Innovatieve Quantum Dot Monitoring: Real-Time Inzichten In Nanodeeltje Groei

Cadmium telluride (CdTe) quantum dots van verschillende groottes die licht uitstralen als reactie op excitatie door een UV-laser. Credit: Pedro Felipe Garcia Martins da Costa

Luminescentie is het resultaat van een proces waarbij een object licht absorbeert bij één golflengte en het opnieuw uitstraalt bij een andere golflengte. Tijdens dit proces absorberen elektronen in de grondtoestand van het materiaal licht en worden ze geëxciteerd naar een hogere energietoestand. Na een specifieke periode, uniek voor elke geëxciteerde toestand, keren de elektronen terug naar lagere energietoestanden, waaronder de grondtoestand, en stralen ze licht uit. Dit fenomeen wordt gebruikt in een breed scala van technologische toepassingen, met zeer efficiënte en reproduceerbare emitterende apparaten die gemakkelijk kunnen worden geminimaliseerd.

Materialen met de hoogste luminescentie-efficiëntie omvatten quantumdots (QD's), die momenteel worden gebruikt in displays met hoge resolutie, LED's, zonnepanelen en sensoren van verschillende soorten, zoals die worden gebruikt voor precisie medische beeldvorming. Functionaliseren van het oppervlak van QD's met verschillende soorten moleculen maakt interactie met celstructuren of andere moleculen van belang mogelijk voor het onderzoeken van op moleculair niveau biologische processen.

QD's zijn halfgeleidende nanopartikels waarvan de emissieve eigenschappen rechtstreeks zijn gekoppeld aan de puntgrootte, te wijten aan het fenomeen van quantumbeperking. Daarom maakt monitoring en controle van de kristalgroei tijdens de synthese van QD's in oplossing een intelligent plannen van de gewenste luminescentie mogelijk. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports presenteren onderzoekers onder leiding van Andrea de Camargo, een professor aan het São Carlos Physics Institute (IFSC-USP) van de Universiteit van São Paulo in Brazilië, en medewerkers van de universiteit van Kiel in Duitsland een nieuwe aanpak voor de monitoring van QD-vorming.

“We hebben cadmiumtelluride [CdTe] gebruikt als een modelsysteem en hebben de groei van nanopartikels gecontroleerd in een verwarmde waterige oplossing via in situ luminescentieanalyse,” zegt Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, een doctoraatsstudent aan IFSC-USP en eerste auteur van het artikel.

De techniek stelt wetenschappers in staat om in realtime te zien wat er in de oplossing gebeurt zonder QD-synthese te beïnvloeden, zodat ze kristalgroei kunnen monitoren door de kleur (golflengte) van het uitgestraalde licht te observeren. “QD's worden gesynthetiseerd door cadmium (Cd2+) en telluur (Te2-) precursoroplossingen te mengen in aanwezigheid van een maatreagens voor de groottecontrole. De temperatuur wordt verhoogd en de chemische reactie begint via telluride en cadmiumionclustering. Naarmate de reactie vordert, voegen extra eenheden van CdTe zich sferisch bij het cluster in een proces dat bekend staat als zelfassemblage. De grootte van het nanopartikel kan worden geschat dankzij snelle en precieze monitoring van de emissiefrequenties. QD's van CdTe met een diameter van 1-2 nanometer [nm] stralen uit in het blauwe en groene gebied van het zichtbare spectrum. Grotere QD's, die 4-5 nm meten, stralen uit op lagere frequenties, respectievelijk geel en rood,” zegt Leonnam Gotardo Merizio, een postdoctoraal onderzoeker aan IFSC-USP en tweede auteur van het artikel.

Volgens Costa heeft de nieuwe methode verschillende voordelen ten opzichte van de conventionele synthese strategie. “Bij de conventionele techniek moet je kleine monsters van de oplossing nemen om de QD-grootte te meten, maar de in situ techniek stelt je in staat om dit te doen terwijl het proces aan de gang is, zonder de reactiemedium te verstoren om monsters te nemen zodat er meer spectra verkregen kunnen worden per eenheid van tijd, het reactievolume niet wordt beïnvloed, en onnodig afval wordt vermeden. De emissiekleur van de QD's van interesse kan dus veel preciezer worden gecontroleerd. Het apparaat dat het excitatielicht via een optische vezel aflevert op de juiste golflengte verzamelt ook het uitgestraalde licht en bepaalt de karakteristieke frequentie ervan in het RGB [rood, groen, en blauw] kleursysteem. Het is het vermelden waard dat de controle van het RGB-systeem relevant is voor de beeldvorming in verschillende luminescente apparaten, zoals monitoren en smartphone-displays,” legt hij uit.

QD's die op deze manier zijn gesynthetiseerd, zijn ook gekarakteriseerd door middel van röntgendiffractie, transmissie-elektronenmicroscopie, ultraviolet-zichtbare absorptiespectroscopie en infraroodvibratiespectroscopie.

De aanwezigheid van QD's werd theoretisch voorspeld in 1937 door Herbert Fröhlich (1905-91), een Duits-Britse fysicus. In de jaren 80 hebben Alexey Ekimov (geboren in 1945) in wat toen de Sovjet-Unie was, en Louis Brus (geboren in 1943) in de Verenigde Staten, onafhankelijk quantumbeperking waargenomen in halfgeleidende nanopartikels voor de eerste keer. In de jaren 90 ontwikkelde de Frans-Amerikaanse fysicus Moungi Bawendi (geboren in 1961) aanzienlijk verbeterde methoden voor QD-synthese. In 2023 kregen Ekimov, Brus en Bawendi de Nobelprijs voor de Scheikunde toegekend voor hun werk op dit gebied.

“Quantum confinement geeft QDs de capaciteit om elektronen in drie dimensies te beperken, waardoor kwantumverschijnselen meer evident worden en ze worden gekarakteriseerd als intermediaire materialen tussen atomen, moleculen en grotere kristallijnen reeksen,” zegt Costa.

“Er zijn vele papers gepubliceerd over de synthese van QDs gemaakt van CdTe. De belangrijkste bijdrage van ons onderzoek heeft betrekking op de ontwikkeling en toepassing van een zeer veelzijdig in situ luminescentie meetssysteem. De methodologie stelde ons in staat om de grootte van de kristallijne nanopartikels te deduceren en de vorming van intermediaire verbindingen in de chemische reacties te karakteriseren door in situ associatie met andere technieken die chemische en/of structurele analyse toelaten [FT-IR, Raman, DRX, etc]. Deze evolutie van synthese optimaliseert chemische opbrengsten en bespaart energie,” zegt Camargo.

Referentie: “Real-time monitoring of CdTe quantum dots growth in aqueous solution” door P. F. G. M. da Costa, L. G. Merízio, N. Wolff, H. Terraschke en A. S. S. de Camargo, 3 april 2024, Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8

Het onderzoek werd gefinancierd door de São Paulo Research Foundation.