Illustratie van het synergetische mechanisme waarmee een extra zilveratoom de PL-kwantumopbrengst van hoognucleaire Ag NC’s verbetert. Krediet: Yuichi Negishi et al. Tijdschrift van de American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c10289
Een team van onderzoekers van de Tohoku Universiteit, de Tokyo University of Science en het Institute for Molecular Science hebben ontdekt hoe de precieze toevoeging van een enkel zilveratoom (Ag) de lichtuitstralende eigenschappen van hoognucleaire Ag-nanoclusters (NC’s) dramatisch kan transformeren.
De studie rapporteert een opmerkelijke 77-voudige toename van de kwantumopbrengst (QY) van fotoluminescentie (PL) bij kamertemperatuur – een mijlpaal die de weg vrijmaakt voor praktische toepassingen in opto-elektronica en sensortechnologieën.
De bevindingen worden gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society.
De kwantumopbrengst van fotoluminescentie is een belangrijke maatstaf die wordt gebruikt om de efficiëntie van fotoluminescentie te evalueren, dat wil zeggen hoe goed een materiaal energie kan absorberen en in licht kan omzetten. Het verbeteren van PLQY heeft een positieve invloed op technologie zoals OLED’s in tv-schermen.
Het kiezen van materialen met een hoge PLQY alleen is echter niet voldoende. Ag NC’s hebben bijvoorbeeld een inherent lage PL-efficiëntie die lange tijd beperkte praktische toepassingen heeft, maar er schuilt een enorme belofte in hun unieke optische eigenschappen.
Om de relatie tussen structuur en eigenschap gedetailleerder te onderzoeken, synthetiseerde en vergeleek het team twee nauw verwante Ag NC’s met anion-sjabloon: [SO4@Ag78S15(CpS)27(CF3COO)18]+: Ag78 NC (CpS: cyclopentaanthiolaat), [SO4@Ag79S15(iPrS)28(iPrSO3)15(CF3COO)4]: Ag79 NC (iPrS: isopropylthiolaat). Beide NC’s delen een gemeenschappelijk structureel raamwerk, met als belangrijkste onderscheid een enkel extra Ag-atoom in de buitenste schil van Ag79 NC.
Deze toevoeging werd bereikt door subtiele modificaties van de oppervlaktebeschermende liganden, met name de in situ gegenereerde liganden iPrSO3– groep, die een leegte creëerde binnen het NC-framework dat de opname van het extra atoom mogelijk maakte. Hoewel de kernstructuren grotendeels onveranderd bleven, had de schaalmodificatie diepgaande gevolgen.
In Ag79 NC, het toegevoegde zilveratoom, verbeterde de stralingsvervalsnelheden en een stijvere cluster. De stijfheid onderdrukte effectief niet-stralingsvervalpaden die doorgaans de luminescentie-efficiëntie verminderen.
De combinatie van deze factoren – verbeterd stralingsverval door symmetriereductie en verminderde niet-stralingsverliezen door structurele stijfheid – maakte het mogelijk dat Ag79 NC vertoont een opmerkelijke 77-voudige verbetering in de PL-kwantumopbrengst ten opzichte van Ag78 NC bij kamertemperatuur.
“Dit is het eerste duidelijke bewijs dat de integratie van slechts één extra zilveratoom, geleid door het ligandontwerp, de prestaties drastisch kan verbeteren”, legt professor Negishi uit. “Onze bevindingen openen een weg naar het rationeel ontwikkelen van efficiënte, lichtgevende nanoclusters door middel van structurele modificaties op atomair niveau.”
Met deze nieuwe vooruitgang anticiperen onderzoekers op nieuwe mogelijkheden voor de inzet van zilveren nanoclusters in hoogwaardige lichtgevende apparaten, bioimaging en katalytische systemen, waarbij efficiënte luminescentie bij kamertemperatuur van cruciaal belang is.
Meer informatie:
Aoi Akiyama et al., Het activeren van fotoluminescentie in hoog-nucleaire zilvernanoclusters via de integratie van extra zilveratomen, Tijdschrift van de American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c10289
Tijdschriftinformatie:
Tijdschrift van de American Chemical Society
Geleverd door Tohoku Universiteit