Um protocolo para a síntese semeada de nanoestruturas multicomponentes em forma de bastonete e tetrápode-dado forma que consistem em CdS e CdSe é apresentado.
Artigo de método
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Um protocolo para a síntese semeada de nanoestruturas multicomponentes em forma de bastonete e tetrápode-dado forma que consistem em CdS e CdSe é apresentado.
Demonstramos um método para a síntese de nanoestruturas multicomponentes consistindo de CdS e CdSe com morfologias de bastonetes e tetrápodes. Uma estratégia de síntese semeada é usada na qual sementes esféricas de CdSe são preparadas primeiro usando uma técnica de injeção a quente. Ao controlar a estrutura cristalina da semente para ser wurtzita ou zinco-blenda, o subsequente crescimento de injeção a quente de CdS fora da semente resulta em um nanocristal em forma de bastonete ou tetrápode, respectivamente. A fase e a morfologia dos nanocristais sintetizados são confirmadas usando difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão, demonstrando que os nanocristais são de fase pura e têm uma morfologia consistente. O coeficiente de extinção e o rendimento quântico dos nanocristais sintetizados são calculados usando espectroscopia de absorção UV-Vis e espectroscopia de fotoluminescência. Os bastonetes e tetrápodes exibem coeficientes de extinção e rendimentos quânticos superiores aos das sementes nuas. Esta síntese demonstra o arranjo preciso dos materiais que podem ser conseguidos no nanoscale usando uma aproximação sintética semeada.
A síntese de nanoestruturas multicomponentes desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos1. Uma variedade de nanoheteroestruturas semicondutoras II-VI foi sintetizada, incluindo partículas esféricas de casca de núcleo2,3, nanobastões semeados4,5 e tetrápodes semeados6. Essas heteroestruturas permitem a manipulação sofisticada de fótons e portadores em nanoescala e exibem muitos fenômenos interessantes, incluindo coeficientes de extinção extremamente altos, emissão polarizada4 e altos rendimentos quânticos2,7.
A síntese de nanoestruturas multicomponentes requer controle preciso sobre a composição, fase, forma, tamanho e conectividade de cada componente. O controle sobre esses vários fatores depende em grande parte da capacidade de modular independentemente a taxa de nucleação e crescimento8,9,10. Uma estratégia para obter controle independente sobre a nucleação e o crescimento é separar esses dois processos em etapas sintéticas separadas. Aqui, mostraremos como pequenas sementes de CdSe geradas sob condições de reação otimizadas para nucleação e crescimento de nanocristais esféricos podem então ser transferidas para um segundo frasco onde ocorre o crescimento de CdS sob condições de reação otimizadas para crescimento anisotrópico de braços em forma de bastonete6. Ao ajustar a estrutura cristalina da semente de CdSe de wurtzita para zinco-blenda, demonstraremos como a morfologia das heteroestruturas de CdSe / CdS cultivadas em condições semelhantes pode ser alterada de um nanobastão para um tetrápode, destacando o controle preciso sobre a fase, forma e tamanho proporcionado por métodos de síntese de nanopartículas de última geração. As nanoestruturas dos calcogenetos de cádmio têm servido como um sistema-modelo útil para o desenvolvimento de novas técnicas sintéticas, uma vez que este sistema de materiais tem sido intensamente explorado; Embora a síntese de uma nanoestrutura particular seja mostrada neste protocolo de vídeo, as mesmas técnicas são aplicáveis à síntese de várias outras nanoestruturas.
Pequenas diferenças nas técnicas e reagentes empregados nas sínteses de nanopartículas demonstraram criar diferenças dramáticas no produto final. Por exemplo, a taxa de rampa de temperatura11 e as impurezas12-14 presentes durante a síntese demonstraram impactar drasticamente o tamanho e a forma dos nanocristais. Com a identificação dos fatores específicos aos quais os procedimentos sintéticos são altamente sensíveis, a reprodutibilidade das sínteses de nanocristais continua a melhorar. Este protocolo de vídeo detalhado destina-se a ajudar os novos profissionais da área a evitar muitas armadilhas comuns associadas à síntese de nanopartículas.
