Łączenie aspekt-aspekt anizotropowych koloidalnych nanostruktur chalkogenku kadmu

Ogólnym celem niniejszego protokołu syntetycznego jest łączenie koloidalnych, anizotropowych kształtowo nanokryształów półprzewodnikowych ścianka do ścianki za pomocą procesu orientowanego przyłączania. Metoda ta może potencjalnie rozwiązać kluczowe problemy w dziedzinie optoelektroniki opartej na koloidalnych nanocząsteczkach, takich jak potrzeba poprawy transportu ładunku między cząsteczkami przy jednoczesnym zachowaniu możliwości przetwarzania w roztworze. Główną zaletą tej techniki jest fakt, że proces łączenia ścianka do ścianki może być stosowany do nanocząsteczek półprzewodnikowych o różnych kształtach i rozmiarach.

Pomysł na tę metodę pojawił się po raz pierwszy, gdy zaobserwowaliśmy oznaki zorientowanego przyłączania podczas przeprowadzania reakcji wymiany w nanokryształach półprzewodnikowych o anizotropowym kształcie w określonych warunkach i reakcjach. Procedurę zademonstrują Xuanwei Ong i Shashank Gupta, doktoranci z mojego laboratorium. Najpierw do 15 mililitrowej trójszyjnej kolby okrągłodennej dodaj TOPO, tlenek kadmu, kwas heksylofosfonowy i kwas octadecylofosfonowy.

Po dodaniu mieszadła magnetycznego do mieszaniny, należy wprowadzić sondę temperaturową przez przebitą gumową przegrodę i uszczelnić jeden z wlotów kolby za pomocą tej przegrody. Zamontuj chłodnicę zwrotną na kolbie okrągłodenną i połącz ją za pomocą adaptera, a następnie uszczelnij pozostały otwór gumową przegrodą. Po nałożeniu wysokopróżniowego smaru na wszystkie szklane połączenia elastyczne, podgrzej mieszaną substancję do 150 °C i poddaj ją działaniu próżni przez półtorej godziny w celu odgazowania.

Następnie należy dodać 1,8 mililitra wcześniej przygotowanego roztworu zapasu siarczku TLP do 10 milimetrowej kolby okrągłodennej z jedną szyjką i zamknąć ją gumowym septem. Do kolby należy dodać 80 nanomoli wcześniej przygotowanego roztworu kropek kwantowych selenku kadmu o strukturze wurtzytu telluwin, a następnie usunąć telluwin pod próżnią w temperaturze 70 stopni Celsjusza. Pozostawić roztwór do odgazowania podczas mieszania przy 800 RPM przez kolejne 30 minut.

Umieścić kolbę okrągłodenno zawierającą prekursor kadmu w atmosferze azotu i zwiększyć temperaturę do 350 °C. Przy 320 °C dodać 1,8 ml TLP do kolby okrągłodennej przez septę gumową. Przy 350 °C pobrać do strzykawki roztwór siarczku TLP zawierający kropki kwantowe i szybko wstrzyknąć go do kolby okrągłodennej z prekursorem kadmu.

Mieszać roztwór przy 800 RPM przez kolejne sześć minut, aby umożliwić wzrost nanoprętów. Następnie zdjąć płaszcz grzejny i schłodzić roztwór do temperatury pokojowej w warunkach otoczenia. Aby przetworzyć roztwór nanoprętów, dodać dwa mililitry telluwinu do roztworu wzrostowego i przenieść całą mieszaninę do probówki wirówkowej o pojemności 50 mililitrów.

Do mieszaniny należy dodać 30 milliliters metanolu. Następnie powstałą zawiesinę wiruj w wirowce przy 2, 240 x G przez trzy minuty. Po odlaniu nadsączu, do osadu należy dodać pięć milliliters telluwinu w celu rozproszenia nanoprętów.

Po wykonaniu od dwóch do trzech cykli poprzednich etapów przetwarzania, zdyspergowanie nanostrzeczniki w 5 mm telluwinu do dalszego użytku. Następnie nanieś kroplę roztworu nanostrzeczników na miedzianą siatkę o oczku 300 mesh, pokrytą ciągłą warstwą węgla, w celu przeprowadzenia analizy za pomocą mikroskopii elektronowej. Usuń nadmiar roztworu za pomocą papieru absorbującego i pozostaw próbkę do wyschnięcia w temperaturze pokojowej.

