면 대 면 모양 이방성 콜 로이드 카드뮴 칼코게나이드 Nanostructures의 연결

이 합성 프로토콜의 전반적인 목표는 배향 부착 공정을 통해 콜로이드 형태 이방성 반도체 나노결정을 면 대 면으로 연결하는 것입니다. 이 방법은 용액 공정 능력을 유지하면서 입자 간 전하 수송을 개선해야 하는 필요성과 같이, 콜로이드 나노입자 기반 광전자 공학 분야의 핵심 문제들을 잠재적으로 해결할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 면 대 면 연결 공정을 다양한 모양과 크기의 반도체 나노입자에 적용할 수 있다는 점입니다.

우리는 특정 반응 및 조건 하에서 형상 이방성 반도체 나노결정의 교환 반응을 수행하던 중 배향 부착(oriented attachment)의 징후를 관찰하면서 이 방법에 대한 아이디어를 처음 얻게 되었습니다. 시연은 제 실험실의 대학원생인 Xuanwei Ong과 Shashank Gupta가 진행하겠습니다. 먼저, 15 mL 3구 라운드 바닥 플라스크에 TOPO, 산화 카드뮴, 헥실포스폰산 및 옥타데실포스폰산을 넣습니다.

혼합물에 마그네틱 바를 넣은 후, 구멍이 뚫린 고무 격막을 통해 온도 프로브를 삽입하고 플라스크의 코드 중 하나를 격막으로 밀봉합니다. 둥근 바닥 플라스크에 환류 냉각기를 장착하고 어댑터를 통해 연결한 다음, 남은 포트를 고무 격막으로 밀봉합니다. 모든 유리 탄성 조인트에 고진공 그리스를 도포한 후, 교반 중인 혼합물을 150 °C로 가열하고 1시간 30분 동안 진공 상태로 두어 가스를 제거합니다.

다음으로, 미리 준비한 TLP 황화물 스톡 용액 1.8 milliliters를 10 millimeter 단일 목 둥근 바닥 플라스크에 넣고 고무 격막으로 밀봉합니다. 미리 준비한 wurtzite cadmium selenide 양자점 telluwin 용액 80 nanomoles를 플라스크에 추가하고, 이후 70 degree celsius의 진공 상태에서 telluwin을 제거합니다. 800 RPM으로 교반하며 30분 동안 용액의 가스를 추가로 제거합니다.

카드뮴 전구체가 담긴 둥근 바닥 플라스크를 질소 분위기에 두고 온도를 350 °C까지 올립니다. 320 °C에서 고무 격막을 통해 1.8 mL의 TLP를 둥근 바닥 플라스크에 첨가합니다. 350 °C에서 양자점이 포함된 TLP 황화 용액을 시린지에 취해 카드뮴 전구체가 담긴 둥근 바닥 플라스크에 빠르게 주입합니다.

나노로드의 성장을 위해 용액을 800 RPM으로 6분 더 교반합니다. 그 후, 가열 맨틀을 제거하고 상온 조건에서 용액을 실온까지 냉각합니다. 나노로드 용액을 처리하기 위해, 성장 용액에 telluwin 2 mL를 첨가하고 혼합물 전체를 50 mL 원심분리 튜브로 옮깁니다.

혼합물에 메탄올 30 milliliters를 첨가합니다. 그다음, 생성된 현탁액을 2, 240 x G에서 3분 동안 원심분리합니다. 상층액을 제거한 후, 침전물에 telluwin 5 milliliters를 첨가하여 나노로드를 분산시킵니다.

이전 처리 단계를 2~3회 반복한 후, 나노로드를 5 mm의 telluwin에 분산시켜 추후 사용하도록 합니다. 그다음, 전자현미경 분석을 위해 연속 탄소 필름이 입혀진 300 mesh 구리 그리드 위에 나노로드 용액 한 방울을 떨어뜨립니다. 흡수지로 과잉 용액을 제거하고 샘플을 실온에서 건조시킵니다.

이제 가공된 나노로드 20 µL를 Telluwin 3 mL에 첨가하여, 스탁 용액 내의 카드뮴 셀레나이드 시드 카드뮴 설파이드 나노로드의 농도를 결정합니다. 350 nm에서의 흡광도를 측정하고, 해당 파장에서의 기지 몰 흡광 계수를 사용하여 나노로드의 농도를 계산합니다. 도데실아민 0.14 g을 에탄올 5 mL에 첨가하여 도데실아민 스탁 용액을 준비합니다.