Consulte todas as fichas de dados de segurança (FDS) relevantes antes do uso. Vários dos produtos químicos utilizados nestas sínteses são agudamente tóxicos e carcinogênicos. Os nanomateriais podem apresentar riscos adicionais em comparação com suas formas em massa. Utilize todas as práticas de segurança apropriadas ao realizar uma reação de nanocristais, incluindo o uso de controles de engenharia (capela de exaustão, caixa de luvas) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco laboratorial, calças compridas e calçados fechados). Partes dos procedimentos a seguir envolvem técnicas padrão de manipulação isenta de ar15.
1. Preparação dos Precursores Moleculares
2. Síntese das Sementes de CdSe

3. Síntese de Heteroestruturas CdSe/CdS
Foram coletados espectros de absorção, espectros de fotoluminescência (PL), padrões de difração de raios X (XRD) e imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para as sementes (Figura 1) e as heteroestruturas finais (Figura 2). Os espectros de absorção e PL são utilizados para calcular o coeficiente de extinção e o rendimento quântico das nanoestruturas. XRD e TEM são utilizados para determinar a fase e a morfologia das nanoestruturas.

Figura 1. Sementes de nanocristais de CdSe com estruturas cristalinas do tipo wurtzita e blenda de zinco. (a, b) Espectros de absorção (preto) e de PL (vermelho) com imagens inseridas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) dos nanocristais de CdSe com estruturas wurtzita e blenda de zinco, respectivamente. (c, d) Padrões de difração de raios X dos nanocristais de CdSe com estruturas wurtzita e blenda de zinco, com os padrões de linhas dos materiais maciços correspondentes apresentados para referência. Clique aqui para visualizar a imagem em tamanho maior.

Figura 2. Heteroestruturas enxertadas de CdSe/CdS com morfologias de bastão e tetrapodo. (a, b) Imagens de MET de nanobastões de CdSe/CdS e tetrapodos de CdSe/CdS, respectivamente. (c, d) Padrões de XRD de nanobastões e tetrapodos de CdSe/CdS. Apenas reflexões do CdS wurtzita são aparentes. (e, f) Espectros de absorção (preto) e de PL (vermelho) de nanobastões e tetrapodos de CdSe/CdS. A linha verde mostra os espectros de absorção ampliados para destacar a absorção devido à semente de CdSe. Clique aqui para visualizar a imagem em tamanho maior.
Os espectros ópticos para as sementes de w-CdSe e zb-CdSe exibem uma absorção excitônica clara (Figuras 1a e 1b), já que as sementes são altamente monodispersas; a energia do primeiro exciton corresponde a diâmetros de 3,3 nm e 3,6 nm para w-CdSe e zb-CdSe, respectivamente. As sementes também exibem forte fotoluminescência, com rendimentos quânticos variando aproximadamente de 3 a 30%, dependendo do método de preparação da amostra; por exemplo, um maior número de etapas de limpeza tende a remover os ligantes superficiais e levar a rendimentos quânticos mais baixos6. A estreita largura em meia altura do pico de PL (31 nm e 33 nm para as nanocristais de w-CdSe e zb-CdSe, respectivamente) é compatível com distribuições de tamanho de 5-10%21.
Os padrões de difração de raios X coletados para as sementes (Figuras 1c e 1d) confirmam que elas são da fase desejada. A fase wurtzita apresenta reflexos nítidos em 41,1° e 53,8° que estão ausentes na fase zincoblenda. O alargamento dos picos decorre do alargamento de Scherrer devido ao tamanho finito dos cristais.
As diferenças na estrutura cristalina das sementes de CdSe levam a morfologias drasticamente distintas na heteroestrutura final (Figuras 2a e 2b)6. O w-CdS nucleia e cresce a partir das faces (001) e (00
) do w-CdSe, resultando em uma partícula final com formato de bastão, devido ao crescimento uniaxial. Em contraste, o w-CdS nucleia e cresce a partir das faces {111} do zb-CdSe. Dentre as oito faces {111}, quatro apresentam saturação coordenativa menor do que as demais; como resultado, observamos um crescimento mais rápido do w-CdS nessas quatro faces, o que leva a uma morfologia tetrapódica22. Os bastões e tetrapódios com sementes exibem alta cristalinidade, correspondente ao CdS wurtzita, conforme confirmado por XRD (Figuras 2c e 2d).
