Innovatives Quantum Dot Monitoring: Echtzeit-Einblicke in das Wachstum von Nanopartikeln

Cadmiumtetr telluride (CdTe) Quantenpunkte verschiedener Größen, die Licht als Reaktion auf Anregung durch einen UV-Laser emittieren. Anerkennung: Pedro Felipe Garcia Martins da Costa

Lumineszenz ist das Ergebnis eines Prozesses, bei dem ein Objekt Licht bei einer Wellenlänge absorbiert und bei einer anderen Wellenlänge wieder abgibt. In diesem Prozess absorbieren Elektronen im Grundzustand des Materials Licht und werden angeregt in einen höheren Energiezustand. Nach einer spezifischen Zeit, die für jeden angeregten Zustand einzigartig ist, kehren die Elektronen in niedrigere Energiezustände, einschließlich des Grundzustands, zurück und emittieren Licht. Dieses Phänomen wird in einer Vielzahl technologischer Anwendungen genutzt, die hoch effiziente und reproduzierbare emittierende Geräte mit einfacher Miniaturisierung ermöglichen.

Die Materialien mit der höchsten Lumineszenzeffizienz umfassen Quantenpunkte (QDs), die derzeit in hochauflösenden Displays, LEDs, Solarpaneelen und Sensoren verschiedener Arten verwendet werden, wie beispielsweise für die präzise medizinische Bildgebung. Die Funktionalisierung der Oberfläche von QDs mit verschiedenen Molekültypen ermöglicht die Interaktion mit zellulären Strukturen oder anderen interessierenden Molekülen zur Untersuchung molekularer biologischer Prozesse auf molekularer Ebene.

QDs sind halbleitende Nanopartikel, deren emissive Eigenschaften direkt mit der Punktgöße zusammenhängen, aufgrund des Phänomens der Quantenbeschränkung. Daher ermöglicht die Überwachung und Kontrolle des Kristallwachstums während der Synthese von QDs in Lösung eine intelligente Planung der gewünschten Lumineszenz. In einem Artikel, der in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, präsentieren Forscher unter der Leitung von Andrea de Camargo, Professorin am IFSC-USP der Universität São Paulo in Brasilien, und Mitarbeitern der Universität Kiel in Deutschland einen neuartigen Ansatz zur Überwachung der QD-Bildung.

„Wir haben Cadmiumtellurid [CdTe] als Modellsystem verwendet und das Wachstum der Nanopartikel in einer erhitzten wässrigen Lösung mittels in-situ Lumineszenzanalyse kontrolliert“, sagt Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, ein Doktorand am IFSC-USP und Erstautor des Artikels.

Die Technik ermöglicht es Wissenschaftlern, in Echtzeit zu beobachten, was in der Lösung passiert, ohne die QD-Synthese zu beeinträchtigen, so dass sie das Kristallwachstum über die Beobachtung der Farbe (Wellenlänge) des emittierten Lichts überwachen können. „QDs werden durch Mischen von Cadmium (Cd2+) und Tellur (Te2-) Vorläufersalzlösungen in Gegenwart eines Größenkontrollreagenzes synthetisiert. Die Temperatur wird erhöht und die chemische Reaktion beginnt durch Tellurid- und Cadmiumionen-Clustering. Während die Reaktion fortschreitet, fügen sich zusätzliche Einheiten von CdTe der Kugelcluster in einem Prozess namens Selbstorganisation bei. Die Nanopartikelgröße kann durch schnelle und präzise Überwachung der Emissionsfrequenzen abgeschätzt werden. QDs aus CdTe mit einem Durchmesser von 1-2 Nanometern [nm] emittieren im blauen und grünen Bereich des sichtbaren Spektrums. Größere QDs, die 4-5 nm messen, emittieren bei niedrigeren Frequenzen, nämlich gelb und rot“, sagt Leonnam Gotardo Merizio, ein Postdoktorand am IFSC-USP und Zweitautor des Artikels.

Nach Costa hat die neuartige Methode mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Synthesestrategie. „Bei der herkömmlichen Technik müssen Sie kleine Proben der Lösung nehmen, um die QD-Größe zu messen, aber die in situ-Technik ermöglicht es Ihnen, dies zu tun, während der Prozess im Gange ist, ohne in das Reaktionsmedium eingreifen zu müssen, um Proben zu nehmen, sodass pro Zeiteinheit mehr Spektren erhalten werden können, das Reaktionsvolumen nicht beeinträchtigt wird und unnötiger Abfall vermieden wird. Die Emissionsfarbe der interessierenden QDs kann daher viel präziser gesteuert werden. Das Gerät, das das Anregungslicht über einen optischen Glasfaser bei der richtigen Wellenlänge abgibt, sammelt auch das emittierte Licht und bestimmt seine charakteristische Frequenz im RGB-Farbsystem [rot, grün und blau]. Es ist erwähnenswert, dass die Kontrolle des RGB-Systems für die Bildbildung in mehreren leuchtenden Geräten wie Monitoren und Smartphone-Displays relevant ist“, erklärt er.

Die auf diese Weise synthetisierten QDs wurden auch anhand von Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie, Ultraviolett-Vis-Absorptionsspektroskopie und Infrarot-Vibrationsspektroskopie charakterisiert.

Die Existenz von QDs wurde theoretisch bereits 1937 von Herbert Fröhlich (1905-91), einem deutsch-britischen Physiker, vorhergesagt. In den 1980er Jahren beobachteten Alexey Ekimov (geb. 1945) in der damaligen Sowjetunion und Louis Brus (geb. 1943) in den Vereinigten Staaten unabhängig voneinander erstmals die Quantenbeschränkung in halbleitenden Nanopartikeln. In den 1990er Jahren entwickelte der französisch-amerikanische Physiker Moungi Bawendi (geb. 1961) wesentlich verbesserte Methoden zur QD-Synthese. Im Jahr 2023 wurden Ekimov, Brus und Bawendi für ihre Arbeit auf dem Gebiet mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

„Quantenbeschränkung gibt QDs die Fähigkeit, Elektronen in drei Dimensionen einzuschränken, wodurch Quantenphänomene deutlicher werden und sie als Zwischenmaterialien zwischen Atomen, Molekülen und größeren kristallinen Anordnungen charakterisiert werden“, sagt Costa.

„Viele Artikel wurden über die Synthese von QDs aus CdTe veröffentlicht. Der Hauptbeitrag unserer Studie bezieht sich auf die Entwicklung und Anwendung eines hoch flexiblen In-situ-Lumineszenzmesssystems. Die Methodik ermöglichte es uns, die Größe der kristallinen Nanopartikel abzuleiten und die Bildung von Zwischenverbindungen in den chemischen Reaktionen durch In-situ-Assoziation mit anderen Techniken zu charakterisieren, die chemische und/oder strukturelle Analyse ermöglichen [FT-IR, Raman, DRX, etc]. Durch diese Weiterentwicklung der Synthese werden die chemischen Ausbeuten optimiert und Energie eingespart“, sagt Camargo.

Referenz: „Echtzeitüberwachung des Wachstums von CdTe-Quantenpunkten in wässriger Lösung“ von P. F. G. M. da Costa, L. G. Merízio, N. Wolff, H. Terraschke und A. S. S. de Camargo, 3. April 2024, Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8

Die Studie wurde von der São Paulo Research Foundation finanziert.