Sự phát triển của công nghệ nano đã đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học trong những thập kỷ gần đây. Các vật liệu nano vô tận hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ xúc tác đến y sinh. Trong số các vật liệu nano khác nhau, tinh thể nano dạng keo có thể là một trong những vật liệu nhánh quan trọng nhất, và nó có triển vọng ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực. Paul Alivisatos của Đại học California tại Berkeley đã thực hiện rất nhiều công trình đột phá trong lĩnh vực nano. Ông đã đặt một câu hỏi như vậy trong số đầu tiên của tạp chí nổi tiếng Nano Letters [1]: Tại sao một phạm vi tỷ lệ cụ thể như vậy có thể xác định một phạm vi? Khoa học và một tạp chí khoa học? Điểm đặc biệt của thang đo nanomet hấp dẫn như vậy là gì? Ở đây, chúng tôi đã biên soạn một chú thích nhỏ để cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách tóm tắt sự phát triển của các chấm lượng tử (đó là điều mà Paul Alivisatos đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của các vật liệu chấm lượng tử) trong các lĩnh vực khác nhau.

1. Định nghĩa

Nói chung, tinh thể nano dạng keo là những mảnh vỡ của tinh thể có kích thước 1-100 nm ở dạng siêu vi trong dung dịch. Do kích thước vật lý của nó và kích thước tới hạn của nhiều đặc tính, tỷ lệ nguyên tử bề mặt đáng kể, nhiều đặc tính của tinh thể nano dạng keo cho thấy một hiện tượng độc đáo liên quan đến kích thước [3]. Theo truyền thống, tinh thể nano keo chủ yếu được phân loại thành tinh thể nano keo kim loại quý và tinh thể nano keo bán dẫn. Theo hiệu ứng giam giữ lượng tử cổ điển, khi bán kính hình học của tinh thể nano keo bán dẫn nhỏ hơn bán kính Boole của vật liệu khối, các mức năng lượng của vùng hóa trị và vùng dẫn sẽ xuất hiện ở dạng phân bố rời rạc. Nó phải liên quan đến kích thước. Do đó, các nghiên cứu cổ điển đã gọi các tinh thể nano bán dẫn có kích thước bán kính nhỏ hơn hoặc gần với bán kính Boer của exciton là các chấm lượng tử.

Sự phát triển của chấm lượng tử - từ định nghĩa đến ứng dụng 1

Hình 1 Cấu trúc của các chấm lượng tử (bề mặt và lõi) [2]

Sự phát triển của chấm lượng tử - từ định nghĩa đến ứng dụng 2

Hình 2 Hình ảnh TEM của tinh thể nano đơn phân tán CdSe [4]
Ở giai đoạn phát triển ban đầu của chấm lượng tử, nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực chalcogenides kim loại. Năm 1993, nhóm Bawendi của MIT [4] đã tiêm các hợp chất cơ kim vào dung môi ở nhiệt độ cao, và các hợp chất này được phân hủy bằng nhiệt và tạo mầm trong dung dịch để thu được chalcogenides kim loại như cadmium selenua (CdSe) có khả năng phân tán tốt. Tinh thể nano. Các tinh thể nano bán dẫn chất lượng cao này có phân bố kích thước đường kính trong khoảng từ 1 nm đến 12 nm, có cấu trúc tinh thể đồng nhất và thể hiện các đặc điểm phát xạ và hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào kích thước. Đây là tác phẩm kinh điển ban đầu của nghiên cứu có hệ thống về các chấm lượng tử trong quá trình phát triển nhanh chóng của nghiên cứu tinh thể nano bán dẫn. Tuy nhiên, sau nhiều thập kỷ nghiên cứu phát triển, khái niệm chấm lượng tử cũng đã được mở rộng từ các tinh thể nano bán dẫn ban đầu, và ngày nay, các vật liệu như chấm lượng tử perovskite, chấm lượng tử carbon và chấm lượng tử vô cơ không có cadmium đã trở thành điểm nóng nghiên cứu. Do đó, ứng dụng của các vật liệu mới nổi này cũng sẽ được tham gia.