Następnie należy oznaczyć stężenie nanoprętów siarczku kadmu z zarodkowaniem selenku kadmu w roztworze zapasowym, dodając 20 µL przetworzonych nanoprętów do 3 mL telluwinu. Pomiar absorbancji należy przeprowadzić przy 350 nm i obliczyć stężenie nanoprętów, korzystając ze znanej absorpcyjności molowej dla tej długości fali. Należy przygotować roztwór zapasowy dodecylaminy, dodając 0,14 g dodecylaminy do 5 mL etanolu.

Poddaj roztwór sonikacji przy częstotliwości 37 kHz i mocy 320 W przez około pięć minut, aby zapewnić odpowiednie wymieszanie roztworu. Następnie przygotuj 1 mL roztworu nanokryształów o odpowiednim stężeniu. Dodaj 6 mg kwasu oktyladcylofosfonowego do roztworu nanokryształów i sonikuj przez 10 minut przy częstotliwości 37 kHz i mocy 320 W.

Podczas sonikacji należy ręcznie wstrząsać mieszaniną roztworów, ponieważ całkowite rozpuszczenie kwasu oktadecylfosfonowego w roztworze nanokryształów jest kluczowe. W oddzielnej fiolce wymieszać 1 ml roztworu azotku srebra o odpowiednim stężeniu oraz 1 ml roztworu zapasu dodecyloaminy. Dodać mieszadło magnetyczne i intensywnie mieszać roztwór przy prędkości 800 RPM; podczas mieszania dodać do fiolki 1 ml roztworu nanokryształów i pozwolić reakcji przebiegać przez odpowiedni czas, zgodnie z protokołem tekstowym.

Po zakończeniu reakcji należy przerwać mieszanie i pozwolić roztworowi rozwarstwić się na fazy. Następnie należy usunąć dolną warstwę wodną. Do warstwy organicznej należy dodać pięć mililitrów metanolu w celu wytrącenia nanokryształów.

Następnie odwirować mieszaninę z prędkością 2 240 x G przez trzy minuty. Po odlaniu nadsądu dodać jeden mililitr telluwinu, aby ponownie zdyspergować produkt w celu dalszej charakterystyki. Wykorzystując nanopręty siarczku kadmu z zarodkowaniem selenku kadmu jako układ modelowy, zademonstrowano proces częściowej wymiany jonów srebra w celu przekształcenia ścianek końców nanoprętów w końcówki z siarczku srebra.

Po reakcji z kwasem oktadecylfosfonowym ligandy dodecyloaminy desorbowały z powierzchni, a ścianie zrosły się, tworząc połączone łańcuchy nanoprętów. W analizie TEM roztworu hybrydowego w obszarach złącza widoczne są domeny siarczku srebra oraz kontakty amputextile z dwoma nanoprętami. Analiza pierwszej transformaty Fouriera ujawnia dwie stałe sieciowe, które można przypisać ścianom 001 siarczku srebra i siarczku kadmu.

Analiza EDX w obszarze połączeń wykazuje obecność srebra i brak kadmu. Wydajność oraz charakter statystyczny procesu łączenia można zwizualizować za pomocą histogramu przedstawiającego liczbę prętów połączonych w łańcuch nanoprętów. Bez zastosowania kwasu oktylodecylfosfonowego nie obserwuje się łączenia, a histogram wykazuje dużą proporcję pojedynczych, niepołączonych nanoprętów.

Przy niskim stężeniu jonów srebra otrzymano jedynie krótkie łańcuchy. Statystyki łączenia wykazały, że krótkie łańcuchy charakteryzowały się znacznym udziałem dimerów, a następnie monomerów. Proces łączenia pośredniczony przez srebro można rozszerzyć na nanopręty i tetrapody z selenku kadmu z zarodkami z selenku kadmu.

W odpowiednich warunkach można uzyskać podobne łańcuchowe sieci tych nanostruktur w formie prętów i tetrapodów. Po opanowaniu techniki, procedura ta może zostać wykonana w ciągu trzech godzin, jeśli zostanie przeprowadzona prawidłowo. Podczas realizacji tej procedury należy pamiętać o zapewnieniu takiej samej czystości odczynników, jaka została wskazana w naszym protokole, ponieważ zanieczyszczenia mogą znacząco wpłynąć na wyniki syntezy.

Po przeprowadzeniu tej procedury można zastosować inne metody, takie jak dynamiczne rozpraszanie światła, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, na przykład dotyczące hydrodynamicznych rozmiarów połączonych nanocząstek w roztworze. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak łączyć anizotropowe nanokryształy półprzewodnikowe za pomocą metody opartej na wymianie kationowej. Pamiętaj, że praca z nanokryształami na bazie kadru może być niezwykle niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać środków ostrożności, takich jak stosowanie odpowiedniego sprzętu ochrony osobistej.