁은 반치폭(w-CdSe 및 zb-CdSe 나노결정의 경우 각각 31 nm 및 33 nm)은 5-10%의 크기 분포와 일치합니다21.
종자에 대해 수집된 X선 회절 패턴(그림 1c 및 1d)은 이들이 원하는 상임을 확인해 줍니다. 뷔르츠아이트(wurtzite) 상은 징크블렌드(zinc-blende) 상에서는 나타나지 않는 41.1°와 53.8°에서 뚜렷한 반사 피크를 보입니다. 피크의 확장은 유한한 결정 크기로 인한 셰러(Scherrer) 확장에서 비롯됩니다.
CdSe 시드의 결정 구조 차이는 최종 헤테로 구조의 모폴로지에 극명한 차이를 가져옵니다 (그림 2a 및 2b)6. w-CdS는 w-CdSe의 (001) 및 (00
) 면에서 핵을 형성하고 성장하며, 일축 성장으로 인해 최종적으로 막대 모양의 입자가 생성됩니다. 반면, w-CdS는 zb-CdSe의 {111} 면에서 핵을 형성하고 성장합니다. 8개의 {111} 면 중 4개는 다른 면보다 배위 포화도가 낮으며, 그 결과 이 4개의 면에서 w-CdS의 성장이 더 빠르게 일어나 테트라포드 모폴로지가 형성됩니다22. 시딩된 막대 및 테트라포드는 높은 결정성을 나타내며, XRD를 통해 wurtzite CdS에 해당함이 확인되었습니다 (그림 2c 및 2d).
헤테로구조에서 CdS 부분이 CdSe 시드에 비해 훨씬 크기 때문에, 시드에 의한 흡수는 전체 흡수에서 작은 비율을 차지합니다. 그 결과, 헤테로구조는 흡수의 대부분이 CdSe 시드에 의해 발생하는 500 nm보다 긴 파장에서 약하게 흡수됩니다(그림 2e 및 2f). 500 nm보다 짧은 파장에서는 밴드갭이 더 큰 CdS가 본격적으로 흡수하기 시작하면서 흡수가 급격히 증가합니다. 시드의 소멸 계수는 105 M-1cm-1 수준인 반면, 로드와 테트라포드는 각각 107 M-1cm-1 및 108 M-1cm-1로 상당히 향상된 소멸 계수를 나타냅니다6. 로드와 테트라포드 모두 전하와 정공이 더 큰 입자에 걸쳐 분포하기 때문에, 헤테로구조의 첫 번째 엑시톤 전이는 베어 시드에 비해 적색 편이됩니다(그림 2e 및 2f).
헤테로구조 구성 요소의 특정 크기와 그로 인해 형성되는 밴드 구조에 따라, 정공은 시드 쪽에 어느 정도 갇히는 경향이 있는 반면 전자는 입자 전체에서 더 자유롭게 이동합니다23. 결과적으로, 재결합이 입자 표면에서 떨어진 곳에서 일어나 로드(rod)의 경우 75% 이상, 테트라포드(tetrapod)의 경우 35-70%의 양자 수율을 나타내며, 이는 순수 CdSe 시드보다 상당히 높은 수치입니다6. 또한, CdSe 시드 위에 형성된 CdS의 무기 패시베이션은 환경적 안정성을 향상시킵니다.
우리는 시드의 결정 구조 제어를 통해 나노스케일 이종 구조의 최종 형태를 제어하는 방법을 입증하였습니다. 이러한 시드 성장 방식은 이미 광범위한 구조에 적용되었으며, 이 방식을 통해 합성 가능한 이종 구조의 종류는 앞으로 더욱 확대될 것으로 기대됩니다.
우리는 공개할 것이 없습니다.
이 작업은 계약 DE-AC02-05CH11231에 따라 미국 에너지부의 과학 사무국, 기초 에너지 과학 사무소 이사 인 무기 나노 구조의 물리 화학 프로그램의 지원을 받았습니다. 아르곤 국립 연구소의 나노 스케일 재료 센터는 미국 에너지부, 과학국, 기초 에너지 과학 사용자 시설 사무소의 지원을 받습니다. DE-AC02-06CH11357입니다. K.M.과 B.J.B.는 2009년 미국 회복 및 재투자법(American Recovery and Reinvestment Act of 2009)에 의해 부분적으로 가능해졌고 ORISE-ORAU가 계약 번호에 따라 관리하는 에너지부 사무국 과학 대학원 펠로우십 프로그램(DOE SCGF)의 지원에 감사를 표합니다. DE-AC05-06또는23100.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 수산화나트륨, 98% | Fisher | BP359 | |
| Myristic acid, 99% | Sigma Aldrich | M3128 | |
| 메탄올, 99.8% | Fisher | A412 | |
| 질산카드뮴 사수화물, 99% | Sigma Aldrich | 20911 | 고독성 |
| 카드뮴 산화물(CdO), 99.99% | Sigma Aldrich | 202894 | 고독성 |
| 1- 옥타데센(ODE), 90% | Sigma Aldrich | Ø806 | 기술 등급 |
| 셀레늄(Se), 100 메쉬, 99.99% | Sigma Aldrich | 229865 | |
| Tri-n-octylphosphine(TOP), 97% | Strem | 15-6655 | 공기에 민감한 |
| 황(S), 99.9995% | Alfa Aesar | 10343 | |
| 트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO), 99% | Strem | 15-6661 | |
| N-Octadecylphosphonic acid (ODPA), 99% | PCI 합성 | 104224 | |
| 메탄올, 무수, 99.8% | Sigma Aldrich | 322415 | |
| 톨루엔, 무수, 99.8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| 클로로포름, 무수, 99% | Sigma Aldrich | 288306 | |
| 아세톤, 99.9% | Fisher | A949 | 4Å 체 |
| 헥산, 무수, 95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| 2-프로판올, 무수, 99.5% | Sigma Aldrich | 278475 | |
| 셀레늄 다이옥사이드, 99.999% | Sigma Aldrich | 204315 | |
| 올레산, 90% | Sigma Aldrich | 364525 | 기술 등급 |
| Oleylamine, 70% | Sigma Aldrich | O7805 | 기술 등급 |
| 프로필포스폰산(PPA), 95% | 시그마 알드리치 | 305685 | |
| 에탄올, 무수, 99.5% | 시그마 알드리치 | 459836 | |
| 옥틸아민, 99% | 시그마 알드리치 | O5802 |