Развитие нанотехнологий сыграло решающую роль в научных исследованиях в последние десятилетия. В настоящее время бесконечные наноматериалы широко используются во многих областях, от катализа до биомедицины. Среди различных наноматериалов коллоидные нанокристаллы могут быть одним из наиболее важных отраслевых материалов, и он имеет большие перспективы применения во многих областях. Пол Аливисатос из Калифорнийского университета в Беркли проделал огромную революционную работу в нано-области. Он задал такой вопрос в первом выпуске знаменитого журнала Nano Letters [1]: почему такой конкретный диапазон шкал может его определить? Наука и научный журнал? В чем особенность такого убедительного нанометрового масштаба? Здесь мы собрали небольшую сноску, чтобы попытаться решить эту проблему, суммируя развитие квантовых точек (именно это Пол Аливисатос сыграл ключевую роль в разработке материалов для квантовых точек) в различных областях.

1. Определение

Обычно коллоидные нанокристаллы представляют собой фрагменты кристалла размером 1-100 нм в метастабильной форме в растворе. Из-за своего физического размера и критического размера многих свойств, значительного атомного отношения поверхности многие свойства коллоидных нанокристаллов показывают уникальное явление, связанное с размером [3]. Традиционно коллоидные нанокристаллы в основном подразделяются на коллоидные нанокристаллы благородных металлов и полупроводниковые коллоидные нанокристаллы. В соответствии с классическим эффектом квантового ограничения, когда геометрический радиус полупроводникового коллоидного нанокристалла меньше, чем радиус экситона Boole объемного материала, энергетические уровни валентной зоны и зоны проводимости будут появляться в форме дискретного распределения. Это должно быть связано с размером. Таким образом, в классических исследованиях в качестве квантовых точек упоминались полупроводниковые нанокристаллы с размерами радиуса, меньшими или близкими к радиусу бура экситона.

Рисунок 1 Структура квантовых точек (поверхность и ядро) [2]

Рисунок 2 ПЭМ-изображение монодисперсных нанокристаллов CdSe [4]
На начальном этапе развития квантовых точек исследования были сосредоточены на области халькогенидов металлов. В 1993 году группа MIT Bawendi [4] впрыскивала металлоорганические соединения в высокотемпературные растворители, и эти соединения термически разлагались и зародились в растворе с образованием халькогенидов металлов, таких как селенид кадмия (CdSe) с хорошей диспергируемостью. Нанокристаллических. Эти высококачественные полупроводниковые нанокристаллы имеют распределение диаметров по размерам в диапазоне приблизительно от 1 до 12 нм, имеют однородную кристаллическую структуру и демонстрируют зависящие от размера характеристики излучения и поглощения света. Это ранняя классика систематического изучения квантовых точек в быстром развитии исследований полупроводниковых нанокристаллов. Однако после десятилетий исследовательских разработок концепция квантовых точек также была расширена с исходных полупроводниковых нанокристаллов, и в настоящее время такие материалы, как квантовые точки перовскита, углеродные квантовые точки и неорганические квантовые точки без кадмия, стали горячими точками исследований. Таким образом, применение этих новых материалов также будет участвовать.

