Przedstawiono protokół do syntezy zasiewów wieloskładnikowych nanostruktur w kształcie pałeczek i czworonogów, składających się z CdS i CdSe.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Przedstawiono protokół do syntezy zasiewów wieloskładnikowych nanostruktur w kształcie pałeczek i czworonogów, składających się z CdS i CdSe.
Demonstrujemy metodę syntezy wieloskładnikowych nanostruktur składających się z CdS i CdSe o morfologii pręcików i czworonogów. Stosowana jest strategia syntezy zasiewanej, w której kuliste nasiona CdSe są najpierw przygotowywane przy użyciu techniki wtrysku na gorąco. Kontrolując strukturę krystaliczną ziarna, aby było to wurcyt lub blenda cynkowa, późniejszy wzrost CdS z nasion przez wstrzyknięcie na gorąco daje odpowiednio nanokryształ w kształcie pręta lub czworonoga. Faza i morfologia zsyntetyzowanych nanokryształów została potwierdzona za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, wykazując, że nanokryształy są czyste fazowo i mają spójną morfologię. Współczynnik ekstynkcji i wydajność kwantową zsyntetyzowanych nanokryształów oblicza się za pomocą spektroskopii absorpcyjnej UV-Vis i spektroskopii fotoluminescencyjnej. Pręciki i czworonogi wykazują współczynniki ekstynkcji i plony kwantowe, które są wyższe niż w przypadku gołych nasion. Synteza ta demonstruje precyzyjne ułożenie materiałów, które można osiągnąć w nanoskali przy użyciu podejścia opartego na syntezie zasiewanej.
Synteza wieloskładnikowych nanostruktur szybko się rozwinęła w ostatnich latach1. Zsyntetyzowano szereg nanoheterostruktur półprzewodnikowych II-VI, w tym sferyczne cząstki rdzenia-powłoki2,3, zasiane nanopręty4,5 i zasiane czworonogi6. Te heterostruktury pozwalają na wyrafinowaną manipulację fotonami i nośnikami w nanoskali i wykazują wiele interesujących zjawisk, w tym niezwykle wysokie współczynniki ekstynkcji, spolaryzowaną emisję4 i wysoką wydajność kwantową2,7.
Synteza wieloskładnikowych nanostruktur wymaga precyzyjnej kontroli nad składem, fazą, kształtem, rozmiarem i łącznością każdego składnika. Kontrola nad tymi różnymi czynnikami opiera się w dużej mierze na zdolności do niezależnego modulowania tempa zarodkowania i wzrostu8,9,10. Jedną ze strategii osiągnięcia niezależnej kontroli nad zarodkowaniem i wzrostem jest rozdzielenie tych dwóch procesów na oddzielne etapy syntezy. Tutaj pokażemy, w jaki sposób małe ziarna CdSe wygenerowane w warunkach reakcji zoptymalizowanych pod kątem zarodkowania i wzrostu sferycznych nanokryształów mogą być następnie przeniesione do drugiej kolby, gdzie wzrost CdS zachodzi w warunkach reakcji zoptymalizowanych pod kątem anizotropowego wzrostu ramion w kształcie prętów6. Dostrajając strukturę krystaliczną ziarna CdSe od wurcytu do blendy cynkowej, pokażemy, w jaki sposób morfologia heterostruktur CdSe/CdS hodowanych w podobnych warunkach może zostać zmieniona z nanopręta na czworonoga, podkreślając precyzyjną kontrolę nad fazą, kształtem i rozmiarem, jaką zapewniają najnowocześniejsze metody syntezy nanocząstek. Nanostruktury chalkogenków kadmu posłużyły jako użyteczny system modelowy do opracowania nowych technik syntezy, ponieważ ten system materiałowy był intensywnie badany; Chociaż synteza konkretnej nanostruktury jest pokazana w tym protokole wideo, te same techniki mają zastosowanie do syntezy wielu innych nanostruktur.
Wykazano, że niewielkie różnice w technikach i odczynnikach stosowanych w syntezach nanocząstek powodują dramatyczne różnice w produkcie końcowym. Na przykład wykazano, że szybkość narastania temperatury11 i zanieczyszczenia12-14 obecne podczas syntezy mają dramatyczny wpływ na rozmiar i kształt nanokryształów. Dzięki identyfikacji konkretnych czynników, na które procedury syntezy są bardzo wrażliwe, odtwarzalność syntez nanokryształów stale się poprawia. Ten szczegółowy protokół wideo ma na celu pomóc początkującym praktykom w tej dziedzinie uniknąć wielu powszechnych pułapek związanych z syntezą nanocząstek.
