Esto muestra la luminiscencia de nanocristales de CdSe / CuS preparados por intercambio catiónico. A la izquierda están los cristales antes de la purificación, a la derecha están los mismos nanocristales después de que se han eliminado las impurezas. Crédito:Cortesía de Berkeley Lab
A la larga lista de descubrimientos fortuitos:la gravedad, penicilina, el Nuevo Mundo:agregue esto:los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han descubierto por qué una técnica prometedora para hacer puntos cuánticos y nanovarillas ha sido hasta ahora una decepción. Mejor aún, también han descubierto cómo corregir el problema.
Un equipo de investigadores dirigido por el químico Paul Alivisatos, director de Berkeley Lab, y Prashant Jain, un químico ahora en la Universidad de Illinois, ha descubierto por qué los nanocristales hechos de múltiples componentes en solución mediante el intercambio de cationes (iones positivos) han sido malos emisores de luz. El problema, ellos encontraron, proviene de impurezas en el producto final. El equipo también demostró que estas impurezas se pueden eliminar mediante calor.
"Al calentar estos nanocristales a 100 grados Celsius, pudimos eliminar las impurezas y aumentar su luminiscencia 400 veces en 30 horas, "dice Jain, miembro del grupo de investigación de Alivisatos cuando se realizó este trabajo. "Cuando se eliminaron las impurezas, las propiedades optoelectrónicas de los nanocristales fabricados mediante intercambio catiónico eran comparables en calidad a los puntos y nanobarras sintetizados convencionalmente".
Dice Alivisatos, "Con nuestros nuevos hallazgos, la técnica de intercambio catiónico realmente se convierte en un método que puede utilizarse ampliamente para fabricar nuevos nanocristales de alta calidad optoelectrónica ".
Jain es el autor principal y Alivisatos el autor correspondiente de un artículo que describe este trabajo en la revista. Angewandte Chemie titulado "Nanocristales altamente luminiscentes de la eliminación de átomos de impureza residuales de la síntesis de intercambio iónico". Otros autores fueron Brandon Beberwyck, Lam-Kiu Fong y Mark Polking.
Los puntos cuánticos y las nanovarillas son nanocristales semiconductores emisores de luz que tienen una amplia gama de aplicaciones, incluida la bioimagen, tecnologías de energía solar y pantallas de visualización. Típicamente, estos nanocristales se sintetizan a partir de coloides, partículas suspendidas en solución. Como alternativa, Alivisatos y su grupo de investigación desarrollaron una nueva técnica de síntesis basada en soluciones en la que los nanocristales se transforman químicamente intercambiando o reemplazando todos los cationes en la red cristalina con otro tipo de catión. Esta técnica de intercambio catiónico permite producir nuevos tipos de nanocristales núcleo / capa que son inaccesibles mediante síntesis convencional. Los nanocristales de núcleo / capa son heteroestructuras en las que un tipo de semiconductor está encerrado dentro de otro, por ejemplo, un núcleo de seleniuro de cadmio (CdSe) y una cubierta de sulfuro de cadmio (CdS).
Prashant Jain es un ex miembro del grupo de investigación de Paul Alivisatos que ahora trabaja en la Universidad de Illinois. Crédito:Foto de Roy Kaltschmidt, Asuntos Públicos de Berkeley Lab
"Si bien es prometedor para la fabricación simple y económica de nanocristales multicomponente, La técnica de intercambio catiónico ha producido puntos cuánticos y nanobarras que funcionan mal en dispositivos ópticos y electrónicos. "dice Alivisatos, una autoridad mundial en síntesis de nanocristales que tiene un nombramiento conjunto con la Universidad de California (UC) Berkeley, donde es profesor de Nanotecnología Larry y Diane Bock.
Mientras Jain cuenta la historia, estaba en el proceso de deshacerse de nanocristales de CdSe / CuS en solución que tenían seis meses cuando, por costumbre, probó los nanocristales bajo luz ultravioleta. Para su sorpresa, observó una luminiscencia significativa. Las mediciones espectrales posteriores y la comparación de los nuevos datos con los antiguos mostraron que la luminiscencia de los nanocristales había aumentado al menos siete veces.
"Fue un hallazgo accidental y muy emocionante, "Jain dice, "pero como nadie quiere esperar seis meses para que sus muestras sean de alta calidad, decidí calentar los nanocristales para acelerar cualquier proceso que estuviera causando que aumentara su luminiscencia".
Jain y el equipo sospecharon y un estudio posterior confirmó que las impurezas, cationes originales que terminan quedando en la red cristalina durante el proceso de intercambio, eran las culpables.
"Incluso unas pocas impurezas de cationes en un nanocristal son suficientes para ser eficaces en la captura útil, portadores de carga energéticos, "Dice Jain." En la mayoría de los puntos cuánticos o nanovarillas, los portadores de carga están deslocalizados en todo el nanocristal, haciéndoles más fácil encontrar impurezas, no importa lo pocos que haya, dentro del nanocristal. Al calentar la solución para eliminar estas impurezas y apagar esta captura mediada por impurezas, les damos a los portadores de carga el tiempo suficiente para combinar radiativamente y así aumentar la luminiscencia ".
Dado que los cargadores también son fundamentales en el transporte electrónico, rendimiento fotovoltaico, y procesos fotocatalíticos, Jain dice que apagar el atrapamiento mediado por impurezas también debería impulsar estas propiedades optoelectrónicas en nanocristales sintetizados mediante la técnica de intercambio catiónico.
