Sentezi için bir protokol37P20(O2C14H27)51 kümeleri ve onların ındum fosforu Quantum dots dönüşüm sunulmaktadır.
Bu metin sentezi için bir yöntem sunar37P20(O2C14H27)51 kümeleri ve onların ındum fosforla kuantum noktalar dönüştürme. In37P20(o2CR)51 kümeleri moleküler öncülerden INP kuantum noktaların sentezi ara olarak gözlenmiştir (in (o2CR)3, Ho2CR, ve P (Sime3)3 ) ve sonraki çalışma için saf reaktif olarak izole edilebilir ve tek kaynaklı bir öncüsü olarak kullanılır. Bu kümeleri, 200 °C ‘ nin üzerindeki ek öncülerin yokluğunda Termoliz koşullarına maruz kaldığında, kristalin ve nispeten Monodisperse, yarı küresel INP kuantum noktaların örneklerine kolayca dönüştürülür. Hem kümelerin hem de kuantum noktaların optik özellikleri, Morfoloji ve yapısı UV-Vis spektroskopisi, fotoluminesans spektroskopisi, iletim elektron mikroskobu ve toz X-ışını kırıcılığı kullanılarak onaylanmıştır. Kümelerin moleküler simetri, çözüm aşaması 31P NMR spektroskopisi ile de onaylanmıştır. Bu protokol atomically hassas INP kümelerinin hazırlanması ve yalıtımını ve INP QDs ‘ye güvenilir ve ölçeklenebilir dönüşümlerini gösterir.
Kolloidal Yarıiletken kuantum noktaları1, Solid-State aydınlatma2gibi Optoelektronik uygulamalarda çeşitli potansiyeli nedeniyle önceki üç yıl içinde sentetik gelişim bir ivme gördük, 3, biyolojik görüntüleme4,5, kataliz6,7ve fotovoltaik8,9,10. Geniş renkli gamı görüntüler alanında son ticari başarı göz önüne alındığında, kuantum nokta Pazar 202811tarafından 16.000.000.000 dolar aşması bekleniyor. II-VI (ve IV-VI) ‘ d e m-V ailesine malzeme odaklı önemli bir vardiya, son birkaç yılda daha az toksik arama olarak ortaya çıkmış, yüksek oranda dağıtılmış elektronik uygulamalarda kullanılmak üzere CD ve PB-ücretsiz alternatifler başladı. Özellikle ındıum fosforunda önde gelen bir damla olarak tespit edilmiştir-CdSe12için yedek. Ancak, INP tabanlı kuantum noktaların optimizasyonu daha zordur ve her zaman daha iyi kurulan Chalcogenide malzemeler için kullanılan aynı yöntemlerden faydalanmaz, belirgin hale gelmiştir. Bu öncelikle, çünkü INP Nanopartiküllerin çekirdekleşme ve büyüme profili klasik olmayan, iki adımlı bir mekanizma13‘ ü izler. Bu mekanizma, yerel olarak kararlı, atomically hassas ara “Magic boyutlu” kümeleri14,15,16olarak bilinen aracı nedeniyle çağrılır. Özellikle, ın37p20(O2CR)51 bir anahtar olarak tespit edilmiştir, p (Sime3)3, Indium Karboksilgeç ve karboksilik asit17‘ den inp sentezinde yalıtılabilir ara.
Reaksiyon koordinatını bu ara varlığı INP Nanostructures büyümesi üzerinde birçok somut etkileri vardır. Küme ara varlıklarının varlığı, La Mer modeline dayalı olarak klasik çekirdeklenme ve büyüme kavramlarını geçersiz kılar ve konsantrasyon, sıcaklık ve öncüsü gibi reaksiyon koşullarını optimize etmek, yeterince uniform Ensemble özellikleri. Bunun yerine, INP kümesinin tek kaynaklı bir öncüsü olarak kullanımı, dar optik özelliklerle son derece Monodisperse kuantum noktalarla sonuçlanır13. Son literatür, ancak, tek faktör diğer Optoelektronik malzemeler18Ile INP parite sınırlandırmak değil, monodispersity önerdi. Yüzey kusurları, oksidasyon ve alaşım, optimum INP mimarileri için önemli yenilik gerektirecektir yoğun araştırma altında hala kritik faktörlerdir19,20,21,22, 23,24. İçinde37P20(O2CR)51gibi kümeleri atomically hassas doğası, birçok sonrası sentetik Yüzey modifikasyonları sonuçlarını yoklama için ideal platformlar yapar. Normalde, Nanopartiküllerin topluluk inhomojenliği, yüzey ve kompozisyon etkilerini zor belirlemede yapar, ancak INP kümesinin atomically hassas olduğu bilinmektedir, hem komyerasyon hem de kristallographically, ideal bir model sistemidir.
