CdS ve CdSe'den oluşan çubuk şekilli ve tetrapod şekilli çok bileşenli nanoyapıların tohumlanmış sentezi için bir protokol sunulmuştur.
Yöntem makalesi
* These authors contributed equally
CdS ve CdSe'den oluşan çubuk şekilli ve tetrapod şekilli çok bileşenli nanoyapıların tohumlanmış sentezi için bir protokol sunulmuştur.
CdS ve CdSe'den oluşan çok bileşenli nanoyapıların çubuk ve tetrapod morfolojileri ile sentezi için bir yöntem gösteriyoruz. CdSe'nin küresel tohumlarının ilk olarak bir sıcak enjeksiyon tekniği kullanılarak hazırlandığı bir tohumlu sentez stratejisi kullanılır. Tohumun kristal yapısını wurtzite veya çinko-blende olacak şekilde kontrol ederek, tohumdan CdS'nin müteakip sıcak enjeksiyonla büyümesi, sırasıyla çubuk şeklinde veya tetrapod şeklinde bir nanokristal ile sonuçlanır. Sentezlenen nanokristallerin fazı ve morfolojisi, X-ışını kırınımı ve transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak doğrulanır, bu da nanokristallerin faz saflığında olduğunu ve tutarlı bir morfolojiye sahip olduğunu gösterir. Sentezlenen nanokristallerin sönme katsayısı ve kuantum verimi, UV-Vis absorpsiyon spektroskopisi ve fotolüminesans spektroskopisi kullanılarak hesaplanır. Çubuklar ve tetrapodlar, çıplak tohumlarınkinden daha yüksek yok olma katsayıları ve kuantum verimleri sergiler. Bu sentez, tohumlanmış sentetik bir yaklaşım kullanılarak nano ölçekte elde edilebilecek malzemelerin hassas bir şekilde düzenlenmesini göstermektedir.
Çok bileşenli nanoyapıların sentezi son yıllarda hızla gelişmiştir1. Küresel çekirdek-kabuk parçacıkları2,3, tohumlanmış nanoçubuklar4,5 ve tohumlanmış tetrapodlar6 dahil olmak üzere bir dizi II-VI yarı iletken nanoheteroyapı sentezlenmiştir. Bu heteroyapılar, nano ölçekte fotonların ve taşıyıcıların karmaşık manipülasyonuna izin verir ve son derece yüksek sönme katsayıları, polarize emisyon4 ve yüksek kuantum verimleri2,7 dahil olmak üzere birçok ilginç fenomen sergiler.
Çok bileşenli nanoyapıların sentezi, her bir bileşenin bileşimi, fazı, şekli, boyutu ve bağlanabilirliği üzerinde hassas kontrol gerektirir. Bu çeşitli faktörler üzerindeki kontrol, büyük ölçüde çekirdeklenme ve büyüme hızını bağımsız olarak modüle etme yeteneğine dayanır8,9,10. Çekirdeklenme ve büyüme üzerinde bağımsız kontrol elde etmek için bir strateji, bu iki süreci ayrı sentetik adımlara ayırmaktır. Burada, küresel nanokristallerin çekirdeklenmesi ve büyümesi için optimize edilmiş reaksiyon koşulları altında üretilen küçük CdSe tohumlarının, daha sonra CdS büyümesinin, çubuk şeklindeki kollarınanizotropik büyümesi için optimize edilmiş reaksiyon koşulları altında meydana geldiği ikinci bir şişeye nasıl aktarılabileceğini göstereceğiz 6. CdSe tohumunun kristal yapısını wurtzitten çinko-blende ayarlayarak, benzer koşullar altında yetiştirilen CdSe / CdS heteroyapılarının morfolojisinin bir nanoçubuktan bir tetrapoda nasıl değiştirilebileceğini göstereceğiz ve son teknoloji nanoparçacık sentez yöntemlerinin sağladığı faz, şekil ve boyut üzerindeki hassas kontrolü vurgulayacağız. Kadmiyum kalkojenitlerin nanoyapıları, bu malzeme sistemi yoğun bir şekilde araştırıldığından, yeni sentetik tekniklerin geliştirilmesi için yararlı bir model sistemi olarak hizmet etmiştir; Bu video protokolünde belirli bir nanoyapının sentezi gösterilmiş olsa da, aynı teknikler çok sayıda başka nanoyapının sentezi için de geçerlidir.