Przed użyciem należy zapoznać się z wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów (MSDS). Kilka z odczynników chemicznych wykorzystanych w tych syntezach wykazuje silną toksyczność i działanie rakotwórcze. Nanomateriały mogą stwarzać dodatkowe zagrożenia w porównaniu z ich odpowiednikami w formie masowej. Podczas przeprowadzania reakcji nanokryształów należy stosować wszelkie odpowiednie zasady bezpieczeństwa, w tym środki kontroli technicznej (dygestorium, komora rękawicowa) oraz środki ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawiczki, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, obuwie pełne). Część poniższych procedur obejmuje standardowe techniki pracy w warunkach beztlenowych15.
1. Przygotowanie prekursorów molekularnych
2. Synteza zarodków CdSe

3. Synteza heterostruktur CdSe/CdS
Spektra absorpcyjne, spektra fotoluminescencji (PL), dyfraktogramy rentgenowskie (XRD) oraz obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) zostały zebrane dla zarodni (Rysunek 1) oraz końcowych heterostruktur (Rysunek 2). Spektra absorpcyjne i PL służą do obliczenia współczynnika ekstynkcji oraz wydajności kwantowej nanostruktur. Metody XRD i TEM są wykorzystywane do określenia fazy i morfologii nanostruktur.

Rysunek 1. Zarodki nanokryształów CdSe o strukturze krystalicznej wurtzytu i sຜynku. (a, b) Widma absorpcyjne (czarne) i PL (czerwone) wraz z wstawkami obrazów TEM odpowiednio dla nanokryształów CdSe o strukturze wurtzytu i sຜynku. (c, d) Dyfraktogramy rentgenowskie (XRD) nanokryształów CdSe o strukturze wurtzytu i sຜynku z dołączonymi dla odniesienia wzorcami linii dla odpowiadających im materiałów objętościowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.

Rysunek 2. Ziarenkowe heterostruktury CdSe/CdS o morfologii prętów i tetrapodów. (a, b) Obrazy TEM odpowiednio nanoprętów CdSe/CdS i tetrapodów CdSe/CdS. (c, d) Dyfraktogramy XRD nanoprętów i tetrapodów CdSe/CdS. Widoczne są jedynie refleksy z CdS o strukturze wurtzytu. (e, f) Widma absorpcyjne (czarne) i PL (czerwone) nanoprętów i tetrapodów CdSe/CdS. Zielona linia przedstawia powiększone widma absorpcyjne, aby podkreślić absorpcję wynikającą z ziarna CdSe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.
Widma optyczne dla ziaren w-CdSe i zb-CdSe wykazują wyraźną absorpcję ekscytonową (Ryciny 1a i 1b), ponieważ ziarna są wysoce monodyspersyjne; energia pierwszego ekscytonu odpowiada średnicom odpowiednio 3,3 nm dla w-CdSe i 3,6 nm dla zb-CdSe. Ziarna wykazują również silną fotoluminescencję, z wydajnością kwantową w zakresie od około 3-30%, w zależności od metody przygotowania próbki; na przykład większa liczba etapów oczyszczania ma tendencję do usuwania ligandów powierzchniowych i prowadzi do niższej wydajności kwantowej6. Wąska pełna szerokość połówki maksymalnej piku PL (odpowiednio 31 nm i 33 nm dla nanokryształów w-CdSe i zb-CdSe) jest zgodna z rozkładami wielkości rzędu 5-10%21.
Dyfraktogramy rentgenowskie zebrane dla nasion (Ryc. 1c oraz 1d) potwierdzają, że mają one pożądaną fazę. Faza wurtzytu wykazuje wyraźne refleksy przy 41.1° i 53.8°, których brak w fazie sfalerytu. Poszerzenie piku wynika z poszerzenia Scherrera spowodowanego skończoną wielkością kryształów.
Różnice w strukturze krystalicznej zarodków CdSe prowadzą do drastycznie odmiennych morfologii końcowej heterostruktury (Ryc. 2a i 2b)6. w-CdS nukleuje i rośnie z płaszczyzn (001) i (00
) w-CdSe, co prowadzi do powstania końcowej cząstki w kształcie pręta ze względu na wzrost jednowymiarowy. W przeciwieństwie do tego, w-CdS nukleuje i rośnie z płaszczyzn {111} zb-CdSe. Z ośmiu płaszczyzn {111} cztery wykazują niższe nasycenie koordynacyjne niż pozostałe; w rezultacie obserwujemy szybszy wzrost w-CdS z tych czterech płaszczyzn, co prowadzi do morfologii tetrapodów22. Uzyskane pręty i tetrapody wykazują wysoką krystaliczność, odpowiadającą wurcytowemu CdS, co potwierdzono za pomocą XRD (Ryc. 2c i 2d).