2.Led

Sự phát triển của chấm lượng tử - từ định nghĩa đến ứng dụng 3

Hình 3 In phun QLED [7]
Ngay từ năm 1994, P. Alivisatos et al. lần đầu tiên kết hợp các chấm lượng tử CdSe với các polyme bán dẫn để sản xuất các điốt điện phát quang lai hữu cơ-vô cơ mới. Bằng cách phát triển các kỹ thuật lắp ráp mới, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các chấm lượng tử nhiều lớp cho phép vận chuyển điện tích. Các ưu điểm của điốt bán dẫn vô cơ số lượng lớn truyền thống về độ ổn định nhiệt, hóa học và cơ học cũng được giữ lại [5]. Tuy nhiên, lớp hữu cơ trong các thiết bị này sẽ có độ linh động của hạt tải điện và độ dẫn tinh thể nano rất thấp, trực tiếp kéo theo hiệu suất của thiết bị quang điện. Vào khoảng năm 2006, SJ Rosenthal [6] và những người khác đã điều chế một tinh thể nano CdSe siêu nhỏ làm chất phốt pho trắng. Các chấm lượng tử có kích thước rất đồng đều và diện tích bề mặt cụ thể lớn, điều này làm tăng đáng kể xác suất tương tác của các điện tử và lỗ trống trên bề mặt của các tinh thể nano, do đó sự dịch chuyển Stokes của các tinh thể nano có thể đạt tới 40-50 nm và thể hiện phổ rộng phát xạ trong vùng khả kiến. Đặc điểm. Việc phát minh ra phosphor trắng mới này đã mở rộng đáng kể triển vọng ứng dụng của điốt phát quang chấm lượng tử (QLED). Trong những năm gần đây, việc chuẩn bị trong phòng thí nghiệm các thiết bị nguyên mẫu QLED đã dần trưởng thành trong nghiên cứu thiết kế và cơ chế [7], và việc thúc đẩy sản xuất công nghiệp mảng pixel RGB diện tích lớn cũng trở thành một điểm nóng nghiên cứu. Ngày nay, sự phát triển của công nghệ in hoa văn như in phun và in chuyển đã đặt nền tảng cho sự trưởng thành của công nghệ hiển thị diện tích lớn QLED, và đã thúc đẩy đáng kể ứng dụng thương mại của QLED.

3. Hình ảnh sống

Sự phát triển của chấm lượng tử - từ định nghĩa đến ứng dụng 4

Hình 4 Các chấm carbon cho hình ảnh quang học in vivo [11]
Huỳnh quang là một công cụ có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực sinh học. So với thuốc nhuộm huỳnh quang truyền thống, chấm lượng tử có các đặc điểm là độ sáng phát xạ cao, hệ số tắt mol lớn và phổ hấp thụ rộng, và có thể được sử dụng thay thế cho thuốc nhuộm huỳnh quang hoặc protein huỳnh quang. P. Alivisatos và cộng sự. [8] đã sử dụng chấm lượng tử để ghi nhãn nguyên bào sợi vào năm 1998, điều này đã mở ra ứng dụng chấm lượng tử làm đầu dò huỳnh quang cho hình ảnh y sinh. Nhóm nghiên cứu của Nie Shuming cũng đã đi tiên phong trong lĩnh vực hình ảnh. Nhóm nghiên cứu không chỉ sử dụng sự ghép nối cộng hóa trị của các chấm lượng tử vỏ lõi kẽm sulfua / cadmium selenua với các phân tử sinh học vào đầu năm 1998 để đạt được khả năng truy tìm không đồng vị siêu nhạy [9], họ còn nhận ra lần đầu tiên trên động vật sống. Các nghiên cứu hình ảnh và nhắm mục tiêu khối u [10] đã phát triển các nghiên cứu chẩn đoán bệnh chấm lượng tử. Các tinh thể nano vô cơ, đặc biệt là các tinh thể nano dựa trên cadmium, có thể gây ra các tác động độc hại lên sinh vật, vì vậy việc tổng hợp các chấm lượng tử có khả năng tương thích sinh học tuyệt vời đã là một điểm nóng nghiên cứu. Ví dụ, nghiên cứu về các chấm lượng tử dựa trên đồng hoặc bạc tổng hợp có thể làm giảm độc tính sinh học của vật liệu một cách hiệu quả. Ngoài ra, việc phát triển các chấm lượng tử không chứa kim loại cũng là một chiến lược quan trọng. Các chấm carbon được tổng hợp bởi Ya-Ping Sun et al. vẫn giữ được cường độ huỳnh quang đáng kể sau khi tiêm vào chuột [11]. Ngoài độc tính, việc tối ưu hóa vùng phát xạ của các chấm lượng tử để phù hợp hơn với các cửa sổ quang sinh học cận hồng ngoại cũng là một thách thức đối với các ứng dụng y tế tinh thể nano.