Nanoparçacık sentezlerinde kullanılan teknikler ve reaktiflerdeki küçük farklılıkların, nihai üründe dramatik farklılıklar yarattığı gösterilmiştir. Örneğin, sentez sırasında mevcut olan sıcaklık artış hızı11 vesafsızlıklar 12-14'ün nanokristallerin boyutunu ve şeklini önemli ölçüde etkilediği gösterilmiştir. Sentetik prosedürlerin son derece hassas olduğu spesifik faktörlerin tanımlanmasıyla, nanokristal sentezlerin tekrarlanabilirliği gelişmeye devam etmektedir. Bu ayrıntılı video protokolü, alandaki yeni uygulayıcıların nanopartiküllerin sentezi ile ilişkili birçok yaygın tuzaktan kaçınmasına yardımcı olmayı amaçlamaktadır.
Kullanmadan önce lütfen ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formlarına (MSDS) başvurun. Bu sentezlerde kullanılan kimyasalların bir kısmı akut toksik ve kanserojendir. Nanomalzemeler, dökme karşılıklarına kıyasla ek tehlikelere sahip olabilir. Nanokristal reaksiyonu gerçekleştirirken, mühendislik kontrollerinin (çeker ocak, glovebox) ve kişisel koruyucu donanımların (güvenlik gözlüğü, eldiven, laboratuvar önlüğü, tam boy pantolon, kapalı burunlu ayakkabı) kullanımı dahil olmak üzere tüm uygun güvenlik uygulamalarını lütfen uygulayın. Aşağıdaki prosedürlerin bazı bölümleri standart havasız işlem tekniklerini içerir15.
1. Moleküler Öncüllerin Hazırlanması
2. CdSe Tohumlarının Sentezi

3. CdSe/CdS Heteroyapılarının Sentezi
Tohumlar (Şekil 1) ve nihai heteroyapılar (Şekil 2) için absorbsiyon spektrumları, fotolüminesans (PL) spektrumları, X-ışını kırınımı (XRD) desenleri ve transmisyon elektron mikroskopisi (TEM) görüntüleri toplanmıştır. Absorbsiyon ve PL spektrumları, nanoyapıların sönümleme katsayısını ve kuantum verimini hesaplamak için kullanılır. XRD ve TEM ise nanoyapıların fazını ve morfolojisini belirlemek için kullanılır.

Şekil 1. Wurtzite ve çinko-blende kristal yapılarına sahip CdSe nanokristal çekirdekleri. (a, b) Sırasıyla wurtzite ve çinko-blende CdSe nanokristallerinin TEM görüntülerini içeren iç görsellerle birlikte absorpsiyon (siyah) ve PL (kırmızı) spektrumları. (c, d) Referans olarak ilgili dökme malzemelerin çizgi desenlerinin sunulduğu, wurtzite ve çinko-blende CdSe nanokristallerinin X-ışını kırınım desenleri. Daha büyük resmi görüntülemek için buraya tıklayın.

Şekil 2. Çubuk ve tetrapod morfolojilerine sahip CdSe/CdS çekirdekli heteroyapılar. (a, b) Sırasıyla CdSe/CdS nanoçubukların ve CdSe/CdS tetrapodların TEM görüntüleri. (c, d) CdSe/CdS nanoçubukların ve tetrapodların XRD paternleri. Yalnızca wurtzite CdS'den gelen yansımalar belirgindir. (e, f) CdSe/CdS nanoçubukların ve tetrapodların absorpsiyon (siyah) ve PL (kırmızı) spektrumları. Yeşil çizgi, CdSe çekirdeğine bağlı absorpsiyonu vurgulamak için büyütülmüş absorpsiyon spektrumlarını göstermektedir. Daha büyük görüntüyü görmek için buraya tıklayın.
