Teamet, ledd av professor Jiwoong Yang från Institutionen för energiteknik vid DGIST, och i samarbete med teamet ledd av professor Jungwon Park från School of Chemical and Biological Engineering vid Seoul National University, bestämde den fukt- (vatten-) inducerade nedbrytningsmekanism för halvledarnanokristallkvantprickar.
Det gemensamma forskarteamet utvecklade nästa generations avbildningsplattform för in-situ vätskefastransmissionselektronmikroskopi (TEM), som kan användas för att avslöja reaktionsintermediärer och atomenheters reaktionsvägar som finns i nedbrytningsprocessen, och därigenom ta ett steg närmare kommersialiseringen av nanokristallkvantprickar.
Halvledare nanokristallkvantprickar finner omfattande tillämpningar inom olika områden som bioavbildning, optoelektroniska enheter och katalysatorer på grund av deras fördelaktiga egenskaper, inklusive storlek och formberoende bandgap, hög lampeffektivitet och smal full bredd vid halva maximum. Men de uppvisar också nackdelar som minskad stabilitet när de utsätts för fukt och syre jämfört med bulkhalvledarkristaller.
Som ett resultat pågår många studier för att skapa halvledarnanokristallkvantprickar med förbättrad stabilitet mot påverkan av fukt och syre. Ändå står utvecklingsprocessen inför utmaningar eftersom den specifika "nedbrytningsmekanismen", som orsakar försämring av deras egenskaper på grund av yttre faktorer, inte har förklarats fullständigt.
Studier har utförts med användning av spektrometri, röntgenspridning och diffraktionsanalys för att identifiera nedbrytningsmekanismen; dessa metoder kunde dock endast identifiera förändringar i optiska och fysikaliska egenskaper hos nanokristaller i den fuktinducerade nedbrytningsprocessen, vilket endast ger genomsnittlig information om strukturella förändringar.
Dessutom finns det begränsningar när det gäller att avslöja förekomsten av olika reaktionsmönster för atomenheter och reaktionsintermediärer som kan förekomma i individuella nanopartiklar, eftersom det är svårt att avgöra den strukturella förändringsmekanismen för individuella nanokristaller.
Följaktligen utarbetade professor Jiwoong Yangs team vid DGIST en metod som använder in-situ vätskefas TEM, som möjliggör observation av reaktionsprocessen för enskilda nanopartiklar i realtid. Speciellt behövdes flytande celler som kunde både reaktionskontroll och ultrahögupplösningsavbildning i realtid för att identifiera den fuktinducerade nedbrytningsmekanismen.
För detta ändamål utvecklade teamet "grafenbaserade nästa generations flytande celler" som har båda funktionerna. Dessa nästa generations flytande celler är designade för att kontrollera blandningen av två olika vätskor genom extremt tunna grafenmembran.
Dessutom genomfördes forskning för att avslöja nedbrytningsmekanismen med hjälp av "kadmiumsulfid (CdS)," som är en välkänd kristalliseringsmetod för nanokristallkvantprickar. Resultaten avslöjade att "kadmiumsulfid (CdS)"-halvledarnanokristaller genomgår sönderdelning genom att bilda amorfa mellanprodukter bestående av Cd(OH)x under nedbrytningsprocessen.
Dessutom leder närvaron av denna amorfa mellanprodukt till en oregelbundet formad kristallytstruktur i mitten av reaktionen, vilket skiljer sig från den tidigare studerade nedbrytningsmekanismen för metallnanokristaller. Detta bekräftade vikten av att skydda ytan på halvledarnanokristaller, eftersom den fuktinducerade strukturella nedbrytningen av halvledarnanokristaller är irreversibel och initieras från ytan.
"Fukt-inducerad nedbrytning har varit en nyckelfaktor som orsakar svårigheter med att kommersialisera halvledarnanokristallkvantprickar", säger DGIST-professor Jiwoong Yang. "Den nedbrytningsmekanism som avslöjas i denna studie förväntas avsevärt bidra till den framtida utvecklingen av kvantmaterial."
Uppsatsen är publicerad i tidskriften ACS Nano .
Mer information: Hyeonjong Ma et al, Moisture-Induced Degradation of Quantum-Sized Semiconductor Nanocrystals through Amorphous Intermediates, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c03103
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)