4. điều trị ung thư

Sự phát triển của chấm lượng tử - từ định nghĩa đến ứng dụng 5

Hình 5 Cơ chế tạo oxy Singlet của các chấm lượng tử graphene [13]
Liệu pháp quang động hiện đã phát triển thành một chương trình điều trị ung thư được FDA chấp thuận. Nói chung, các loại thuốc cảm quang được kích thích trong cơ thể để tạo ra các loại oxy phản ứng tiêu diệt các tế bào khối u. Tuy nhiên, chất cảm quang kém tan trong nước và có xu hướng mất hoạt tính quang hóa do kết tụ trong cơ thể. Năm 2003, nhóm Burda [12] lần đầu tiên giải thích tiềm năng phát triển của chấm lượng tử CdSe như một chất cảm quang. Các đặc tính quang học của chấm lượng tử xác định rằng nó là một chất hấp thụ photon mạnh mẽ, truyền năng lượng hiệu quả và chức năng hóa bề mặt của nó giúp tăng cường sự phân tán trong cơ thể. Để giải quyết vấn đề độc tính, Wang Pengfei thuộc Viện Vật lý và Hóa học thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc và nhóm nghiên cứu chung của Wenjun Zhang thuộc Đại học Thành phố Hồng Kông [13] đã phát hiện ra rằng các chấm lượng tử graphene có thể tạo ra các hạt đơn. oxy và tác động lên khối u sống để tiêu diệt khối u. Ngoài ra, nghiên cứu gần đây đã mở rộng vật liệu chấm lượng tử để ứng dụng liệu pháp quang nhiệt khối u và xạ trị.

5. quang hợp có lợi

Sự phát triển của chấm lượng tử - từ định nghĩa đến ứng dụng 6

Hình 6 Ưu điểm ứng dụng của chấm lượng tử trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo [14]
Theo hiệu ứng giới hạn lượng tử, độ rộng vùng cấm của các chấm lượng tử có thể được điều chỉnh nhân tạo bằng một phương pháp thích hợp, do đó vùng phát xạ hấp thụ của các chấm lượng tử có thể bao phủ toàn bộ dải quang phổ ánh sáng nhìn thấy được so với các vật liệu khối và phân tử tương ứng. thuốc nhuộm. Hơn nữa, hiệu ứng tạo exciton và phân tách điện tích của chấm lượng tử dễ kiểm soát hơn nên việc ứng dụng chấm lượng tử trong lĩnh vực xúc tác cũng là một vấn đề hết sức quan trọng. Trong những năm 1980, nghiên cứu về việc biến đổi các chấm lượng tử thành platin hoặc ruthenium oxide [15] và các chất xúc tiến khác có thể xúc tác quá trình thủy phân. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã làm việc để xây dựng quá trình quang hợp nhân tạo dựa trên chấm lượng tử và liên tục tối ưu hóa hiệu suất của nó. Năm 2012, một bước đột phá quan trọng đã được thực hiện trong việc sản xuất hydro quang xúc tác của hệ thống xúc tác chấm lượng tử. Krauss và cộng sự. [16] nhận thấy rằng sau khi các chấm lượng tử CdSe được phủ bởi axit lipoic, các chấm lượng tử dễ dàng liên kết với hệ thống axit lipoic ion niken để tạo thành một hệ xúc tác lai. Dưới sự chiếu xạ của ánh sáng nhìn thấy, hệ thống này có thể duy trì sản xuất hydro hoạt động trong ít nhất 360 giờ (năng suất lượng tử lên đến 36%), cải thiện đáng kể triển vọng ứng dụng của chất xúc tác phi kim loại quý. Cho đến nay, sau nhiều thập kỷ phát triển của các hệ thống quang hợp nhân tạo đã bước vào giai đoạn khám phá sản xuất hàng loạt và sử dụng trên quy mô lớn, các chấm lượng tử đã tạo ra lợi thế so với kim loại quý về nguồn thu nhận và chi phí sản xuất, nhưng sự phát triển của không chứa cadimi môi trường Các chấm lượng tử đáp ứng ánh sáng có thể nhìn thấy và thân thiện (chẳng hạn như các chấm lượng tử kẽm selen) vẫn là một thách thức đối với việc triển khai các hệ thống chuyển đổi năng lượng mới.

