Un semiconductor es un material cuya conductividad se encuentra entre la de un conductor y la de un aislante. Esta propiedad permite que los semiconductores sirvan como material base para la electrónica y los transistores modernos. No es una subestimación que el progreso tecnológico en la última parte del siglo XX estuvo encabezado en gran medida por la industria de los semiconductores.

Hoy en día, los avances tecnológicos en nanocristales semiconductores están en curso. Por ejemplo, los puntos cuánticos y los cables de materiales semiconductores son de gran interés en pantallas, fotocatalíticos y otros dispositivos electrónicos. Sin embargo, numerosos aspectos de los nanocristales coloidales aún no se han entendido a nivel fundamental. Uno importante entre ellos es la aclaración de los mecanismos a nivel molecular de la formación y el crecimiento de los nanocristales.

Estos nanocristales semiconductores se cultivan a partir de diminutos precursores individuales formados por un pequeño número de átomos. Estos precursores se denominan nanoclusters. El aislamiento y la determinación de la estructura molecular de tales nanoclusters (o simplemente clusters) han sido objeto de gran interés en las últimas décadas. Se prevé que los detalles estructurales de los cúmulos, generalmente núcleos de los nanocristales, proporcionen información crítica sobre la evolución de las propiedades de los nanocristales.

Diferentes nanoclusters de "semilla" dan como resultado el crecimiento de diferentes nanocristales. Como tal, es importante tener una mezcla homogénea de nanoclusters idénticos si se desea cultivarlos. Sin embargo, la síntesis de nanoclusters a menudo da como resultado la producción de clusters con diferentes tamaños y configuraciones, y purificar la mezcla para obtener solo las partículas deseables es un gran desafío.

Los "nanoclusters de tamaño mágico, MSC", que se forman preferiblemente sobre tamaños aleatorios de manera uniforme, poseen un rango de tamaño de 0,5 a 3,0 nm. Entre estas, las MSC compuestas por cadmio no estequiométrico y proporción de calcogenuro (no 1:1) son las más estudiadas. Una nueva clase de MSC con una proporción estequiométrica de 1:1 de la proporción metal-calcogenuro ha sido objeto de atención debido a la predicción de estructuras intrigantes. Por ejemplo, Cd₁₃ Se₁₃ , CD₃₃ Se₃₃ y CD₃₄ Se₃₄ , que consisten en un número igual de átomos de cadmio y selenio, han sido sintetizados y caracterizados.

Recientemente, los investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas (dirigido por el Profesor Hyeon Taeghwan) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en colaboración con los equipos de la Universidad de Xiamen (dirigido por el Profesor Nanfeng Zheng) y de la Universidad de Toronto (dirigido por el Profesor Oleksandr Voznyy) informó sobre la síntesis coloidal y la estructura a nivel atómico del grupo de seleniuro de cadmio semiconductor estequiométrico (CdSe). Este es el nanocluster más pequeño sintetizado hasta la fecha.

Síntesis de Cd₁₄ Se₁₃ se logró después de numerosas fallas anteriores con Cd₁₃ Se₁₃ , que siempre acababan en montajes indeseables, haciéndolos imposibles de caracterizar. El director Hyeon declaró:"Descubrimos que la diamina terciaria y el solvente halocarbonado desempeñan un papel crucial en el logro de grupos estequiométricos de tamaño casi único. Los ligandos de diamina terciaria (N,N,N,"N'-tetrametiletilendiamina) no solo proporcionan una unión rígida con restricciones estéricas apropiadas, pero también deshabilita las interacciones entre grupos debido a la cadena de carbono corta, lo que lleva a la formación de Cd₁₄ soluble Se₁₃ clústeres, en lugar de Cd₁₃ lamelar insoluble no deseado Se₁₃ asambleas".

El solvente de diclorometano suministra iones de cloruro in situ para lograr simultáneamente el equilibrio de carga del ion de cadmio 14, lo que permite el autoensamblaje de los grupos para formar (Cd₁₄ Se₁₃ Cl₂ )_n . Como resultado, se pudieron obtener monocristales de calidad adecuada para que los investigadores determinaran su estructura. La composición de los cúmulos obtenidos a partir del análisis de datos de difracción de rayos X de monocristal concordaba muy bien con los datos de espectrometría de masas y resonancia magnética nuclear. La forma general del cúmulo era esférica con un tamaño de aproximadamente 0,9 nm.

Mientras que la mayoría de las otras MSC con proporciones de metal-calcogenuro que no son de 1:1 tienden a tener una geometría supertetraédrica, el nuevo Cd₁₄ Se₁₃ se encontró que poseía una disposición núcleo-jaula de átomos constituyentes. Específicamente, el grupo comprendía un átomo de Se central encapsulado por un Cd₁₄ Se₁₂ jaula con un arreglo de CdSe tipo adamantano. Esta disposición única de átomos abre la posibilidad de hacer crecer nanocristales con estructuras inusuales, lo que debe explorarse más a fondo en el futuro.

Las propiedades ópticas del cúmulo mostraron la presencia de efectos de confinamiento cuántico con fotoluminiscencia de borde de banda. Sin embargo, las características de fotoluminiscencia relacionadas con los estados defectuosos fueron prominentes debido al tamaño ultrapequeño de los grupos. La estructura y los picos de absorción observados en los experimentos fueron bien respaldados por los cálculos de la teoría funcional de la densidad.

Los investigadores crearon el Cd₁₄ Se₁₃ clúster a través de un Cd₃₄ intermedio Se₃₃ clúster, que es el siguiente clúster estequiométrico de gran tamaño conocido. Curiosamente, estos dos grupos podrían doparse mediante sustitución con un máximo de dos átomos de Mn, lo que ilustra el potencial para realizar semiconductores magnéticos diluidos con propiedades de fotoluminiscencia personalizadas. Los resultados computacionales mostraron que los sitios de Cd unidos a haluros eran más susceptibles a la sustitución de Mn.

Las implicaciones de este estudio pueden ir mucho más allá de la síntesis de clústeres de semiconductores de un solo tamaño, ya que las diaminas terciarias de diferentes estructuras químicas pueden extenderse a otros clústeres. La síntesis y la determinación de la estructura a nivel atómico de otros cúmulos pueden eventualmente ayudar a comprender el mecanismo de crecimiento a nivel molecular de los nanocristales semiconductores.

Se demostró que el Cd₃₄ Se₃₃ el grupo podría estabilizarse cinéticamente a través de un proceso de conversión de tamaño inducido por intercambio de ligando desarrollado en este trabajo. Sin embargo, se necesitan más esfuerzos y nuevas estrategias para mejorar la estabilidad del estado de la solución para la determinación de la estructura del próximo clúster de gran tamaño Cd₃₄ Se₃₃ , que es el núcleo crítico para el crecimiento de nanocristales a base de seleniuro de cadmio. Se espera que estudios adicionales sobre las dependencias del tamaño, la estructura y el dopante en las aplicaciones optoelectrónicas, fotocatalíticas y espintrónicas puedan abrir nuevas direcciones a la investigación científica sobre los grupos de semiconductores. + Explora más

Información sobre la construcción de grupos supertetraédricos de calcogenuro metálico