In37s sentezi P20(O2CR)51 küme, CdSe, PBS veya ZNO gibi daha yaygın olarak kullanılan nanopartiküller sentezinden daha zordur. Sadece standart cam, yaygın olarak kullanılabilir kimyasallar ve hava ücretsiz Schlenk ve glovebox teknikleri temel bilgi gerektirir. Prosedür gram ölçeği üzerinde yapılabilir ve% 90 aşan verimleri ile. Biz göstereceğiz, INP kümenin başarılı sentezi “büyü” değil, temel olarak bir egzersiz değil. Saf reaktifler, Kuru cam, uygun hava serbest teknikleri, ve detaylara dikkat tüm bu atomically hassas nanocluster erişmek için gerekli olan. Dahası, biz de ince boyutu dağılımları ile son derece kristalin INP kuantum noktalara dönüşümü için ideal yöntemler üzerinde ayrıntılı.
INP sihirli ölçekli kümeleri ve kuantum noktalarına dönüşüm sentezini tutarlı bir şekilde yüksek kaliteli örnekler üretmek için gösterilen basit prosedürleri izleyin. INP kümelerini bir ara olarak sentezleyebilme ve izole etme yeteneği, bu nanoyapıların iyi karakterize edilebilen ve sonuç olarak son QD ‘lerine dahil edilebilen değişikliklere karşı farklı avantajlara sahiptir. Kümelerin atomically hassas doğası ve yüksek tekrarlanabilirlik Yüzey modifikasyonları, kusurları ve INP sistemlerinin alaşım ve açık kapılar gibi ekranlar, katı hal gibi geniş bir uygulama yelpazesi için yenilikçi çalışmalar için bir platform sağlar aydınlatma, kataliz ve fotovoltaik.
INP kümelerinin sentezinde, Tüm reaktiflerin yüksek saflıkta olduğu ve iyice kurutulmasından dolayı, sentezin başarısı su ve hava içermeyen deneysel koşullar ve yüksek verimlerin üniforma büyümesi için öncülerin saflığına bağlıdır. Ayrıca, ışık duyarlı ve pyrophoric P (SiMe3)3, işleme sırasında yeterli önlemler alınır önerilir. Bu reaktif, ışık, hava ve su içermeyen bir ortamda depolanmalı ve reaksiyonda önce ve sırasında hava ve suyun maruz kalmasını önlemek için dikkat edilmelidir. Kümeleri verimli büyüme için, sıcaklık aralığı 100-110 °C olmalıdır; Oda sıcaklığında, büyüme son derece yavaştır ve daha yüksek bir sıcaklık sıcaklığa bağlı olarak değişen boyutlarda kuantum noktaları içine dönüşüm neden olur. Sunulan protokol aynı zamanda son derece ölçeklenebilir ve çok yönlü olup, sentetik kontrol ve değişikliklerin bir dizi parametreye geçmesine olanak sağlar. INP kümeleri ve sonraki QDs için ligler olarak kullanılan myristik asit feniketik asit, oleik asit veya diğer kısa ve uzun zincir karboksilik asitler ile değiştirilebilir. P (Sime3)3 ‘ ün biraz tedirgin emilim özelliklerine sahip olan INP kümelerinin çözümlerine (kırmızı-kaymış ve/veya genişlenmiş) sonrası sentetik ilavesi, aşırı ındum tüketiminin burada bir boyutta odaklanma efektine neden olduğu gözlenmiştir myristate emme spektrumunda bir ~ 3 Nm Blueshift sonuçları29.
