Innowacyjne monitorowanie kropelek kwantowych: rzeczywiste spojrzenie w czasie rzeczywiste na wzrost nano cząstek

Kropki kwantowe tellurku kadmu (CdTe) o różnych rozmiarach emitujące światło w odpowiedzi na wzbudzenie laserem UV. Źródło: Pedro Felipe Garcia Martins da Costa

Luminescencja to wynik procesu, w którym obiekt pochłania światło o jednej długości fali i ponownie je emituje o innej długości fali. Podczas tego procesu elektrony w stanie podstawowym materiału pochłaniają światło i stają się wzbudzone do stanu o wyższej energii. Po określonym czasie, unikalnym dla każdego stanu wzbudzonego, elektrony powracają do stanów o niższej energii, w tym do stanu podstawowego, i emitują światło. Zjawisko to jest wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań technologicznych, obejmujących wysoce wydajne i powtarzalne urządzenia emitujące, które można łatwo zminiaturizować.

Materiały o najwyższej wydajności luminescencji obejmują kropki kwantowe (QD), obecnie stosowane w wyświetlaczach o wysokiej rozdzielczości, diodach LED, panelach słonecznych i czujnikach różnego rodzaju, takich jak te stosowane w precyzyjnym obrazowaniu medycznym. Funkcjonalizacja powierzchni kropek kwantowych różnymi typami cząsteczek umożliwia interakcję ze strukturami komórkowymi lub innymi interesującymi cząsteczkami w celu zbadania procesów biologicznych na poziomie molekularnym.

Kropki kwantowe to półprzewodnikowe nanocząstki, których charakterystyka emisyjna jest bezpośrednio związana z rozmiarem kropki, ze względu na zjawisko ograniczenia kwantowego. Z tego powodu monitorowanie i kontrola wzrostu kryształów podczas syntezy kropek kwantowych w roztworze umożliwia inteligentne planowanie pożądanej luminescencji. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Scientific Reports, naukowcy pod przewodnictwem Andrei de Camargo, profesora z Instytutu Fizyki São Carlos (IFSC-USP) Uniwersytetu w São Paulo w Brazylii, oraz współpracownicy z Uniwersytetu w Kilonii w Niemczech przedstawiają nowatorskie podejście do monitorowania powstawania kropek kwantowych.

„Użyliśmy tellurku kadmu [CdTe] jako układu modelowego i kontrolowaliśmy wzrost nanocząstek w podgrzewanym roztworze wodnym za pomocą analizy luminescencji in situ” — mówi Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, doktorant w IFSC-USP i pierwszy autor artykułu.

Technika ta umożliwia naukowcom obserwowanie tego, co dzieje się w roztworze w czasie rzeczywistym, bez wpływu na syntezę QD, dzięki czemu mogą monitorować wzrost kryształów, obserwując kolor (długość fali) emitowanego światła. „QD są syntetyzowane przez mieszanie roztworów prekursorów kadmu (Cd2+) i telluru (Te2-) w obecności odczynnika kontrolującego rozmiar. Temperatura jest podnoszona, a reakcja chemiczna rozpoczyna się poprzez klastrowanie tellurku i jonów kadmu. W miarę postępu reakcji dodatkowe jednostki CdTe dołączają do klastra sferycznie w procesie znanym jako samoorganizacja. Rozmiar nanocząstek można oszacować dzięki szybkiemu i precyzyjnemu monitorowaniu częstotliwości emisji. QD CdTe o średnicy 1-2 nanometrów [nm] emitują w niebieskim i zielonym obszarze widzialnego widma. Większe QD, mierzące 4-5 nm, emitują przy niższych częstotliwościach, odpowiednio żółtych i czerwonych”, mówi Leonnam Gotardo Merizio, badacz podoktorancki w IFSC-USP i drugi autor artykułu.

Według Costy, nowa metoda ma kilka zalet w porównaniu z konwencjonalną strategią syntezy. „W konwencjonalnej technice trzeba pobrać małe próbki roztworu, aby zmierzyć rozmiar QD, ale technika in situ pozwala to zrobić w trakcie procesu, bez konieczności zakłócania środowiska reakcji w celu pobrania próbek, dzięki czemu można uzyskać więcej widm w jednostce czasu, objętość reakcji nie ulega zmianie i unika się niepotrzebnych odpadów. Kolor emisji interesujących QD można zatem kontrolować znacznie dokładniej. Sprzęt, który dostarcza światło wzbudzające za pomocą światłowodu o odpowiedniej długości fali, zbiera również emitowane światło i określa jego charakterystyczną częstotliwość w systemie kolorów RGB [czerwony, zielony i niebieski]. Warto zauważyć, że kontrola systemu RGB jest istotna dla formowania obrazu w kilku urządzeniach luminescencyjnych, takich jak monitory i wyświetlacze smartfonów”, wyjaśnia.

QD syntetyzowane w ten sposób, dodał, zostały również scharakteryzowane za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, transmisyjnej mikroskopii elektronowej, spektroskopii absorpcyjnej w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego oraz spektroskopii drgań w podczerwieni.

Istnienie QD zostało przewidziane teoretycznie w 1937 roku przez Herberta Fröhlicha (1905-91), brytyjskiego fizyka urodzonego w Niemczech. W latach 80. XX wieku Aleksiej Ekimow (ur. 1945) w ówczesnym Związku Radzieckim i Louis Brus (ur. 1943) w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy niezależnie zaobserwowali ograniczenie kwantowe w nanocząstkach półprzewodnikowych. W latach 90. XX wieku francusko-amerykański fizyk Moungi Bawendi (ur. 1961) opracował znacznie ulepszone metody syntezy QD. W 2023 roku Ekimov, Brus i Bawendi otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za swoją pracę w tej dziedzinie.

„Uwięzienie kwantowe daje kropkom kwantowym zdolność do ograniczania elektronów w trzech wymiarach, co sprawia, że ​​zjawiska kwantowe są bardziej widoczne i charakteryzuje je jako materiały pośrednie między atomami, cząsteczkami i większymi układami krystalicznymi” — mówi Costa.