Kuantum noktalarının gelişimi - tanımdan uygulamaya

Nanoteknolojinin gelişimi, son yıllarda bilimsel araştırmalarda çok önemli bir rol oynamıştır. Sonsuz nanomalzemeler artık katalizden biyotıbba kadar birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Çeşitli nanomalzemeler arasında kolloidal nanokristaller en önemli dal malzemelerinden biri olabilir ve birçok alanda güçlü uygulama beklentilerine sahiptir. Berkeley'deki California Üniversitesi'nden Paul Alivisatos, nano alanda çığır açan birçok çalışma yaptı. Ünlü dergi Nano Letters [1]'in açılış sayısında böyle bir soru sordu: Neden böyle belirli bir ölçek aralığı bir tane tanımlayabilir? Bilim ve bilimsel bir dergi? Böylesine zorlayıcı bir nanometre ölçeğinin özel noktası nedir? Burada, kuantum noktalarının (Paul Alivisatos'un kuantum nokta malzemelerinin geliştirilmesinde çok önemli bir rol oynadığı şey) çeşitli alanlardaki gelişimini özetleyerek bu sorunu çözmeye çalışmak için küçük bir dipnot derledik.

Genel olarak, kolloidal nanokristaller, çözelti içinde yarı kararlı bir biçimde 1-100 nm boyutuna sahip bir kristalin parçalarıdır. Fiziksel boyutu ve birçok özelliğin kritik boyutu, önemli yüzey atomik oranı ve kolloidal nanokristallerin birçok özelliği nedeniyle boyutla ilgili benzersiz bir fenomen gösterir [3]. Geleneksel olarak, kolloidal nanokristaller esas olarak asil metal kolloidal nanokristaller ve yarı iletken koloidal nanokristaller olarak sınıflandırılır. Klasik kuantum hapsi etkisine göre, yarı iletken koloidal nanokristalin geometrik yarıçapı, dökme malzemenin eksiton Boole yarıçapından daha küçük olduğunda, değerlik bandının ve iletim bandının enerji seviyeleri ayrı bir dağılım şeklinde görünecektir. Boyutla ilgili olmalıdır. Bu nedenle, klasik çalışmalar, yarıçap boyutları eksiton Boer yarıçapından daha küçük veya ona yakın olan yarı iletken nanokristallere kuantum noktaları olarak atıfta bulunmuştur.

Şekil 1 Kuantum noktalarının yapısı (yüzey ve çekirdek) [2]

Şekil 2 monodispers CdSe nanokristallerinin TEM görüntüsü [4]

Kuantum noktalarının geliştirilmesinin ilk aşamasında, araştırmalar metal kalkojenitler alanına odaklanmıştır. 1993'te MIT'nin Bawendi grubu [4] organometalik bileşikleri yüksek sıcaklıktaki çözücülere enjekte etti ve bileşikler termal olarak ayrıştırıldı ve iyi dağılabilirliğe sahip kadmiyum selenit (CdSe) gibi metal kalkojenitler elde etmek için çözelti içinde çekirdeklendi. Nanokristal. Bu yüksek kaliteli yarı iletken nanokristaller, yaklaşık 1 nm ila 12 nm aralığında bir çap boyutu dağılımına sahiptir, düzgün bir kristal yapıya sahiptir ve boyuta bağlı ışık emisyonu ve absorpsiyon özellikleri sergiler. Bu, yarı iletken nanokristal araştırmalarının hızlı gelişiminde kuantum noktalarının sistematik çalışmasının erken bir klasiğidir. Bununla birlikte, onlarca yıllık geliştirme araştırmalarından sonra, kuantum noktaları kavramı da orijinal yarı iletken nanokristallerden genişletildi ve günümüzde, perovskite kuantum noktaları, karbon kuantum noktaları ve kadmiyum içermeyen inorganik kuantum noktaları gibi malzemeler Araştırma sıcak noktaları haline geldi. Bu nedenle, ortaya çıkan bu malzemelerin uygulanması da söz konusu olacaktır.

Şekil 3 QLED mürekkep püskürtmeli baskı [7]