2.LED

Рисунок 3 Струйная печать QLED [7]
Еще в 1994 году P. Alivisatos et al. Первые комбинированные квантовые точки CdSe с полупроводниковыми полимерами для производства новых органических и неорганических гибридных электролюминесцентных диодов. Разрабатывая новые методы сборки, исследователи создали многослойные квантовые точки, которые обеспечивают перенос заряда. Преимущества традиционных объемных неорганических полупроводниковых диодов в термической, химической и механической стабильности также были сохранены [5]. Однако органический слой в этих устройствах будет иметь очень низкую подвижность носителей и нанокристаллическую проводимость, что напрямую снижает эффективность фотоэлектрического устройства. К 2006 году SJ Rosenthal [6] и другие подготовили ультрамалый нанокристалл CdSe в виде белого люминофора. Квантовые точки очень однородны по размеру и имеют большую удельную площадь поверхности, что значительно увеличивает вероятность взаимодействия электронов и дырок на поверхности нанокристаллов, так что стоксовский сдвиг нанокристаллов может достигать 40-50 нм и демонстрировать широкий спектр. излучение в видимой области. Характеристики. Изобретение этого нового белого люминофора значительно расширило перспективы применения квантовых точечных светодиодов (QLED). В последние годы лабораторная подготовка устройств-прототипов QLED постепенно созрела в исследованиях дизайна и механизма [7], и стимулирование промышленного производства массивов пикселей RGB большой площади также стало горячей точкой исследования. В настоящее время развитие технологий нанесения рисунков, таких как струйная печать и трансферная печать, заложило основу зрелости технологии QLED для отображения на больших площадях и значительно способствовало коммерческому применению QLED.

3. Живые изображения

Рисунок 4. Углеродные точки для оптической визуализации in vivo [11].
Флуоресценция - это инструмент, который имеет широкий спектр применения в биологической области. По сравнению с традиционными флуоресцентными красителями, квантовые точки имеют характеристики высокой яркости излучения, большого коэффициента молярной экстинкции и широкого спектра поглощения и могут использоваться в качестве замены флуоресцентных красителей или флуоресцентных белков. P. Alivisatos и соавт. [8] использовали квантовые точки для маркировки фибробластов в 1998 году, что открыло применение квантовых точек в качестве флуоресцентных зондов для биомедицинской визуализации. Исследовательская группа Не Шуминга также сделала новаторскую работу в области визуализации. Исследовательская группа не только использовала ковалентное сочетание квантовых точек ядро-оболочка сульфида цинка / селенида кадмия с биомакромолекулами еще в 1998 году для достижения сверхчувствительного неизотопного отслеживания [9], они также впервые реализованы у живых животных. В исследованиях по нацеливанию на опухоль и исследованиям [10] были разработаны диагностические исследования для заболевания квантовой точкой. Неорганические нанокристаллы, особенно нанокристаллы на основе кадмия, могут оказывать токсическое воздействие на организмы, поэтому синтез квантовых точек с превосходной биосовместимостью является горячей точкой исследования. Например, исследование синтетических квантовых точек на основе меди или серебра может эффективно снизить биологическую токсичность материалов. Кроме того, разработка безметалловых квантовых точек также является важной стратегией. Углеродные точки, синтезированные Ya-Ping Sun et al. все еще сохраняют значительную интенсивность флуоресценции после инъекции мышам [11]. В дополнение к токсичности, оптимизация области излучения квантовых точек для лучшего соответствия биооптическим окнам ближнего инфракрасного диапазона также является проблемой для нанокристаллических медицинских применений.

4. Лечение рака

Рисунок 5. Механизм генерации синглетного кислорода графеновыми квантовыми точками [13].
Фотодинамическая терапия теперь превратилась в одобренную FDA программу лечения рака. В целом, фотосенсибилизирующие препараты стимулируются в организме для производства активных форм кислорода, которые убивают опухолевые клетки. Однако фотосенсибилизатор плохо растворим в воде и имеет тенденцию терять фотохимическую активность из-за агрегации в организме. В 2003 году команда Burda [12] впервые объяснила потенциал развития квантовых точек CdSe в качестве фотосенсибилизатора. Оптические свойства квантовых точек определяют, что это мощный поглотитель фотонов, который эффективно передает энергию, а функционализация его поверхности усиливает рассеивание в теле. Чтобы решить проблему токсичности, Ван Пэнфэй из Института физики и химии Китайской академии наук и совместная команда Вэньцзюня Чжана из Городского университета Гонконга [13] обнаружили, что квантовые точки графена могут эффективно производить синглет. кислород и действуют на живые опухоли, чтобы убить опухоли. Кроме того, недавние исследования расширили материалы квантовых точек для применения фототермической терапии опухоли и лучевой терапии.