w-CdSe ve zb-CdSe çekirdeklerinin optik spektrumları, çekirdeklerin yüksek derecede monodispers olması nedeniyle net eksitonik absorpsiyon sergilemektedir (Şekil 1a ve 1b); ilk eksiton enerjisi, w-CdSe ve zb-CdSe için sırasıyla 3,3 nm ve 3,6 nm çaplara karşılık gelmektedir. Çekirdekler ayrıca, numunenin hazırlama yöntemine bağlı olarak yaklaşık %3-30 arasında değişen kuantum verimleri ile güçlü fotolüminesans sergilemektedir; örneğin, daha fazla temizleme adımı yüzey ligandlarını uzaklaştırma eğilimindedir ve daha düşük kuantum verimlerine yol açmaktadır6. PL pikinin dar yarı maksimum tam genişliği (w-CdSe ve zb-CdSe nanokristalleri için sırasıyla 31 nm ve 33 nm), %5-10'luk boyut dağılımlarıyla uyumludur21.
Tohumlar için toplanan X-ışını kırınım desenleri (Şekil 1c ve 1d), bunların istenen fazda olduğunu doğrulamaktadır. Wurtzite fazı, çinko-blend fazında bulunmayan 41.1° ve 53.8° değerlerinde belirgin yansımalara sahiptir. Pik genişlemesi, sonlu kristal boyutundan kaynaklanan Scherrer genişlemesinden ileri gelmektedir.
CdSe çekirdeklerinin kristal yapısındaki farklılıklar, nihai heteroyapının çarpıcı biçimde farklı morfolojilerine yol açar (Şekil 2a ve 2b)6. w-CdS, w-CdSe'nin (001) ve (00
) yüzeylerinden çekirdeklenir ve büyür; tek eksenli büyüme olduğu için bu durum nihai olarak çubuk şeklinde bir parçacığa yol açar. Buna karşılık, w-CdS, zb-CdSe'nin {111} yüzeylerinden çekirdeklenir ve büyür. Sekiz {111} yüzeyinden dördü, diğerlerine göre daha düşük koordinatif doygunluk sergiler; sonuç olarak, w-CdS'nin bu dört yüzey üzerinden daha hızlı büyümesini gözlemleriz ve bu durum tetrapod morfolojisine yol açar22. Çekirdeklendirilmiş çubuklar ve tetrapodlar, XRD ile doğrulandığı üzere wurtzite CdS'ye karşılık gelen yüksek kristalinite sergiler (Şekil 2c ve 2d).
Heteroyapıların CdS kısmı, CdSe çekirdeğe kıyasla çok daha büyük olduğundan, çekirdeklerden kaynaklanan absorpsiyon, toplam absorpsiyonun küçük bir yüzdesini oluşturur. Sonuç olarak heteroyapılar, absorpsiyonun çoğunluğunun CdSe çekirdeğinden kaynaklandığı 500 nm'den daha uzun dalga boylarında zayıf absorpsiyon gösterir (Şekil 2e ve 2f). 500 nm'den daha kısa dalga boylarında, daha geniş bant aralıklı CdS önemli ölçüde absorpsiyon yapmaya başladığı için absorpsiyon dramatik şekilde artar. Çekirdeklerin sönüm katsayıları 105 M-1cm-1 mertebesindeyken, çubukların ve tetrapodların sönüm katsayıları sırasıyla 107 M-1cm-1 ve 108 M-1cm-1 ile önemli ölçüde daha yüksektir6. Hem çubuklar hem de tetrapodlar için heteroyapıların ilk eksitonik geçişi, elektronlar ve boşluklar daha büyük bir parçacık üzerine yayıldığı için yalın çekirdeklere kıyasla kırmızıya kaymıştır (Şekil 2e ve 2f).
