El equipo, dirigido por el profesor Jiwoong Yang del Departamento de Ingeniería Energética de la DGIST, y en colaboración con el equipo dirigido por el profesor Jungwon Park de la Escuela de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad Nacional de Seúl, determinó la humedad (agua) inducida. Mecanismo de degradación de puntos cuánticos de nanocristales semiconductores.

El equipo de investigación conjunto desarrolló la plataforma de imágenes de próxima generación para microscopía electrónica de transmisión en fase líquida (TEM) in situ, que puede usarse para revelar los intermedios de reacción y las rutas de reacción de las unidades atómicas que existen en el proceso de degradación, dando así un paso más. más cerca de la comercialización de puntos cuánticos de nanocristales.

Los puntos cuánticos de nanocristales semiconductores encuentran amplias aplicaciones en diversos campos, como la bioimagen, los dispositivos optoelectrónicos y los catalizadores, debido a sus características ventajosas, incluidas las bandas prohibidas que dependen del tamaño y la forma, la alta eficiencia de la lámpara y un ancho total estrecho a la mitad del máximo. Sin embargo, también presentan desventajas como una estabilidad reducida cuando se exponen a la humedad y al oxígeno en comparación con los cristales semiconductores a granel.

Como resultado, se están realizando numerosos estudios para crear puntos cuánticos de nanocristales semiconductores con mayor estabilidad contra el impacto de la humedad y el oxígeno. Sin embargo, el proceso de desarrollo enfrenta desafíos porque no se ha explicado completamente el mecanismo específico de "degradación" que causa el deterioro de sus propiedades debido a factores externos.

Se han realizado estudios mediante espectrometría, dispersión de rayos X y análisis de difracción para identificar el mecanismo de degradación; sin embargo, estos métodos solo pudieron identificar los cambios en las propiedades ópticas y físicas de los nanocristales en el proceso de degradación inducido por la humedad, proporcionando solo información promedio sobre los cambios estructurales.

Además, existen limitaciones a la hora de revelar la existencia de diversos patrones de reacción de unidades atómicas e intermediarios de reacción que pueden ocurrir en nanopartículas individuales, ya que es difícil determinar el mecanismo de cambio estructural de los nanocristales individuales.

En consecuencia, el equipo del profesor Jiwoong Yang en DGIST ideó un método que utiliza TEM en fase líquida in situ, lo que permite observar el proceso de reacción de nanopartículas individuales en tiempo real. En particular, se necesitaban células líquidas capaces de controlar la reacción y obtener imágenes de ultra alta resolución en tiempo real para identificar el mecanismo de degradación inducido por la humedad.

Para ello, el equipo desarrolló "células líquidas de próxima generación basadas en grafeno" que poseen ambas funciones. Estas células líquidas de última generación están diseñadas para controlar la mezcla de dos líquidos diferentes a través de membranas de grafeno extremadamente delgadas.

Además, se llevaron a cabo investigaciones para revelar el mecanismo de degradación utilizando "sulfuro de cadmio (CdS)", que es un método de cristalización bien conocido para puntos cuánticos de nanocristales. Los resultados revelaron que los nanocristales semiconductores de "sulfuro de cadmio (CdS)" se descomponen formando intermedios amorfos compuestos de Cd(OH)x durante el proceso de degradación.

Además, la presencia de este intermedio amorfo conduce a una estructura de superficie cristalina de forma irregular en medio de la reacción, que es diferente del mecanismo de degradación de los nanocristales metálicos previamente estudiado. Esto confirmó la importancia de proteger la superficie de los nanocristales semiconductores, ya que la degradación estructural de los nanocristales semiconductores inducida por la humedad es irreversible y se inicia desde la superficie.

"La degradación inducida por la humedad ha sido un factor clave que causa dificultades en la comercialización de puntos cuánticos de nanocristales semiconductores", afirmó el profesor Jiwoong Yang de la DGIST. "Se espera que el mecanismo de degradación revelado en este estudio contribuya significativamente al futuro desarrollo de materiales cuánticos".

El artículo se publica en la revista ACS Nano. .

Más información: Hyeonjong Ma et al, Degradación inducida por la humedad de nanocristales semiconductores de tamaño cuántico a través de intermedios amorfos, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c03103

Información de la revista: ACS Nano

Proporcionado por DGIST (Instituto Daegu Gyeongbuk de Ciencia y Tecnología)