6. chấm lượng tử Perovskite

Sự phát triển của chấm lượng tử - từ định nghĩa đến ứng dụng 7

Hình 7 Cấu trúc và tính chất của chấm lượng tử perovskite perovskite bismuth-chì halogen [17]
Cho đến nay, các tinh thể nano sunfua kim loại là vật liệu chấm lượng tử được phát triển tốt nhất và có chiều sâu nhất, và chúng có phạm vi ứng dụng rộng rãi nhất. Trong 5 năm qua, các chấm lượng tử với cấu trúc tinh thể của perovskite đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu mới nổi. Loại chấm lượng tử mới này không còn là sunfua kim loại nữa. Thay vào đó, nó là một halogen kim loại. Một halogen kim loại có cấu trúc perovskite thể hiện các đặc tính độc đáo như tính siêu dẫn và tính sắt điện mà không có trong các chấm lượng tử thông thường. Các tinh thể nano perovskite lai hữu cơ-vô cơ sớm nhất có nhược điểm là cực kỳ nhạy cảm với các yếu tố môi trường như oxy và độ ẩm, điều này hạn chế sự phát triển của vật liệu này. Gần như cùng lúc đó, nhóm nghiên cứu của Kovalenko [17] đã đi tiên phong trong việc điều chế các chấm lượng tử perovskite bismuth-chì halogen hoàn toàn vô cơ vào năm 2014. Chấm lượng tử dạng keo này có cấu trúc tinh thể perovskite lập phương, trong khi bán kính Bohr của exciton không vượt quá 12 nm và do đó thể hiện các đặc tính quang phổ liên quan đến kích thước. Vật liệu mới nổi này kết hợp các ưu điểm của chấm lượng tử và vật liệu perovskite để mở rộng các ứng dụng tiềm năng của chấm lượng tử. Trong một hoặc hai năm qua, chấm lượng tử perovskite không chỉ được sử dụng trong các tế bào quang điện và thiết bị hiển thị quang điện tử, mà còn chưa được sản xuất. Vật liệu laser mới [18] đưa ra các chiến lược mới.