용액이 완전히 혼합되도록 37 kilohertz, 320 watts 조건에서 약 5분 동안 초음파 처리합니다. 그 후, 적절한 농도의 나노결정 용액 1 milliliter를 준비합니다. 나노결정 용액에 octadecylphosphonic acid 6 milligrams를 첨가하고 37 kilohertz, 320 watts 조건에서 10분 동안 초음파 처리합니다.

옥타데실포스폰산(octadecylphosphonic acid)을 나노결정 용액에 완전히 용해시키는 것이 매우 중요하므로, 초음파 처리 중에 용액 혼합물을 수동으로 흔들어 줍니다. 별도의 바이알에 적절한 농도의 질화은(silver nitride) 용액 1 mL와 도데실아민(dodecylamine) 스톡 용액 1 mL를 혼합합니다. 마그네틱 바를 넣고 800 RPM으로 용액을 격렬하게 교반하며, 교반하는 동안 나노결정 용액 1 mL를 바이알에 첨가하고 텍스트 프로토콜에 명시된 적절한 시간 동안 반응이 진행되도록 둡니다.

반응이 끝나면 교반을 중단하고 용액이 층 분리될 때까지 기다립니다. 그런 다음 하단의 수층을 제거합니다. 유기층에 메탄올 5 mL를 첨가하여 나노결정을 침전시킵니다.

그 다음, 혼합물을 2,240 x G에서 3분 동안 원심 분리합니다. 상층액을 제거한 후, 추가 분석을 위해 텔루윈(telluwin) 1 mL를 첨가하여 생성물을 재분산시킵니다. 셀레늄화 카드뮴(cadmium selenide) 시드 카드뮴 황화물(cadmium sulfide) 나노로드를 모델 시스템으로 사용하여, 나노로드 팁의 패싯을 황화 은(silver sulfide) 팁으로 변환하는 부분적 은 이온 교환 공정을 입증하였습니다.

옥타데실포스폰산과 반응한 후, 도데실아민 리간드가 표면에서 탈착되었으며 결정면들이 서로 융합되어 연결된 나노로드 체인을 형성했습니다. 하이브리드 용액의 접합 부위에 대한 TEM 분석 결과, 황화은 도메인과 두 개의 나노로드가 접촉하는 지점이 확인되었습니다. 1차 푸리에 변환 분석에서는 황화은과 황화카드뮴의 001 결정면에 기인하는 두 개의 격자 상수가 나타났습니다.

결합 영역에 대한 EDX 분석 결과, 은은 존재하고 카드뮴은 존재하지 않음을 확인하였습니다. 결합 과정의 수율과 통계적 특성은 나노로드 체인 내에 결합된 로드의 수를 나타내는 히스토그램을 통해 시각화할 수 있습니다. octadecylphosphonic acid가 없으면 결합이 관찰되지 않으며, 히스토그램은 결합되지 않은 단일 나노로드가 큰 비중을 차지함을 보여줍니다.

낮은 은 이온 농도에서는 짧은 사슬만 얻어졌습니다. 연결 통계에 따르면, 짧은 사슬은 상당 비율의 이량체(dimer)를 특징으로 하며, 그다음으로 단량체(monomer) 순으로 나타났습니다. 은 매개 연결 공정은 카드뮴 셀레나이드 시드가 형성된 카드뮴 셀레나이드 나노로드 및 테트라포드로 확장될 수 있습니다.

적절한 조건 하에서, 이러한 나노로드와 테트라포드의 유사한 체인형 네트워크를 형성할 수 있습니다. 이 기술을 숙달하면, 적절하게 수행했을 때 3시간 이내에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 시도할 때, 불순물이 합성 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 사용되는 시약의 순도가 본 프로토콜에 기재된 것과 동일한지 확인하는 것이 중요합니다.

본 절차 이후, 용액 내 결합된 나노입자의 수동역학적 크기가 어느 정도인지와 같은 추가적인 질문에 답하기 위해 동적 광산란과 같은 다른 분석 방법들을 수행할 수 있습니다. 이 영상을 시청함으로써, 카타르틱 교환 기반 접근 방식을 통해 이방성 반도체 나노결정을 결합하는 방법에 대해 충분히 이해하셨을 것입니다. 카드뮴 기반 나노결정을 다루는 작업은 매우 위험할 수 있으므로, 본 절차를 수행하는 동안 적절한 개인 보호 장구를 착용하는 것과 같은 주의 사항을 항상 준수해야 함을 잊지 마십시오.