5. Искусственный фотосинтез

Рисунок 6 Применение преимуществ квантовых точек в области искусственного фотосинтеза [14]
В соответствии с эффектом квантового ограничения, ширина запрещенной зоны квантовых точек может быть искусственно отрегулирована с помощью соответствующего метода, так что область поглощения-поглощения квантовых точек может охватывать весь спектральный диапазон видимого света по сравнению с соответствующими объемными материалами и молекулярными красители. Более того, эффекты генерации экситонов и разделения зарядов квантовых точек более управляемы, поэтому применение квантовых точек в области катализа также является очень важной проблемой. В 1980-х годах исследования по модификации квантовых точек для оксида платины или рутения [15] и других промоторов могут катализировать гидролиз. С тех пор исследователи работают над созданием искусственного фотосинтеза на основе квантовых точек и постоянно оптимизируют его производительность. В 2012 году был сделан важный прорыв в производстве фотокаталитического водорода в каталитических системах с квантовыми точками. Краусс и др. [16] обнаружили, что после того, как квантовые точки CdSe были покрыты липоевой кислотой, квантовые точки легко связывались с системой ион-никель-липоевая кислота с образованием гибридной каталитической системы. При облучении видимым светом эта система может поддерживать выработку активного водорода в течение не менее 360 часов (квантовый выход до 36%), что значительно улучшает перспективы применения катализаторов из недрагоценных металлов. До сих пор, после десятилетий разработки систем искусственного фотосинтеза, вступивших в стадию изучения массового производства и широкомасштабного использования, квантовые точки установили преимущества перед драгоценными металлами с точки зрения источника приобретения и производственных затрат, но разработка без кадмия окружающая среда Дружественные и видимые светочувствительные квантовые точки (такие как квантовые точки селенида цинка) остаются проблемой для внедрения новых систем преобразования энергии.

6.Перовските квантовую точку

Рисунок 7. Структура и свойства квантовых точек перовскита галогенида висмута-свинца [17].
На сегодняшний день нанокристаллы сульфида металла являются наиболее развитыми и наиболее глубокими материалами квантовых точек, и они имеют самый широкий спектр применения. За последние пять лет квантовые точки с кристаллической структурой перовскита стали горячей точкой исследований. Этот новый тип квантовой точки больше не является сульфидом металла. Это галогенид металла. Галогенид металла со структурой перовскита проявляет уникальные свойства, такие как сверхпроводимость и сегнетоэлектрические свойства, которые недоступны в обычных квантовых точках. Самые ранние органически-неорганические гибридные нанокристаллы перовскита имеют тот недостаток, что они чрезвычайно чувствительны к таким факторам окружающей среды, как кислород и влажность, что ограничивает развитие этого материала. Практически в то же время исследовательская группа Коваленко [17] впервые разработала квантово-точки из неорганического галогенида перовскита свинца и висмута в 2014 году. Эта коллоидная квантовая точка имеет кубическую кристаллическую структуру перовскита, а радиус Бора экситона не превышает 12 нм и, следовательно, демонстрирует размерно связанные спектральные свойства. Этот появляющийся материал сочетает в себе преимущества квантовых точек и перовскитовых материалов для расширения потенциального применения квантовых точек. В последние год-два квантовые точки перовскита не только использовались в фотоэлектрических элементах и оптоэлектронных устройствах отображения, но еще не были изготовлены. Новые лазерные материалы [18] предлагают новые стратегии.