7. sơ lược

Chấm lượng tử là vật liệu đại diện để giải thích "hiệu ứng kích thước" của cái gọi là vật liệu nano. Chúng đã được ứng dụng rộng rãi hơn trong ngày càng nhiều lĩnh vực, từ các thiết bị quang điện tử đến xúc tác quang đến phát hiện sinh học, đáp ứng hầu hết các nhu cầu hàng ngày của hiện tại và tương lai. Tuy nhiên, do hạn chế về không gian, nhiều vật liệu thành viên trong gia đình chấm lượng tử như chấm lượng tử silicon đã không được đề cập đến, và việc giới thiệu các ứng dụng vật liệu vẫn còn trong nghiên cứu đại diện. Bằng cách tóm tắt các mô hình nghiên cứu cổ điển này, người ta hy vọng rằng sự phát triển của các chấm lượng tử có thể được tóm tắt ở một mức độ nào đó.
Người giới thiệu
Chào mừng bạn đến với Nano Letters. Chữ cái Nano. 2001, 1, 1.
 R. Kagan, E. Lifshitz, EH Sargent, và cộng sự. Xây dựng thiết bị từ các chấm lượng tử dạng keo. Khoa học. 2016, 353 (6302), aac5523.
 Peng. Một bài luận về Hóa học tổng hợp của các tinh thể nano keo. Nghiên cứu Nano. 2009, 2, 425-447.
 B. Murray, DJ Norris, MG Bawendi. Tổng hợp và đặc tính của tinh thể nano bán dẫn gần như đơn đĩa CdE (E = S, Se, Te). Mứt. Chèm. Soc. 1993, 115, 8706-8715.
 L. Colvin, MC Schlamp, AP Alivisatos. Điốt phát quang được làm từ tinh thể nano cadmium selenua và một loại polyme bán dẫn Bản chất. 1994, 370, 354-357.
 J. Bowers, JR McBride, SJ Rosenthal. Phát xạ ánh sáng trắng từ tinh thể nano Cadmium Selenide có kích thước ma thuật. Mứt. Chèm. Soc. 2006, 127, 15378-15379.
 Dai, Y. Deng, X. Peng, et al. Điốt phát sáng chấm lượng tử cho màn hình diện tích lớn: Hướng tới bình minh thương mại hóa. Tài liệu nâng cao, 2017, 29, 1607022.
 Bruchez, M. Moronne, P. Gin, et al. Tinh thể nano bán dẫn làm Nhãn sinh học huỳnh quang. Khoa học 1998, 281, 2013-2016.
 CW Chan, S. Nie. Chấm lượng tử liên hợp sinh học để phát hiện không liên quan siêu nhạy. Khoa học, 1998, 281, 2016-2018.
 Gao, Y. Cui, RM Levenson, et al. Xác định mục tiêu và hình ảnh ung thư in vivo với các chấm lượng tử bán dẫn. Nat. Công nghệ sinh học., 2004, 22, 969-976.
 ST. Yang, L. Cao, PG Luo, et al. Dấu chấm carbon cho hình ảnh quang học trong Vivo. Là. Chèm. Soc. 2009, 131, 11308-11309.
 CS Samia, X. Chen, C. Burda. Chấm lượng tử bán dẫn cho liệu pháp quang động. Mứt. Chèm. Soc., 2003, 125, 15736-15737.
 Ge, M. Lan, B. Zhou và cộng sự. Một tác nhân trị liệu quang động chấm lượng tử graphene với khả năng tạo oxy đơn lẻ cao. Nat. Commun. 2014, 5, 4596.
 XB. Li, CH. Tung, LZ. Ngô. Các chấm lượng tử bán dẫn cho quá trình quang hợp nhân tạo. Rev. Chem. 2018, 2, 160-173.
 Kalyanasundaram, E. Borgarello, D. Duonghong, et al. Sự phân tách của nước bằng sự chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy được của dung dịch keo CdS; Ức chế ăn mòn quang bởi RuO2. Angew. Chèm. Int. Ed. Năm 1981, 20.
 Han, F. Qiu, R. Eisenberg, et al. Quá trình phát quang mạnh mẽ của H2 trong nước bằng tinh thể nano bán dẫn và chất xúc tác niken. Khoa học 2012, 338, 1321-1324.
 Protesescu, S. Yakunin, MI Bodnarchuk, et al. Tinh thể nano của Perovskites chì Cesium (CsPbX3, X = Cl, Br, và I): Vật liệu quang điện tử mới lạ cho thấy sự phát xạ sáng với gam màu rộng. Nano Lett. 2015, 15, 3692-3696.
 Wang, X. Li, J. Song, et al. Tất cả ‐ Chấm lượng tử Perovskite keo vô cơ: Một loại vật liệu làm vỏ bọc mới với các đặc tính thuận lợi. Tài liệu nâng cao, 2015, 27, 7101-7108.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *