Att förbereda halvledarkvantprickar är ibland mer en svart konst än en vetenskap. Det utgör ett hinder för ytterligare framsteg inom, till exempel, skapa bättre solceller eller belysningsenheter, där kvantprickar erbjuder unika fördelar som skulle vara särskilt användbara om de kunde användas som grundläggande byggstenar för att konstruera större nanoskala arkitekturer.

Andrew Greytak, en kemist vid College of Arts and Sciences vid University of South Carolina, leder ett forskargrupp som gör processen med att syntetisera kvantprickar mycket mer systematisk. Hans grupp publicerade just ett papper i Materialkemi beskriver en effektiv ny metod för att rena CdSe-nanokristaller med väldefinierade ytegenskaper.

Deras process använder gelpermeationskromatografi (GPC) för att separera kvantprickar från föroreningar med små molekyler, och laget gick vidare med att karaktärisera nanokristallerna med en mängd olika analysmetoder. En jämförelse av deras renade kvantpunkter med dem som renats med den traditionella metoden för multipla solvations- och utfällningscykler betonade nyttan av den nya metoden vid framställning av enhetliga halvledarnanokrystaller som är mycket mottagliga för ytterligare syntetisk manipulation.

Kvantprickar

Kvantprickar, som är nanokristaller med diametrar i intervallet 5-10 nanometer, har optiska och andra fysikaliska egenskaper som skiljer sig från de hos större kristaller. Den reducerade storleken gör att de kan absorbera och avge olika färger än bulkmängder av samma förening på grund av kvantmekaniska effekter; de har också mycket stora yta-till-volym-förhållanden och kan vara känsliga för ytbehandlingar.

Greytaks laboratorium förbereder vanligtvis kvantprickar i hydrofoba lösningsmedel (såsom 1-oktadecen), så de kommer ut "täckta" med hydrofoba molekyler och löser sig lätt i opolära lösningsmedel. "Hur processen fungerar, du har alltid en betydande mängd oreagerat utgångsmaterial, högkokande lösningsmedel och extra ytaktiva ämnen som är viktiga för syntesen, "sa Greytak." Men när syntesen är klar, de är orenheter som måste tas bort. "

Den historiska metoden för kvantpunktsrening är lösningens cykler, nederbörd (t.ex. med alkohol), dekantering av föroreningar och återupplösning. Även om metoden har använts i cirka 20 år, den har en grundläggande brist.

"Med processen för nederbörd och upplösning, det gör faktiskt inte separationen på grundval av partikelns storlek, det gör det på grundval av lösligheten, "sa Greytak." Så om du har föroreningar som har löslighetskvaliteter som liknar partikelns, de tas inte bort. "

Gelpermeationskromatografi

Greytak regisserade sitt team, som inkluderade doktorander Yi Shen, Megan Gee och Rui Tan, för att utveckla GPC som ett mycket effektivt alternativ. En teknik för storleksexklusion, GPC separerar kemiska arter efter molekylvikt och används vanligtvis med makromolekyler.

Jämfört med material framställda genom utfällnings- och återupplösningsprocessen, de GPC-renade kvantprickarna hade mycket bättre stabilitet vid hög temperatur. Dessutom, en rad NMR -mätningar assisterade av USC -forskarassistenten Perry Pellechia indikerade att GPC -metoden var mycket mer effektiv för att avlägsna svagt adsorberade ligander från kvantpunktytan.

Föra en syntetisk process framåt

Teamet undersökte vidare kvantprickarnas lämplighet för ytterligare syntetisk manipulation. På nytt, de GPC-renade produkterna var överlägsna, både i CdS-skalväxt på CdSe-kvantprickar samt ligandbyte av cystein på CdSe/CdxZn1-xS kvantprickar.

Greytak ser metoden som ett grundläggande steg framåt för att ytterligare kunna manipulera kvantpunkter, oavsett om man konstruerar större arkitekturer eller hävdar kontroll över hur nanokristallkolloiderna beter sig i lösning.

"Det vi gillar att säga är att vi utvecklar en sekventiell, preparativ kemi för halvledarnanokrystaller, "sa Greytak." I de flesta syntetiska kemier, du har ett utgångsmaterial, du gör en reaktion, och du fortsätter genom en serie mellanprodukter med väldefinierade strukturer som kan isoleras. För ett nanomaterial, det är mycket svårare, eftersom vi inte gör molekyler, vi gör en population av partiklar som har, låt oss säga, en radie på två nanometer. De är inte alla identiska, och att uppnå en konsekvent produkt har varit utmanande, både när det gäller hur man isolerar det och karaktäriserar det.

"Så vi arbetar verkligen mot att kunna karaktärisera ett prov, med, säga NMR och termogravimetrisk analys, och att verkligen kunna förutspå hur det kommer att reagera i ett efterföljande steg. "