Ponieważ część CdS heterostruktur jest znacznie większa w porównaniu do ziarna CdSe, absorpcja wynikająca z obecności ziaren stanowi niewielki procent całkowitej absorpcji. W rezultacie heterostruktury słabo absorbują przy długościach fal przekraczających 500 nm, gdzie większość absorpcji wynika z ziarna CdSe (Rysunki 2e i 2f). Przy długościach fal krótszych niż 500 nm absorpcja gwałtownie wzrasta, ponieważ większa przerwa energetyczna CdS zaczyna znacząco absorbować. Współczynniki ekstynkcji dla ziaren są rzędu 105 M-1cm-1, podczas gdy pręty i tetrapody mają znacznie wyższe współczynniki ekstynkcji6 wynoszące odpowiednio 107 M-1cm-1 oraz 108 M-1cm-1. W przypadku zarówno prętów, jak i tetrapodów, pierwsze przejście ekscytonowe dla heterostruktur jest przesunięte w stronę czerwieni w porównaniu do samych ziaren (Rysunki 2e i 2f), ponieważ elektrony i dziury są rozproszone na większej cząsteczce.
W zależności od konkretnego rozmiaru komponentów heterostruktury i wynikającej z tego struktury pasm, dziura ma tendencję do pewnego stopnia ograniczania się do ziarna, podczas gdy elektron może swobodniej poruszać się w całej cząsteczce23. W rezultacie rekombinacja zachodzi poza powierzchnią cząsteczki, co prowadzi do uzyskania wydajności kwantowej powyżej 75% dla prętów oraz od 35% do 70% dla tetrapodów, co jest wartością znacznie wyższą niż w przypadku nieosłoniętych ziaren CdSe6. Ponadto nieorganiczna pasywacja warstwą CdS na ziarnach CdSe zapewnia zwiększoną stabilność środowiskową.
Przedstawiliśmy metodę kontrolowania końcowej morfologii nanostruktury heterogenicznej poprzez kontrolę struktury krystalicznej zarodka. To samo podejście wzrostu z zarodkowaniem zostało już zastosowane w szerokim zakresie struktur i spodziewamy się, że typy heterostruktur, które można zsyntetyzować za pomocą tej metody, będą nadal się rozszerzać.
Nie mamy nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez Program Chemii Fizycznej Nanostruktur Nieorganicznych, KC3103, Dyrektor, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie umowy DE-AC02-05CH11231. Centrum Materiałów Nanoskalowych w Argonne National Laboratory jest wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych na podstawie umowy nr 1. DE-AC02-06CH11357. K.M. i B.J.B. z wdzięcznością dziękują za wsparcie Programu Stypendialnego dla Absolwentów Biura Nauki Departamentu Energii (DOE SCGF), możliwego częściowo dzięki amerykańskiej ustawie o odbudowie i reinwestycjach z 2009 r. i zarządzanego przez ORISE-ORAU na podstawie umowy nr 1. DE-AC05-06LUB23100.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Wodorotlenek sodu, 98% | Kwas | Fisher BP359 | |
| , 99% | Metanol Sigma Aldrich | M3128 | |
| , 99,8% | Fisher | A412 | |
| Czterowodny azotan kadmu, 99% | Sigma Aldrich | 20911 | Wysoce toksyczny |
| tlenek kadmu (CdO), 99,99% | Sigma Aldrich | 202894 | Wysoce toksyczny |
| 1- Oktadecen (ODE), 90% | Sigma Aldrich | O806 | |
| Selen techniczny (Se), 100 mesh, 99.99% | Sigma Aldrich | 229865 | |
| Tri-n-oktylofosfiny (TOP), 97% | Strem | 15-6655 | Siarka (S) wrażliwa na powietrze |
| , 99.9995% | Alfa Aesar | 10343 | |
| Tlenek trioktylofosfiny (TOPO), 99% | Strem | 15-6661 | |
| Kwas N-oktadecylofosfonowy (ODPA), 99% | PCI Synteza | 104224 | |
| Metanol, bezwodny, 99,8% | Sigma Aldrich | 322415 | |
| Toluen, bezwodny, 99,8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Chloroform, bezwodny, 99% | Sigma Aldrich | 288306 | |
| Aceton, 99,9% | Fisher | A949 | Suszone na 4 sitach |
| Heksan, bezwodny, 95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| 2-Propano, bezwodny, 99,5% | Sigma Aldrich | 278475 | |
| Dwutlenek selenu, 99,999% | Sigma Aldrich | 204315 | |
| Kwas oleinowy, 90% | Sigma Aldrich | 364525 | Klasa techniczna |
| Oleylamine, 70% | Sigma Aldrich | O7805 | Klasa techniczna |
| Kwas propylofosfonowy (PPA), 95% | Sigma Aldrich | 305685 | |
| etanol, bezwodny, 99,5% | Sigma Aldrich | 459836 | |
| oktylamina, 99% | Sigma Aldrich | O5802 |