Kümelerin arıtma yöntemi, oksidasyonu önlemek ve mümkün olan en yüksek verimi izole etmek için laboratuvarımızda ampirik olarak optimize edilmiştir. Antisolvent ve Toluen ile hacim oranı olarak Asetonitril seçimi bu hedefleri yerine getirmek. Son olarak, kümeleri en az miktarda Toluen ve sentezleme sırasında sonuçlanan herhangi bir katı kirleri kaldırmak için santrifüvlü olarak resuspended. Son çözümden Toluen kaldırma, hava ve su içermeyen koşullar altında en az 36 ay boyunca depolanabilir sarı bir hamur verir. Ayrıca, 31P NMR spektrumunda 11 farklı rezonanslar için hassas kimyasal vardiyaların ındıum öncülerinin kimliğine bağlı olarak değiştiği, arıtılmış ürünün karakterizasyonu için NMR örneklerinin hazırlanması konusunda da dikkat edilmelidir. Ayrıca, yetersiz arıtma ve küme konsantrasyonunda varyasyon satır genişletilmesi neden olabilir. Keskin özellikleri ile temiz bir spektrumunu elde etmek için, en az 40 mg küme susuz C6D6 (~ 0,7 ml) minimal bir miktarda çözülür önerilir.
Benzer şekilde, INP QDs ‘nin kümeler üzerinden sentezlenmesi su ve hava içermeyen koşullar altında yapılmalıdır. Önceki çalışmalar, ındum öncülerinde su varlığı ve su veya hidroksit iz miktarlarının eklenmesi INP QDs büyüme ve son ürünün yüzey kimyası önemli değişikliklere yol göstermiştir25. Protokolde açıklanan daha farklı bir ölçekte reaksiyon çalıştırırken, bu sıcak enjekte yöntemi için, enjeksiyon için küme çözümü yeterince konsantre olmalıdır ve hacim daha küçük olmalıdır dikkat edilmelidir ısıtılmış solvent karşılaştırıldığında . Bu reaksiyon sıcaklık profili sentezinde önemsiz bir rol oynar gibi sıcaklık ani azalma en aza indirmek için. QDs için INP kümeleri dönüşüm mekanizması üzerinde ayrıntılı çalışma son zamanlarda nerede farklı öncülerin ilavesi etkileri (yani, karboksilik asit, Indium karboksilgeç), sıcaklıklar ve konsantrasyon keşfedilmiştir bildirildi30. Bu çalışmalar sayesinde, en iyi kalitede QD ‘lerin yüksek verimleri elde etmek için 220 °C > Termoliz sıcaklıklarının gerekli olduğunu ortaya koymuştur. INP QDs ‘nin arıtılması, kümeler için yukarıda belirtildiği gibi benzer mantık ve süreci takip eder, ancak saflaştırılmış QDs ‘nin saklanması, Toluen gibi bir solvent ile çözüme tavsiye edilir. Katı formda, QDs zaman içinde toplamları oluşturmak için gözlemlenmiştir, homojen kolloidal dağılımını önler. Protokol ile ilgili bir son Not, 1-octadecene tarafından sadece yağış yerine INP QDs sentezinden sonra vakum damıtma ile kaldırma QD arıtma önerilen bir ilk adımdır. Bu çalışma içinde gerekli solvent hacmini sınırlamak için ve kalıntı ODE uzun zincirli karbokygeç ligand kabuk ile yoğunlaşmalar olabilir, çünkü karakterizasyon ve sonraki kullanım için numune hazırlama ile zorluklar neden.
