Het gebruik van zwakke vlekken in halfgeleider nanoplatelets om nanoschaalassemblages te sturen

Cadmium selenide nanoplatelets bieden een veelbelovende basis voor de ontwikkeling van innovatieve elektronische materialen. Onderzoekers over de hele wereld hebben een bijzondere interesse getoond in deze kleine bloedplaatjes, die slechts enkele atomen dik zijn, omdat ze buitengewone optische en andere eigenschappen bieden.

Een team van de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Tu Dresden en het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) heeft een belangrijke stap gezet in de richting van de systematische productie van dergelijke nanoplatelets. De onderzoekers konden fundamentele inzichten krijgen in de interactie tussen structuur en functie, zoals zij rapport in het dagboek Klein.

Op cadmium gebaseerde nanostructuren lenen zich voor de ontwikkeling van tweedimensionale materialen die specifieke interacties aangaan met bijna-infrarood licht (NIR) door te absorberen, reflecteren of uitzenden van licht, of andere optische eigenschappen vertonen.

Dit spectrale bereik is van belang voor tal van technologieën. In medische diagnostiek bieden dergelijke materialen bijvoorbeeld diepere inzichten in weefsel, omdat NIR -licht minder wordt verspreid dan zichtbaar licht. In communicatietechnologie worden NIR-materialen gebruikt in zeer efficiënte vezeloptische systemen. Bij zonne -energie kunnen ze de efficiëntie van fotovoltaïsche cellen verhogen.

“De mogelijkheid om het materiaal specifiek te wijzigen om de gewenste optische en elektronische eigenschappen te presenteren, is cruciaal voor al deze toepassingen”, zegt Dr. Rico Friedrich van het Institute of Ion Beam Physics and Materials Research bij HZDR en voorzitter van de theoretische chemie in Tu Dresden.

“In het verleden was dit een uitdaging omdat de nanochemische synthese vroeger meer ging over het mengen van materialen door vallen en opstaan”, voegt Prof. Alexander Eychmüller, voorzitter van de fysische chemie bij Tu Dresden toe. De twee wetenschappers leidden gezamenlijk het samenwerkingsonderzoeksproject.

Een innovatieve aanpak: kationuitwisseling om goed gedefinieerde nanodeeltjes te produceren

De specifieke uitdaging hier is om specifiek het aantal atomaire lagen en hun samenstelling in de nanostructuren (en dus hun dikte) te regelen zonder hun breedte en lengte te veranderen. De synthese van dergelijke complexe nanodeeltjes is een belangrijke uitdaging in materiaalonderzoek.

Dit is waar kationuitwisseling binnenkomt. In deze methode worden bepaalde kationen – positief geladen ionen – in een nanodeeltje systematisch vervangen door anderen.

“Het proces geeft ons nauwkeurige controle over de samenstelling en structuur, waardoor we deeltjes kunnen produceren met eigenschappen die we niet konden bereiken met behulp van conventionele synthesemethoden. Er is echter weinig bekend over de exacte werking en uitgangspunt van deze reactie,” zegt Eychmüller.

In het huidige project concentreerde het team zich op nanoplatelets, wiens actieve hoeken een cruciale rol spelen. Deze hoeken zijn bijzonder chemisch reactief, waardoor het mogelijk is om de bloedplaatjes in georganiseerde structuren te binden. Om deze effecten beter te begrijpen, combineerden de onderzoekers geavanceerde synthetische methoden, atomaire-resolutie (elektron) microscopie en uitgebreide computersimulaties.

Actieve hoeken en defecten in nanodeeltjes zijn niet alleen interessant vanwege hun chemische reactiviteit, maar ook hun optische en elektronische eigenschappen. Deze plaatsen hebben vaak een hoge concentratie ladingsdragers, die hun transport en de absorptie van licht kunnen beïnvloeden.

“Gecombineerd met een vermogen om afzonderlijke atomen of ionen uit te wisselen, kunnen we ook dergelijke defecten gebruiken in katalyse met één atoom, waardoor de hoge reactiviteit en selectiviteit van individuele atomen benutten om de efficiëntie van chemische processen te vergroten,” legt Friedrich uit.

Nauwkeurige controle van dergelijke defecten is ook cruciaal voor de NIR -activiteit van nanomaterialen. Ze beïnvloeden hoe bijna-infrarood licht wordt geabsorbeerd, uitgezonden of verspreid en bieden manieren om optische eigenschappen systematisch te optimaliseren.

Nanostructuren koppelen: een stap in de richting van zelforganisatie

Een ander resultaat van dit onderzoek is de mogelijkheid om nanoplatelets systematisch te verbinden door hun actieve hoeken, waarbij de deeltjes worden gecombineerd in geordende of zelfs zelfgeorganiseerde structuren. Toekomstige toepassingen kunnen deze organisatie gebruiken om complexe materialen te produceren met geïntegreerde functies, zoals nir-actieve sensoren of nieuwe soorten elektronische componenten.

In de praktijk kunnen dergelijke materialen de efficiëntie van sensoren en zonnecellen verhogen of nieuwe methoden voor gegevensoverdracht vergemakkelijken. Tegelijkertijd genereert het onderzoek ook fundamentele inzichten voor andere gebieden van nanowetenschap, zoals katalyse of kwantummaterialen.

De bevindingen van het team waren alleen mogelijk dankzij een combinatie van state-of-the-art synthetische, experimentele en theoretische methoden. De onderzoekers waren niet alleen in staat om de structuur van de nanodeeltjes nauwkeurig te regelen, maar ook de rol van de actieve hoeken in detail onderzoeken. Experimenten met atomaire defectverdeling en samenstellingsanalyse werden gecombineerd met theoretische modellering om een ​​uitgebreid begrip van de materiaaleigenschappen te krijgen.