Heteroyapının bileşenlerinin özel boyutuna ve ortaya çıkan bant yapısına bağlı olarak, delik daha çok çekirdeğe hapsolma eğilimindeyken, elektronun tüm partikül boyunca hareket etmesi daha serbesttir23. Sonuç olarak, rekombinasyon partikül yüzeyinden uzakta gerçekleşir; bu durum çubuklar için %75'in üzerinde, tetrapodlar için ise %35-70 arasında olan ve çıplak CdSe çekirdeklerininkinden önemli ölçüde daha yüksek olan kuantum verimlerine yol açar6. Ayrıca, CdSe çekirdekler üzerindeki CdS'den gelen inorganik pasivasyon, artırılmış çevresel stabilite sağlar.
Tohumun kristal yapısı üzerinde kontrol sağlayarak, nano ölçekli bir heteroyapının nihai morfolojisinin kontrol edilmesi için bir yöntem demonstre ettik. Bu aynı tohumlu büyüme yaklaşımı halihazırda geniş bir yapı yelpazesine uygulanmıştır ve bu yaklaşımla sentezlenebilecek heteroyapı türlerinin genişlemeye devam edeceğini öngörüyoruz.
Açıklayacak hiçbir şeyimiz yok.
Bu çalışma, DE-AC02-05CH11231 sözleşmesi kapsamında Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı'nın Temel Enerji Bilimleri Ofisi, Bilim Ofisi Direktörü KC3103, İnorganik Nanoyapıların Fiziksel Kimyası Programı tarafından desteklenmiştir. Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi, Sözleşme No. kapsamında ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri Ofisi Kullanıcı Tesisi tarafından desteklenmektedir. DE-AC02-06CH11357. K.M. ve B.J.B., kısmen 2009 tarihli Amerikan Kurtarma ve Yeniden Yatırım Yasası ile mümkün kılınan ve ORISE-ORAU tarafından sözleşme no'lu olarak yönetilen Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi Lisansüstü Burs Programı'nın (DOE SCGF) desteğini minnetle kabul eder. DE-AC05-06VEYA23100.
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Sodyum hidroksit, %98 | Fisher | BP359 | |
| Miristik asit, %99 | Sigma Aldrich | M3128 | |
| Metanol, %99,8 | Fisher | A412 | |
| Kadmiyum nitrat tetrahidrat, %99 | Sigma Aldrich | 20911 | Yüksek derecede toksik |
| Kadmiyum oksit (CdO), %99,99 | Sigma Aldrich | 202894 | Çok toksik |
| 1- Oktadesen (ODE),% 90 | Sigma Aldrich | O806 | Teknik sınıf |
| Selenyum (Se), 100 mesh,% 99.99 | Sigma Aldrich | 229865 | |
| Tri-n-oktilfosfin (TOP),% 97 | Strem | 15-6655 | Havaya duyarlı |
| Kükürt (S),% 99.9995 | Alfa Aesar | 10343 | |
| Trioktilfosfin oksit (TOPO),% 99 | Strem | 15-6661 | |
| N-Oktadesilfosfonik asit (ODPA), %99 | PCI Sentezi | 104224 | |
| Metanol, susuz, %99,8 | Sigma Aldrich | 322415 | |
| Toluen, susuz, %99,8 | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Kloroform, susuz, %99 | Sigma Aldrich | 288306 | |
| Aseton, %99,9 | Fisher | A949 | 4 Å'in üzerinde kurutulmuş; elekler |
| Hekzan, susuz, %95 | Sigma Aldrich | 296090 | |
| 2-Propanol, susuz, %99,5 | Sigma Aldrich | 278475 | |
| Selenyum dioksit, %99,999 | Sigma Aldrich | 204315 | |
| Oleik asit, %90 | Sigma Aldrich | 364525 | Teknik sınıf |
| Olelamin, %70 | Sigma Aldrich | O7805 | Teknik sınıf |
| Propilfosfonik asit (PPA), %95 | Sigma Aldrich | 305685 | |
| Etanol, susuz, %99,5 | Sigma Aldrich | 459836 | |
| Oktilamin, %99 | Sigma Aldrich | O5802 |