Biz sentez ve karakterize atomically-hassas INP Magic-boyut kümeleri,37P20(O2CR)51, ve tek kaynaklı öncüleri olarak kendi kullanımı göstermiştir INP kuantum nokta sentezini hem ısı-up kullanarak ve sıcak enjeksiyon yöntemleri. INP kümeleri bildirilen sentezi çok yönlü ve alkil karboksilat liginlerin geniş bir yelpazede Genelleştirilmiş olabilir. InP QDs ‘nin kümelerden sentezlenmesi, bu zorlu nanoyapıların boyut dağılımı ve kristallik açısından yüksek kalitede sentezlenmesi için son derece tekrarlanabilir bir yöntem sağlar. Fırsatlar bu yöntemin daha fazla ayrıntı için kümelerin sonrası sentetik modifikasyon yoluyla ve kuantum nokta dönüşüm stratejisi küme Mühendislik için bol. Bu nedenle, bu yöntemlerin yararlı ve potansiyel olarak teknolojik olarak anlamlı INP sentezini ve ekran ve aydınlatma uygulamaları için ilgili yayıcı materyaller olduğuna inanıyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Bu yazıda sunulan orijinal sentezi ve karakterizasyon yöntemlerinin geliştirilmesi için Grant CHE-1552164 altında Ulusal Bilim Vakfı ‘nın desteğini minnetle kabul ediyoruz. Bu makalenin hazırlanması sırasında, öğrenci ve doktora sonrası maaşların desteklenmesi için aşağıdaki kurumları kabul ediyoruz: nayon Park (Ulusal Bilim Vakfı, CHE-1552164), Madison Monahan (ABD Enerji Bakanlığı, bilim ofisi, temel ofis Enerji Bilimleri, enerji sınır araştırma merkezleri programının bir parçası olarak: CSSAS–ödül numarası DE-SC0019288 altında ölçekler arasında sentez bilimi Merkezi), Andrew Ritchhart (Ulusal Bilim Vakfı, CHE-1552164), Max R. Friedfeld (Washington Araştırma Vakfı).
Acetonitrile, anhydrous, 99.8% | Sigma Aldrich | 271004 | Dried over 4Å sieves |
Adapter, Airfree, 14/20 Joint, 0 – 4mm Chem-Cap (T-adapter) | Chemglass Life Sciences LLC | AF-0501-01 | |
Adapter, Inlet, 14/20 Inner Joint | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1014-14 | |
Bio-Beads S-X1, 200-400 mesh | Bio-Rad Laboratories | 152-2150 | |
Cary 5000 UV-Vis-NIR | Agilent | ||
Column, Chromatography, 24/40 Outer Joint, 3/4in ID X 10in E.L., 2mm Stpk | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1188-06 | |
Condenser, Liebig, 185mm, 14/20 Top Outer, 14/20 Lower Inner, 110mm Jacket Length |
Chemglass Life Sciences LLC | CG-1218-A-20 | |
Distilling heads, short paths, jacketed | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1240 | |
Eppendorf Microcentrifuge 5430 | Fisher Chemical | 05-100-177 | |
Falcon 15mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Chemical | 14-959-49B | |
Flask, Round Bottom, 50mL, Heavy Wall, 14/20 – 14/20, 3-Neck, Angled 20° | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1524-A-05 | |
ImageJ | Developed at National Institutes of Health and the Laboratory for Optical and Computational Instrumentation | Open source Java image processing program | |
Indium acetate, 99.99% | Sigma Aldrich | 510270 | |
Myristic acid, 99% | Sigma Aldrich | M3128 | |
Temperature controller | Fisher Chemical | 50 401 831 | |
Thermometers, non-mercury, 10/18 | Chemglass Life Sciences LLC | CG-3508-N | |
Thermowell, 14/20 Inner Jt, 1/2" OD above the Jt, 6mm OD Round Bottomed Tube below the Jt, for 25ml RBF | Chemglass Life Sciences LLC | UW-1205-171JS | Custom ordered |
Toluene, anhydrous, 99.8% | Sigma Aldrich | 244511 | Dried over 4Å sieves |
Trimethylindium, 98% | Strem | 49-2010 | Heat sensitive, moisture sensitive |
Tris(trimethylsilyl)phosphine | Ref #31, 32 | Pyrophoric | |
Ultrathin Carbon Film on Lacey Carbon Support Film, 400 mesh, Copper | Ted Pella Inc. | 1824 | |
Vacuum gauge 1-STA 115VAC 60Hz | Fisher Chemical | 11 278 | |
Vacuum pump 115VAC 60Hz | Fisher Chemical | 01 096 | |
1-Octadecene (ODE), 90% | Sigma Aldrich | O806 | Technical grade, distilled and dried over 4Å sieves |