Valutazione dell'influenza del microonde

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22000 (2022) Citare questo articolo

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I punti quantici (QD) dei semiconduttori luminescenti sono spesso utilizzati nelle scienze della vita e dei materiali come reporter per studi di bioimaging e come componenti attivi in ​​dispositivi quali display, diodi emettitori di luce, celle solari e sensori. Le crescenti preoccupazioni riguardanti l'uso di elementi tossici come cadmio e piombo e solventi organici pericolosi durante la sintesi QD hanno nel frattempo innescato la ricerca di QD privi di metalli pesanti utilizzando metodi di sintesi della chimica verde. Candidati interessanti sono i QD ternari AgInS2 (AIS) che mostrano ampie bande di fotoluminescenza (PL), grandi spostamenti di Stokes effettivi, elevate rese quantiche PL (PL QY) e lunga durata PL, che sono particolarmente utili per applicazioni come bioimaging, luce bianca diodi emettitori e concentratori solari. Inoltre, questi nanomateriali possono essere preparati di alta qualità con una sintesi assistita da microonde (MW) in soluzione acquosa. La diffusione omogenea del calore e l'aumento istantaneo della temperatura della sintesi MW consentono un migliore controllo della nucleazione e della crescita del QD e quindi aumentano la riproducibilità da lotto a lotto. In questo studio, abbiamo esplorato sistematicamente la sintesi MW dei QD AIS/ZnS variando parametri come l'ordine di aggiunta dei reagenti, la concentrazione del precursore e il tipo di ligando tiolico stabilizzante e valutato la loro influenza sulle proprietà ottiche dei risultanti AIS/ZnS QD. In condizioni di sintesi ottimizzate, è possibile preparare in modo riproducibile QD AIS/ZnS idrosolubili con un PL QY del 65% e un'eccellente stabilità colloidale e a lungo termine.

Negli ultimi decenni, i nanocristalli semiconduttori (chiamati anche punti quantici, QD) sono diventati popolari per applicazioni come bioimaging, biosensing e dispositivi optoelettronici1,2,3,4,5,6. Il forte interesse per i QD si basa sulla possibilità di controllarne le proprietà ottiche attraverso la loro dimensione, forma e composizione chimica. Inoltre, i QD possiedono rese quantiche di fotoluminescenza (PL) molto elevate (QY) e un'elevata fotostabilità7,8,9. I QD più popolari erano basati sul metallo pesante cadmio o piombo10,11. Nel frattempo, la potenziale tossicità di questi metalli pesanti ha sollevato notevoli preoccupazioni riguardo al loro utilizzo in dispositivi e applicazioni commerciali, soprattutto in Europa. Inoltre, ad eccezione del CdTe, i QD II/VI e IV/VI di alta qualità nonché i QD III/V meno tossici come l'InP sono comunemente sintetizzati in solventi organici pericolosi per l'ambiente12. Pertanto, con la crescente pressione per sviluppare e applicare principi chimici più ecologici e approcci sicuri fin dalla progettazione per i nanomateriali, negli ultimi anni i ricercatori hanno iniziato a concentrarsi su alternative per questi QD, che possiedono ancora proprietà ottiche comparabilmente vantaggiose come un elevato PL QY valori ma sono privi di metalli pesanti. Ciò ha innescato l'interesse per InP13, punti di carbonio14,15, QD di silicio16 nonché QD ternari come CuInS2 (CIS) e AgInS2 (AIS) o QD quaternari come AgInSZn (AISZ) e ZnCuInS (ZCIS) con PL nel visibile e nel vicino regione dell'infrarosso (NIR)17. A differenza dei QD binari come II/VI, IV/IV e III/V, dove le proprietà ottiche sono controllate esclusivamente dall'ampiezza del gap di banda, le proprietà PL dei QD ternari sono attribuite a stati di difetto nella banda struttura del divario18. Ciò porta a un ampio spostamento di Stokes efficace, ad ampie bande PL e a lunghe vite PL dell'ordine di poche centinaia di nanosecondi. Diversi meccanismi PL come la ricombinazione radiativa delle coppie donatore-accettore (D–A), un modello di eccitoni auto-intrappolati (STE), la ricombinazione di una lacuna localizzata con un elettrone in banda di conduzione e una combinazione di questi meccanismi sono stati utilizzati per spiegare il PL dei QD ternari19,20,21.

Come le loro controparti QD binari, i QD ternari sono tipicamente preparati mediante iniezione a caldo o metodi di riscaldamento in solventi organici altobollenti che utilizzano ligandi come 1-dodecantiolo o oleilammina. L'applicazione di questi QD idrofobici in ambienti biologicamente rilevanti richiede quindi una fase di post-modifica per rendere questi QD idrofobici disperdibili in acqua. Un approccio popolare è lo scambio dei ligandi idrofobici nativi con ligandi idrofili come il glutatione (GSH), l'acido mercaptoacetico (MAA) o l'acido 3-mercaptopropionico (MPA). Questo scambio di ligando può comportare una notevole diminuzione del PL QY causata dalla formazione di nuovi stati di difetto superficiale22. Inoltre, la sintesi in solventi organici non è rispettosa dell’ambiente e non soddisfa i principi della chimica verde. Per ridurre l'impatto sull'ambiente, è auspicabile la sintesi diretta di QD ternari in mezzi acquosi utilizzando meno reagenti tossici23,24. Pertanto, accanto agli approcci classici di sintesi umida25,26,27 e ai metodi idrotermali28,29, le sintesi assistite da microonde (MW) sono aumentate in popolarità per la preparazione di diversi tipi di nanomateriali30. L'utilizzo della radiazione MW presenta molti vantaggi come un aumento molto rapido della temperatura di reazione e un gradiente termico stabile nella miscela di reazione. Ciò fornisce una preparazione delle nanoparticelle più uniforme e aumenta la riproducibilità della reazione31,32,33,34. Sebbene gli approcci di sintesi MW siano stati nel frattempo ottimizzati per QD binari35,36, ci sono solo pochi rapporti sulla fabbricazione di QD ternari con PL QY> 50%37,38,39,40,41. La forte influenza dei diversi parametri di sintesi per una sintesi MW di QD AIS è stata recentemente dimostrata da Soares et al.42, che hanno utilizzato un approccio di progettazione dell'esperimento per preparare razionalmente QD AIS/ZnS con caratteristiche PL sintonizzate con precisione.