Luminescentie verwijst naar het resultaat van een proces waarbij een object licht absorbeert op één golflengte en het vervolgens opnieuw uitzendt op een andere golflengte. Door lichtabsorptie worden elektronen in de grondtoestand van het materiaal geëxciteerd naar een hogere energietoestand. Na een bepaalde hoeveelheid tijd die kenmerkend is voor elke geëxciteerde toestand, vervallen de elektronen naar lagere energietoestanden, waaronder de grondtoestand, en zenden ze licht uit. Het fenomeen wordt gebruikt in een breed scala aan technologische toepassingen met betrekking tot zeer efficiënte en reproduceerbare emitterende apparaten die eenvoudig kunnen worden geminiaturiseerd.
De materialen met de hoogste luminescentie-efficiëntie omvatten quantum dots (QD’s), die momenteel worden gebruikt in displays met hoge resolutie, LED’s, zonnepanelen en sensoren van verschillende soorten, zoals die worden gebruikt voor nauwkeurige medische beeldvorming. Functionalisering van het oppervlak van QD’s met verschillende soorten moleculen maakt interactie mogelijk met cellulaire structuren of andere moleculen van belang voor het doel van het onderzoeken van biologische processen op moleculair niveau.
QD’s zijn halfgeleider nanodeeltjes waarvan de emissieve eigenschappen direct gekoppeld zijn aan de dotgrootte, vanwege het fenomeen van kwantumbeperking. Om deze reden maakt monitoring en controle van kristalgroei tijdens de synthese van QD’s in oplossing een intelligente planning van de gewenste luminescentie mogelijk.
In een artikel gepubliceerd in het dagboek Wetenschappelijke rapportenOnderzoekers onder leiding van Andrea de Camargo, hoogleraar aan het São Carlos Physics Institute van de Universiteit van São Paulo (IFSC-USP) in Brazilië, en medewerkers van de Universiteit van Kiel in Duitsland presenteren een nieuwe aanpak voor het monitoren van QD-vorming.
“We gebruikten cadmiumtelluride [CdTe] “Als modelsysteem en gecontroleerde groei van nanodeeltjes in een verwarmde waterige oplossing via in-situ luminescentieanalyse”, aldus Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, promovendus bij IFSC-USP en eerste auteur van het artikel.
Dankzij deze techniek kunnen wetenschappers in realtime zien wat er in de oplossing gebeurt, zonder dat dit invloed heeft op de QD-synthese. Zo kunnen ze de kristalgroei bewaken door de kleur (golflengte) van het uitgestraalde licht te observeren.
“QD’s worden gesynthetiseerd door cadmium (Cd) te mengen2+) en telluur (Te2-) precursoroplossingen in aanwezigheid van een groottecontrolereagens. De temperatuur wordt verhoogd en de chemische reactie begint via clustering van telluride- en cadmiumionen. Naarmate de reactie vordert, voegen extra eenheden CdTe zich bolvormig bij de cluster in een proces dat bekendstaat als zelfassemblage. De grootte van nanodeeltjes kan worden geschat dankzij snelle en nauwkeurige monitoring van de emissiefrequenties.
“QD’s van CdTe met een diameter van 1-2 nanometer [nm] zenden uit in de blauwe en groene gebieden van het zichtbare spectrum. Grotere QD’s, die 4-5 nm meten, zenden uit op lagere frequenties, respectievelijk geel en rood,” zegt Leonnam Gotardo Merizio, een postdoctoraal onderzoeker bij IFSC-USP en tweede auteur van het artikel.
Volgens Costa heeft de nieuwe methode verschillende voordelen ten opzichte van de conventionele synthesestrategie.
“Bij de conventionele techniek moet je kleine monsters van de oplossing nemen om de QD-grootte te meten, maar met de in situ-techniek kun je dat doen terwijl het proces gaande is, zonder dat je het reactiemedium hoeft te verstoren om monsters te nemen, zodat er meer spectra per tijdseenheid kunnen worden verkregen, het reactievolume niet wordt beïnvloed en onnodig afval wordt vermeden. De emissiekleur van de QD’s van belang kan daarom veel nauwkeuriger worden geregeld.
“De apparatuur die het excitatielicht via een optische vezel op de juiste golflengte levert, verzamelt ook het uitgezonden licht en bepaalt de karakteristieke frequentie ervan in de RGB [red, green and blue] kleursysteem. Het is de moeite waard om op te merken dat de controle van het RGB-systeem relevant is voor beeldvorming in verschillende luminescentieapparaten, zoals monitoren en smartphoneschermen,” legt hij uit.
De op deze manier gesynthetiseerde QD’s werden ook gekarakteriseerd met behulp van röntgendiffractie, transmissie-elektronenmicroscopie, ultraviolet-zichtbare absorptiespectroscopie en infraroodvibratiespectroscopie, voegde hij toe.
Het bestaan van QD’s werd theoretisch voorspeld in 1937 door Herbert Fröhlich (1905-91), een in Duitsland geboren Britse natuurkundige. In de jaren 80 observeerden Alexey Ekimov (geboren in 1945), in wat toen de Sovjet-Unie was, en Louis Brus (geboren in 1943), in de Verenigde Staten, onafhankelijk van elkaar voor het eerst kwantumopsluiting in halfgeleidernanodeeltjes. In de jaren 90 ontwikkelde de Frans-Amerikaanse natuurkundige Moungi Bawendi (geboren in 1961) aanzienlijk verbeterde methoden voor QD-synthese. In 2023 kregen Ekimov, Brus en Bawendi de Nobelprijs voor Scheikunde voor hun werk op dit gebied.
“Kwantumopsluiting geeft kwantumdetectoren de mogelijkheid om elektronen in drie dimensies op te sluiten, waardoor kwantumverschijnselen duidelijker worden en ze worden gekarakteriseerd als tussenliggende materialen tussen atomen, moleculen en grotere kristallijnen arrays”, aldus Costa.
“Er zijn veel artikelen gepubliceerd over de synthese van QD’s gemaakt van CdTe. De belangrijkste bijdrage van onze studie heeft betrekking op de ontwikkeling en toepassing van een zeer veelzijdig in situ luminescentiemeetsysteem. De methodologie stelde ons in staat om de grootte van de kristallijne nanodeeltjes af te leiden en de vorming van tussenliggende verbindingen in de chemische reacties te karakteriseren door in situ associatie met andere technieken die chemische en/of structurele analyse mogelijk maken [FT-IR, Raman, DRX, etc]”Deze evolutie van synthese optimaliseert de chemische opbrengsten en bespaart energie”, zegt Camargo.
Meer informatie:
PFGM da Costa et al, Realtime monitoring van de groei van CdTe-kwantumdots in waterige oplossing, Wetenschappelijke rapporten (2024). DOI-bestand: 10.1038/s41598-024-57810-8
Informatie over het tijdschrift:
Wetenschappelijke rapporten
Aangeboden door FAPESP