1994 gibi erken bir tarihte, P. Alivisatos ve ark. yeni organik-inorganik hibrit elektrominesans diyotların üretimi için ilk kombine CdSe kuantum noktaları yarı iletken polimerlerle. Araştırmacılar, yeni montaj teknikleri geliştirerek, yük aktarımını sağlayan çok katmanlı kuantum noktaları oluşturdular. Geleneksel toplu inorganik yarı iletken diyotların termal, kimyasal ve mekanik kararlılıktaki avantajları da korunmuştur [5]. Bununla birlikte, bu cihazlardaki organik tabaka, fotovoltaik cihazın verimliliğini doğrudan sürükleyen çok düşük taşıyıcı hareketliliğine ve nanokristal iletkenliğe sahip olacaktır. 2006 civarında, SJ Rosenthal [6] ve diğerleri, beyaz bir fosfor olarak ultra küçük bir CdSe nano kristali hazırladılar. Kuantum noktaları, boyut olarak çok düzgün ve spesifik yüzey alanında büyüktür; bu, nanokristallerin yüzeyinde etkileşime giren elektronların ve deliklerin olasılığını önemli ölçüde artırır, böylece nanokristallerin Stokes kayması 40-50 nm'ye ulaşabilir ve geniş spektrum sergileyebilir. görünür bölgede emisyon Özellikler Bu yeni beyaz fosforun icadı, kuantum nokta ışık yayan diyotların (QLED'ler) uygulama beklentilerini büyük ölçüde genişletti. Son yıllarda, QLED prototip cihazlarının laboratuvarda hazırlanması, tasarım ve mekanizma araştırmalarında giderek olgunlaştı [7] ve geniş alanlı RGB piksel dizilerinin endüstriyel üretiminin teşviki de bir araştırma etkin noktası haline geldi. Günümüzde, mürekkep püskürtmeli baskı ve transfer baskı gibi desenleme teknolojilerinin gelişimi, QLED'in geniş alanlı görüntüleme teknolojisinin olgunluğunun temelini attı ve QLED'in ticari uygulamasını önemli ölçüde destekledi.

Şekil 4 İn vivo optik görüntüleme için karbon noktaları [11]

Floresans, biyolojik alanda geniş bir uygulama alanına sahip bir araçtır. Geleneksel floresan boyalarla karşılaştırıldığında, kuantum noktaları, yüksek emisyon parlaklığı, büyük molar sönme katsayısı ve geniş absorpsiyon spektrumu özelliklerine sahiptir ve floresan boyaların veya floresan proteinlerin yerine kullanılabilir. P. Alivisatos ve ark. [8], biyomedikal görüntüleme için floresan problar olarak kuantum noktalarının uygulamasını açan 1998'de fibroblast etiketlemesi için kuantum noktalarını kullandı. Nie Shuming'in araştırma ekibi, görüntüleme alanında da öncü çalışmalar yaptı. Araştırma ekibi, ultra hassas izotopik olmayan izleme elde etmek için yalnızca çinko sülfür/kadmiyum selenit çekirdek-kabuk kuantum noktalarının biyomakromoleküllerle kovalent bağlanmasını kullanmakla kalmadı [9], aynı zamanda canlı hayvanlarda ilk kez gerçekleştirdiler. Tümör hedefleme ve görüntüleme çalışmaları [10], kuantum nokta hastalığı için tanısal çalışmalar geliştirmiştir. İnorganik nanokristaller, özellikle kadmiyum bazlı nanokristaller organizmalar üzerinde toksik etkilere neden olabilir, bu nedenle mükemmel biyouyumluluk ile kuantum noktalarının sentezi bir araştırma noktası olmuştur. Örneğin, sentetik bakır bazlı veya gümüş bazlı kuantum noktaları üzerinde yapılan araştırmalar, malzemelerin biyolojik toksisitesini etkili bir şekilde azaltabilir. Ayrıca metal içermeyen kuantum noktalarının geliştirilmesi de önemli bir stratejidir. Ya-Ping Sun ve diğerleri tarafından sentezlenen karbon noktaları. farelere enjeksiyondan sonra hala kayda değer floresan yoğunluğunu korur [11]. Toksisiteye ek olarak, yakın kızılötesi biyo-optik pencerelere daha iyi uyum sağlamak için kuantum noktalarının emisyon bölgesini optimize etmek de nanokristal tıbbi uygulamalar için bir zorluktur.

Şekil 5 Grafen kuantum noktalarının singlet oksijen üretim mekanizması [13]

Fotodinamik terapi artık FDA onaylı bir kanser tedavi programına dönüşmüştür. Genel olarak, ışığa duyarlılaştırıcı ilaçlar, tümör hücrelerini öldüren reaktif oksijen türleri üretmek için vücutta uyarılır. Bununla birlikte, ışığa duyarlılaştırıcının suda çözünürlüğü zayıftır ve vücutta birikme nedeniyle fotokimyasal aktiviteyi kaybetme eğilimindedir. 2003 yılında, Burda ekibi [12] ilk olarak CdSe kuantum noktalarının bir ışığa duyarlılaştırıcı olarak gelişme potansiyelini açıkladı. Kuantum noktalarının optik özellikleri, enerjiyi verimli bir şekilde aktaran güçlü bir foton soğurucu olduğunu ve yüzey işlevselleştirmesinin vücuttaki dağılımı arttırdığını belirler. Çin Bilimler Akademisi Fizik ve Kimya Enstitüsü'nden Wang Pengfei ve Hong Kong Şehir Üniversitesi'nden Wenjun Zhang'ın ortak ekibi [13] toksisite sorununu çözmek için grafen kuantum noktalarının verimli bir şekilde singlet üretebildiğini buldu. oksijen ve tümörleri öldürmek için canlı tümörler üzerinde hareket eder. Ek olarak, son araştırmalar, kuantum nokta materyallerini tümör fototermal tedavisi ve radyasyon tedavisinin uygulanmasına genişletti.

Şekil 6 Yapay fotosentez alanında kuantum noktalarının uygulama avantajları [14]

Kuantum hapsi etkisine göre, kuantum noktalarının bant aralığı, uygun bir yöntemle yapay olarak ayarlanabilir, böylece kuantum noktalarının absorpsiyon emisyon bölgesi, karşılık gelen toplu malzemeler ve moleküler ile karşılaştırıldığında tüm görünür ışık spektral aralığını kapsayabilir. boyalar. Ayrıca, kuantum noktalarının eksiton üretimi ve yük ayırma etkileri daha kontrol edilebilir olduğundan, kuantum noktalarının kataliz alanında uygulanması da çok önemli bir konudur. 1980'lerde, kuantum noktalarının platin veya rutenyum oksit [15] ve diğer promotörlere modifikasyonu üzerine yapılan araştırmalar hidrolizi katalize edebilir. O zamandan beri, araştırmacılar kuantum nokta tabanlı yapay fotosentez oluşturmak ve performansını sürekli olarak optimize etmek için çalışıyorlar. 2012 yılında kuantum nokta katalitik sistemlerin fotokatalitik hidrojen üretiminde önemli bir atılım yapıldı. Krauss et al. [16], CdSe kuantum noktalarının lipoik asit ile kaplanmasından sonra, kuantum noktalarının, hibrit bir katalitik sistem oluşturmak için nikel iyon-lipoik asit sistemine kolayca bağlandığını buldu. Görünür ışık ışıması altında, bu sistem aktif hidrojen üretimini en az 360 saat (36%'ye kadar kuantum verimi) sürdürebilir ve bu da değerli olmayan metal katalizörlerin uygulama beklentilerini büyük ölçüde iyileştirir. Şimdiye kadar, onlarca yıllık yapay fotosentez sistemlerinin geliştirilmesinden sonra, seri üretim ve büyük ölçekli kullanımı keşfetme aşamasına girdikten sonra, kuantum noktaları, satın alma kaynağı ve üretim maliyeti açısından değerli metallere göre avantajlar sağladı, ancak kadmiyum içermeyen gelişimin geliştirilmesi. çevre dostu ve görünür ışığa duyarlı kuantum noktaları (çinko selenit kuantum noktaları gibi), yeni enerji dönüşüm sistemlerinin uygulanması için bir zorluk olmaya devam ediyor.

Şekil 7 Bizmut-kurşunlu halojenür perovskit kuantum noktalarının yapısı ve özellikleri [17]

Şimdiye kadar, metal sülfür nanokristaller en iyi geliştirilmiş ve en derinlemesine kuantum nokta malzemeleridir ve en geniş uygulama alanına sahiptirler. Son beş yılda, perovskite kristal yapıya sahip kuantum noktaları, yeni ortaya çıkan bir araştırma sıcak noktası haline geldi. Bu yeni kuantum noktası türü artık bir metal sülfür değil. Bunun yerine, bir metal halojenürdür. Perovskite yapıya sahip bir metal halojenür, geleneksel kuantum noktalarında mevcut olmayan süper iletkenlik ve ferroelektrik özellikler gibi benzersiz özellikler sergiler. En eski organik-inorganik hibrit perovskit nanokristalleri, bu malzemenin gelişimini sınırlayan oksijen ve nem gibi çevresel faktörlere aşırı duyarlı olma dezavantajına sahiptir. Hemen hemen aynı zamanda, Kovalenko'nun araştırma grubu [17] 2014 yılında tamamen inorganik bizmut-kurşunlu halojenür perovskit kuantum noktalarının hazırlanmasına öncülük etti. Bu kolloidal kuantum nokta, kübik bir perovskite kristal yapıya sahipken, eksiton Bohr yarıçapı 12'yi geçmez. nm ve bu nedenle boyutsal olarak ilişkili spektral özellikler sergiler. Ortaya çıkan bu malzeme, kuantum noktalarının potansiyel uygulamalarını genişletmek için kuantum noktalarının ve perovskite malzemelerin avantajlarını birleştirir. Geçtiğimiz bir veya iki yılda, perovskite kuantum noktaları yalnızca fotovoltaik hücrelerde ve optoelektronik görüntüleme cihazlarında kullanılmadı, henüz üretilmedi. Yeni lazer malzemeleri [18] yeni stratejiler sunuyor.

Kuantum noktaları, sözde nanomalzemelerin "boyut etkisini" açıklamak için temsili malzemelerdir. Optoelektronik cihazlardan fotokatalize ve biyolojik algılamaya kadar giderek daha fazla alanda, hemen hemen şimdiki ve Geleceğin günlük ihtiyaçlarını kapsayan daha geniş bir şekilde uygulanmaktadırlar. Bununla birlikte, alan sınırlamaları nedeniyle, silikon kuantum noktaları gibi birçok kuantum nokta ailesi üyesi malzemelerden bahsedilmemiştir ve malzeme uygulamalarının tanıtımı temsili araştırmalarda kalmıştır. Bu klasik araştırma paradigmalarını özetleyerek, kuantum noktalarının gelişiminin bir dereceye kadar özetlenebilmesi beklenmektedir.

Referanslar

Nano Letters'a hoş geldiniz. Nano Harfler. 2001, 1, 1.

 R. Kagan, E. Lifshitz, EH Sargent, et al. Kolloidal kuantum noktalarından cihazlar inşa etmek. Bilim. 2016, 353(6302), aac5523.

 Peng. Kolloidal Nanokristallerin Sentetik Kimyası Üzerine Bir Deneme. Nano Araştırma. 2009, 2, 425-447.

 B. Murray, DJ Norris, MG Bawendi. Neredeyse Monodispers CdE(E = S, Se, Te) Yarı İletken Nanokristallerin Sentezi ve Karakterizasyonu. J. Am. Kimya Soc. 1993, 115, 8706-8715.

 L. Colvin, MC Schlamp, AP Alivisatos. Kadmiyum selenit nanokristallerinden ve yarı iletken polimer Nature'dan yapılmış ışık yayan diyotlar. 1994, 370, 354-357.

 J. Bowers, JR McBride, SJ Rosenthal. Sihirli Boyutlu Kadmiyum Selenid Nanokristallerinden Beyaz Işık Emisyonu. J. Am. Kimya Soc. 2006, 127, 15378-15379.

 Dai, Y. Deng, X. Peng, et al. Geniş Alanlı Ekranlar için Kuantum Nokta Işık Yayan Diyotlar: Ticarileşmenin Şafağa Doğru. Gelişmiş Malzemeler, 2017, 29, 1607022.

 Bruchez, M. Moronne, P. Gin, et al. Floresan Biyolojik Etiketler olarak Yarı İletken Nanokristaller. Bilim 1998, 281, 2013-2016.

 CW Chan, S. Nie. Ultra Hassas İzotopik Olmayan Tespit için Kuantum Nokta Biyokonjugatları. Bilim, 1998, 281, 2016-2018.

 Gao, Y. Cui, RM Levenson, et al. Yarı iletken kuantum noktalarıyla in vivo kanser hedefleme ve görüntüleme. Nat. Biotech., 2004, 22, 969-976.

 ST. Yang, L. Cao, PG Luo, et al. Vivo'da Optik Görüntüleme için Karbon Noktaları. Ben. Kimya Soc. 2009, 131, 11308-11309.

 CS Samia, X. Chen, C. Burda. Fotodinamik Terapi için Yarı İletken Kuantum Noktaları. J. Am. Kimya Soc., 2003, 125, 15736-15737.

 Ge, M. Lan, B. Zhou ve ark. Yüksek singlet oksijen üretimine sahip bir grafen kuantum nokta fotodinamik terapi ajanı. Nat. Komün. 2014, 5, 4596.

 XB. Li, CH. Tung, LZ. Wu. Yapay fotosentez için yarı iletken kuantum noktaları. Rev. Kimya 2018, 2, 160-173.

 Kalyanasundaram, E. Borgarello, D. Duonghong, et al. Kolloidal CdS Çözeltilerinin Görünür Işık Işınlaması ile Suyun Bölünmesi; RuO2 ile Fotokorozyonun Engellenmesi. Ange. Kimya Int. Ed. 1981, 20.

 Han, F. Qiu, R. Eisenberg, et al. Yarı İletken Nanokristaller ve Nikel Katalizör Kullanarak Suda H2'nin Sağlam Fotojenerasyonu. Bilim 2012, 338, 1321-1324.

 Protesescu, S. Yakunin, MI Bodnarchuk, et al. Sezyum Kurşun Halide Perovskitlerin Nanokristalleri (CsPbX3, X = Cl, Br ve I): Geniş Renk Gamı ile Parlak Emisyon Gösteren Yeni Optoelektronik Malzeme. Nano Lett. 2015, 15, 3692-3696.

 Wang, X. Li, J. Song, et al. Tümüyle İnorganik Kolloidal Perovskite Kuantum Noktaları: Uygun Karakteristiklere Sahip Yeni Bir Lazer Malzemesi Sınıfı. Gelişmiş Malzemeler, 2015, 27, 7101-7108.