7.Summary

Квантовые точки являются репрезентативными материалами для объяснения «размерного эффекта» так называемых наноматериалов. Они находят все более широкое применение во все новых и новых областях: от оптоэлектронных устройств до фотокатализа и биообнаружения, что позволяет удовлетворить практически ежедневные и будущие потребности. Однако из-за нехватки места многие материалы, принадлежащие к семейству квантовых точек, такие как кремниевые квантовые точки, не были упомянуты, и введение приложений материалов осталось в репрезентативном исследовании. Суммируя эти классические исследовательские парадигмы, можно ожидать, что развитие квантовых точек может быть суммировано до некоторой степени.
Ссылки
Добро пожаловать в Нано Письма. Нано Письма. 2001, 1, 1.
 Р. Каган, Э. Лифшиц, Э. Х. Сарджент и др. Строительные устройства из коллоидных квантовых точек. Наука. 2016, 353 (6302), aac5523.
 Пэн. Очерк синтетической химии коллоидных нанокристаллов. Нано Исследования. 2009, 2, 425-447.
Mur Б. Мюррей, DJ Норрис, М. Г. Бавенди. Синтез и характеристика почти монодисперсных полупроводниковых нанокристаллитов CdE (E = S, Se, Te). Варенье. Химреагент Soc. 1993, 115, 8706-8715.
Col Л. Колвин, М. С. Шламп, А. П. Аливисатос. Светодиоды изготовлены из нанокристаллов селенида кадмия и полупроводникового полимера. Природа. 1994, 370, 354-357.
Bow Дж. Бауэрс, Дж. Р. Макбрайд, С. Дж. Розенталь. Эмиссия белого света от нанокристаллов селенида магния. Варенье. Химреагент Soc. 2006, 127, 15378-15379.
Ai Dai, Y. Deng, X. Peng, et al. Квантово-точечные светодиоды для дисплеев большой площади: на пороге коммерциализации. Advanced Materials, 2017, 29, 1607022.
Ru Брухез, М. Моронн, П. Джин и др. Полупроводниковые нанокристаллы как флуоресцентные биологические метки. Science 1998, 281, 2013-2016.
 CW Чан, С. Не. Биоконъюгаты с квантовыми точками для сверхчувствительного неизотопного обнаружения. Science, 1998, 281, 2016-2018.
 Гао, Ю. Цуй, Р.М. Левенсон и др. Нацеливание и визуализация рака in vivo с помощью полупроводниковых квантовых точек. Туземный Biotech., 2004, 22, 969-976.
 ST. Yang, L. Cao, PG Luo, et al. Углеродные точки для оптической визуализации в Vivo. Am. Химреагент Soc. 2009, 131, 11308-11309.
Sam CS Samia, X. Chen, C. Burda. Полупроводниковые квантовые точки для фотодинамической терапии. Варенье. Химреагент Soc., 2003, 125, 15736-15737.
 Ge, M. Lan, B. Zhou et al. Агент фотодинамической терапии с квантовыми точками графена с высокой генерацией синглетного кислорода. Туземный Commun. 2014, 5, 4596.
 XB. Li, CH. Tung, LZ. Ву. Полупроводниковые квантовые точки для искусственного фотосинтеза. Преподобный Хим. 2018, 2, 160-173.
Aly Kalyanasundaram, E. Borgarello, D. Duonghong, et al. Расщепление воды видимым светом при облучении коллоидных растворов CdS; Ингибирование фотокоррозии RuO2. Angew. Химреагент Int. Издание 1981, 20.
 Хан, Ф. Цю, Р. Айзенберг и др. Робастная фотогенерация H2 в воде с использованием полупроводниковых нанокристаллов и никелевого катализатора. Science 2012, 338, 1321-1324.
 Протесеску, С. Якунин, М.И. Боднарчук и др. Нанокристаллы галогенидов перовскитов свинца и цезия (CsPbX3, X = Cl, Br и I): новый оптоэлектронный материал, демонстрирующий яркое излучение с широкой цветовой гаммой. Нано Летт. 2015, 15, 3692-3696.
Wang X. Li, J. Song и соавт. Все-неорганические коллоидные перовскитные квантовые точки: новый класс лазерных материалов с благоприятными характеристиками. Advanced Materials, 2015, 27, 7101-7108.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

ru_RUРусский