Onderzoeksteam onthult waarom watervocht kwantumkristallen beïnvloedt

Het team, onder leiding van professor Jiwoong Yang van de afdeling Energy Engineering van DGIST, en in samenwerking met het team onder leiding van professor Jungwon Park van de School of Chemical and Biological Engineering van Seoul National University, bepaalde de door vocht (water) geïnduceerde afbraakmechanisme van halfgeleider nanokristallijne kwantumdots.

Het gezamenlijke onderzoeksteam ontwikkelde het beeldvormingsplatform van de volgende generatie voor in-situ vloeibare-fase transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), dat kan worden gebruikt om de tussenproducten van de reactie en de reactiepaden van atomaire eenheden die in het afbraakproces bestaan, te onthullen, en daarmee een stap verder te gaan dichter bij de commercialisering van nanokristallijne kwantumdots.

Halfgeleider nanokristallijne kwantumdots vinden uitgebreide toepassingen op diverse gebieden, zoals bio-imaging, opto-elektronische apparaten en katalysatoren vanwege hun voordelige kenmerken, waaronder grootte- en vormafhankelijke bandafstanden, hoge lampefficiëntie en smalle volledige breedte op half maximum. Ze vertonen echter ook nadelen, zoals verminderde stabiliteit bij blootstelling aan vocht en zuurstof in vergelijking met halfgeleiderkristallen in bulk.

Als gevolg hiervan zijn er talloze onderzoeken gaande om halfgeleider nanokristallen kwantumdots te creëren met verbeterde stabiliteit tegen de invloed van vocht en zuurstof. Desalniettemin staat het ontwikkelingsproces voor uitdagingen omdat het specifieke “degradatie”-mechanisme, dat de verslechtering van hun eigenschappen veroorzaakt door externe factoren, niet volledig is uitgelegd.

Er zijn onderzoeken uitgevoerd met behulp van spectrometrie, röntgenverstrooiing en diffractieanalyse om het degradatiemechanisme te identificeren; deze methoden konden echter alleen de veranderingen in optische en fysische eigenschappen van nanokristallen in het door vocht geïnduceerde afbraakproces identificeren, en verschaften slechts gemiddelde informatie over structurele veranderingen.

Bovendien zijn er beperkingen bij het onthullen van het bestaan ​​van verschillende atomaire eenheidsreactiepatronen en reactie-tussenproducten die kunnen voorkomen in individuele nanodeeltjes, aangezien het moeilijk is om het structurele veranderingsmechanisme van individuele nanokristallen te bepalen.

Dienovereenkomstig heeft het team van professor Jiwoong Yang bij DGIST een methode bedacht met behulp van in-situ vloeibare fase TEM, waardoor het reactieproces van individuele nanodeeltjes in realtime kan worden waargenomen. Er waren met name vloeibare cellen nodig die in staat waren tot zowel reactiecontrole als realtime beeldvorming met ultrahoge resolutie om het door vocht veroorzaakte degradatiemechanisme te identificeren.

Voor dit doel ontwikkelde het team “op grafeen gebaseerde vloeistofcellen van de volgende generatie” die beide functies bezitten. Deze vloeistofcellen van de volgende generatie zijn ontworpen om het mengsel van twee verschillende vloeistoffen te regelen door extreem dunne grafeenmembranen.

Verder is er onderzoek gedaan om het afbraakmechanisme te onthullen met behulp van “cadmiumsulfide (CdS)”, een bekende kristallisatiemethode voor kwantumdots van nanokristallen. De resultaten onthulden dat “cadmiumsulfide (CdS)” halfgeleider nanokristallen ontleding ondergaan door tijdens het afbraakproces amorfe tussenproducten te vormen die bestaan ​​uit Cd(OH)x.

Bovendien leidt de aanwezigheid van dit amorfe tussenproduct tot een onregelmatig gevormde kristaloppervlaktestructuur in het midden van de reactie, wat verschilt van het eerder bestudeerde afbraakmechanisme van metalen nanokristallen. Dit bevestigde het belang van bescherming van het oppervlak van halfgeleider nanokristallen, aangezien de door vocht geïnduceerde structurele degradatie van halfgeleider nanokristallen onomkeerbaar is en vanaf het oppervlak begint.

“Door vocht veroorzaakte degradatie is een sleutelfactor geweest die moeilijkheden veroorzaakte bij het commercialiseren van kwantumdots van nanokristallen van halfgeleiders”, aldus DGIST-professor Jiwoong Yang. “Het degradatiemechanisme dat in deze studie wordt onthuld, zal naar verwachting aanzienlijk bijdragen aan de toekomstige ontwikkeling van kwantummaterialen.”

Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.