Innovativt Quantum Dot-övervakning: Realtidsinsikter i Nanopartikeltillväxt

Cadmium telluride (CdTe) kvantprickar av olika storlekar som utsänder ljus som svar på excitation av UV-laser. Kredit: Pedro Felipe Garcia Martins da Costa

Luminiscens är resultatet av en process där ett objekt absorberar ljus vid en våglängd och återutsänder det vid en annan våglängd. Under denna process absorberar elektroner i materialets grundtillstånd ljus och blir upphetsade till en högre energinivå. Efter en specifik period, unik för varje upphetsade tillstånd, återvänder elektronerna till lägre energitillstånd, inklusive grundtillståndet, och utsänder ljus. Denna fenomen används inom en mängd olika teknologiska tillämpningar, vilket involverar mycket effektiva och reproducerbara emitterande enheter som kan miniatyriseras enkelt.

Material med den högsta luminisceseffektiviteten inkluderar kvantprickar (QDs), för närvarande använda i högupplösta displayer, LED-lampor, solpaneler och sensorer av olika slag, såsom de som används för precisionsmedicinsk avbildning. Funktionalisering av ytan hos QDs med olika typer av molekyler tillåter interaktion med cellulära strukturer eller andra intressanta molekyler för att undersöka molekylära biologiska processer på molekylnivå.

QDs är halvledarnanopartiklar vars emissiva egenskaper är direkt kopplade till pricks storlek, på grund av fenomenet kvantbegränsning. Av den anledningen tillåter övervakning och kontroll av kristalltillväxt under syntesen av QDs i lösning en intelligent planering av önskad luminiscens. I en artikel publicerad i tidskriften Scientific Reports, presenterar forskare ledda av Andrea de Camargo, professor vid Universidade de São Paulos Fysikinstitut São Carlos Physics Institute (IFSC-USP) i Brasilien, och medarbetare vid Kiels universitet i Tyskland, en nytt tillvägagångssätt för övervakning av QD-bildning.

“Vi använde kadmiumtellurid [CdTe] som ett modellsystem och kontrollerade nanopartikeltillväxten i en uppvärmd vattenlösning via in situ-luminiscensanalys,” säger Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, doktorand vid IFSC-USP och första författaren till artikeln.

Tekniken möjliggör för vetenskapsmän att se vad som händer i lösningen i realtid utan att påverka QD-syntesen, så att de kan övervaka kristalltillväxt genom att observera färgen (våglängden) av det utsända ljuset. “QDs syntetiseras genom att blanda kadmium (Cd2+) och tellurium (Te2-) prekursorslösningar i närvaro av en storlekskontrollmedel. Temperaturen höjs och kemiska reaktion börjar via tellurid och kadmiumjonklustering. När reaktionen fortskrider ansluter ytterligare enheter av CdTe sig sferiskt till klustret i en process som kallas självmontering. Nanopartikelstorlek kan uppskattas tack vare snabb och noggrann övervakning av emissionsfrekvenserna. QDs av CdTe med en diameter på 1-2 nanometer [nm] utsänder i det blå och gröna områdena av det synliga spektrumet. Större QDs, som mäter 4-5 nm, utsänder vid lägre frekvenser, som gul och röd respektive,” säger Leonnam Gotardo Merizio, en postdoktorforskare vid IFSC-USP och andra författaren till artikeln.

Enligt Costa har den nya metoden flera fördelar jämfört med den konventionella syntesstrategin. "I den konventionella tekniken måste du ta små prov av lösningen för att mäta QD-storlek, men med in situ-tekniken kan du göra det medan processen pågår, utan att behöva störa reaktionsmediet för att ta prover så att fler spektra kan erhållas per tidsenhet, reaktionsvolymen påverkas inte och onödigt avfall undviks. Emissionsfärgen för de intressanta QDs kan därför kontrolleras mycket mer exakt. Utrustningen som levererar exciteringsljuset via optisk fiber vid lämplig våglängd samlar även in det utsända ljuset och bestämmer dess karaktäristiska frekvens i RGB [röd, grön och blå] färgsystemet. Det är värt att notera att kontroll av RGB-systemet är relevant för bildbildning i flera luminescerande enheter, såsom skärmar och smarttelefondisplayer,” förklarar han.

QDs som syntetiserats på detta sätt karakteriserades även genom röntgendiffraktion, transmissions elektronmikroskopi, ultraviolett synlig absorptionsspektroskopi och infraröd vibrationspektroskopi.

Existensen av QDs förutspåddes teoretiskt 1937 av Herbert Fröhlich (1905-91), en tyskfödd brittisk fysiker. På 1980-talet observerade Alexey Ekimov (född 1945), i den dåvarande Sovjetunionen, och Louis Brus (född 1943), i USA, oberoende kvantbegränsning i halvledarnanopartiklar för första gången. På 1990-talet utvecklade den fransk-amerikanske fysikern Moungi Bawendi (född 1961) avsevärt förbättrade metoder för QD-syntes. År 2023 tilldelades Ekimov, Brus och Bawendi Nobelpriset i kemi för deras arbete inom området.

"Kvantbegränsning ger QDs möjligheten att begränsa elektroner i tre dimensioner, vilket gör kvantfenomen mer uppenbara och karaktäriserar dem som intermediära material mellan atomer, molekyler och större kristallina matriser", säger Costa. "Många artiklar har publicerats om syntes av QDs gjorda av CdTe. Vårt studiens huvudsakliga bidrag rör utvecklingen och tillämpningen av ett mycket mångsidigt in situ-luminescensmätningssystem. Metodiken möjliggjorde för oss att dra slutsatser om storleken på de kristallina nanopartiklarna och att karakterisera bildandet av intermediära föreningar i de kemiska reaktionerna genom in situ-förening med andra tekniker som tillåter kemisk och/eller strukturell analys [FT-IR, Raman, DRX, etc]. Denna evolution av syntes optimerar kemiska utbyte och sparar energi," säger Camargo. Referens: "Realtidsövervakning av tillväxten av CdTe-kvantprickar i vattenlösning" av P. F. G. M. da Costa, L. G. Merízio, N. Wolff, H. Terraschke och A. S. S. de Camargo, 3 april 2024, Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8 Studien finansierades av São Paulo Research Foundation.