Como a porção de CdS das heteroestruturas é muito maior em comparação com a semente de CdSe, a absorção devida às sementes representa uma pequena porcentagem da absorção total. Como resultado, as heteroestruturas absorvem fracamente em comprimentos de onda superiores a 500 nm, onde a maior parte da absorção é devida à semente de CdSe (Figuras 2e e 2f). Em comprimentos de onda inferiores a 500 nm, a absorção é drasticamente aumentada, já que o CdS, com um bandgap maior, começa a absorver significativamente. Os coeficientes de extinção das sementes são da ordem de 105 M-1cm-1, enquanto as barras e os tetrapodos apresentam coeficientes de extinção significativamente maiores6 de 107 M-1cm-1 e 108 M-1cm-1, respectivamente. Tanto para as barras quanto para os tetrapodos, a primeira transição excitônica das heteroestruturas é deslocada para o vermelho em comparação com as sementes nuas (Figuras 2e e 2f), já que os elétrons e lacunas estão distribuídos por uma partícula maior.
Dependendo do tamanho específico dos componentes da heteroestrutura e da estrutura de bandas resultante, o buraco tende a ficar parcialmente confinado na semente, enquanto o elétron tem maior liberdade para se mover por toda a partícula23. Como resultado, a recombinação ocorre afastada da superfície da partícula, levando a rendimentos quânticos para bastões superiores a 75% e para tetrapodos entre 35-70%, valores significativamente mais altos do que os das sementes de CdSe puras6. Além disso, a passivação inorgânica proporcionada pelo CdS nas sementes de CdSe confere maior estabilidade ambiental.
Demonstramos um método para controlar a morfologia final de uma heteroestrutura em escala nanométrica por meio do controle da estrutura cristalina da semente. Essa mesma abordagem de crescimento com semente já foi aplicada a uma ampla variedade de estruturas, e esperamos que os tipos de heteroestruturas que podem ser sintetizados por essa abordagem continuem a expandir-se.
Não temos nada a divulgar.
Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Química Física de Nanoestruturas Inorgânicas, KC3103, Diretor, Escritório de Ciência, Escritório de Ciências Básicas de Energia, do Departamento de Energia dos Estados Unidos sob o contrato DE-AC02-05CH11231. O Centro de Materiais em Nanoescala no Laboratório Nacional de Argonne é apoiado por um Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Instalações de Usuário de Ciências Energéticas Básicas sob o Contrato No. DE-AC02-06CH11357. K.M. e B.J.B. agradecem o apoio do Departamento de Energia do Programa de Bolsas de Pós-Graduação em Ciências (DOE SCGF), possibilitado em parte pela Lei Americana de Recuperação e Reinvestimento de 2009 e administrado pela ORISE-ORAU sob o contrato nº. DE-AC05-06OU23100.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Hidróxido de sódio, 98% | Fisher | BP359 | |
| Ácido mirístico, 99% | Sigma Aldrich | M3128 | |
| Metanol, 99,8% | Fisher | A412 | |
| Nitrato de cádmio tetrahidratado, 99% | Sigma Aldrich | 20911 | |
| Óxido de cádmio (CdO) altamente tóxico, 99,99% | Sigma Aldrich | 202894 | Altamente tóxico |
| 1- Octadeceno (ODE), 90% | Sigma Aldrich | O806 | |
| Selênio de grau técnico (Se), 100 mesh, 99,99% | Sigma Aldrich | 229865 | |
| Tri-n-octilfosfina (TOP), 97% | Strem | 15-6655 | sensível ao ar |
| (S), 99,9995% | Alfa Aesar | 10343 | |
| Óxido de trioctilfosfina (TOPO), 99% | Strem | 15-6661 | |
| Ácido N-octadecilfosfônico (ODPA), 99% | Síntese de PCI | 104224 | |
| Metanol, anidro, 99,8% | Sigma Aldrich | 322415 | |
| Tolueno, anidro, 99,8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Clorofórmio, anidro, 99% | Sigma Aldrich | 288306 | |
| acetona, 99,9% | Fisher | A949 | Seco em 4 peneiras |
| Hexano, anidro, 95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| 2-Propanol, anidro, 99,5% | Sigma Aldrich | 278475 | |
| dióxido de selênio, 99,999% | Sigma Aldrich | 204315 | |
| ácido oleico, 90% | Sigma Aldrich | 364525 | grau técnico |
| Oleylamina, 70% | Sigma Aldrich | O7805 | grau técnico |
| Ácido propilfosfônico (PPA), 95% | Sigma Aldrich | 305685 | |
| Etanol, anidro, 99,5% | Sigma Aldrich | 459836 | |
| Octilamina, 99% | Sigma Aldrich | O5802 |