02 dec.2022 (Nanowerk-schijnwerper) Een consortium van onderzoeksgroepen onder leiding van Prof. Preston Snee van de Universiteit van Illinois op de scheikundeafdeling van Chicago met Prof. Haw Yang van Princeton bereikte een mijlpaal in de synthese van multifunctionele fotonische nanomaterialen. Ze rapporteerden de synthese van 'gigantische' core-shell CdZnSe/CdS-kwantumdots (gQD's) van halfgeleiders met een recordbrekende emissieve levensduur. Bovendien kan de levensduur worden afgestemd door een eenvoudige wijziging aan te brengen in de interne structuur van het materiaal. Dit wordt bereikt door het CdZnSe/CdS-deeltje met een diameter van ∼ 20 nm (figuren 1 A, B) te exciteren met licht om het in de 'exciton'-toestand te brengen. Het exciton is een ladingspaar elektron/gat en in de nieuwe materialen wordt het elektron verplaatst van het centrum naar de schil, waar het meer dan 500 nanoseconden vast komt te zitten, zoals weergegeven in figuur 1C. Deze emissielevensduur vertegenwoordigt het record voor dergelijke nanomaterialen zoals onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Nano Letters ("Parabolische potentiële oppervlakken lokaliseren ladingsdragers in niet-knipperende "gigantische" colloïdale kwantumdots met een lange levensduur") door de eerste auteur van de studie Dr. Marcell Pálmai.
Afbeelding 1. (A) CdZnSe/CdZnS-kwantumdots hebben een complexe interne structuur die het elektron scheidt van het centrum, wat de levensduur verlengt. (B) TEM-analyses helpen bij het karakteriseren van de samenstelling die is samengesteld uit een zinkselenide-rijke kernbinnenkant en een buitenkant van een cadmiumsulfideschil. (C) Tijdopgeloste emissie onthult afstembaarheid door de grootte van de CdZnSe-kern aan te passen, om levens te bereiken die 10x langer kunnen zijn in vergelijking met vergelijkbare, traditionele materialen. (Afbeelding met dank aan de onderzoekers) Als emitterende materialen houden kwantumdots de belofte in om energiezuinigere beeldschermen te creëren en kunnen ze worden gebruikt als fluorescerende sondes voor biomedisch onderzoek vanwege hun zeer robuuste optische eigenschappen. Ze zijn 10x tot 100x meer absorberend dan organische kleurstoffen en zijn bijna ongevoelig voor fotobleken, daarom worden ze gebruikt in de nieuwe Samsung QLED-TV. De emissiegolflengte kan worden afgestemd door de grootte van het deeltje te variëren, aangezien grotere QD's roder zijn dan kleinere, blauw uitstralende. Dit is het resultaat van het kwantummechanische Heisenberg-principe. Ook het afstemmen van de emissielevensduur is belangrijk; een dergelijke demonstratie bleef echter ongrijpbaar tot 2003, toen een groep aan het MIT een halfgeleider quantum dot core-shell heterostructuur creëerde die deze mogelijkheid vertoonde (Tijdschrift van de American Chemical Society, "Type-II Quantum Dots: CdTe/CdSe (Core/Shell) en CdSe/ZinTe (Core/Shell) heterostructuren"). Net als in het huidige voorbeeld werd dit bereikt door de ladingsdragers van elektronen en gaten te scheiden, hoewel de levensduur onlosmakelijk verbonden was met de golflengte van emissie. Als zodanig konden lange levens alleen worden waargenomen in de meest roodstralende QD's. In het nieuwe systeem gerapporteerd door Pálmai et al. de onderzoekers wisten dit probleem te omzeilen door een materiaal te produceren dat op elke gewenste golflengte en met elke specifieke levensduur kan uitzenden.
Figuur 2. (A) Optische gegevens en fluorescerende beelden van levenslange instelbare 'gigantische' kwantumdots. (B) Typisch emissietraject van één deeltje van type II CdZnSe/CdS gQD's vertoont geen knipperend gedrag. (Afbeelding met dank aan de onderzoekers) Het UIC-Princeton-consortium heeft dit hoge niveau van eigenschapsafstemming bereikt door een aspect van de kwantummechanica te manipuleren dat vaak op bachelorniveau wordt onderwezen. Concreet, als de golffunctie van een kwantummechanisch elektron 'bochtig' wordt, neemt de kinetische energie van het deeltje toe. Bijgevolg Pálmai et al. ontworpen halfgeleider kwantumdot heterostructuren met een gradiënt in de kernpotentiaal van het elektron die eindigt met een scherpe discontinuïteit bij de kern/schil-grens, zoals weergegeven in figuur 1A. Dit dwingt het elektron om ofwel in het centrum van de QD te lokaliseren met een 'golvende' golffunctie met hoge kinetische energie, of om opgesloten te raken in de schaal met een vlakkere golffunctie met lage kinetische energie. Omdat het elektron de voorkeur geeft aan het laatste, slaagde de groep erin het elektron te lokaliseren zonder noodzakelijkerwijs de emissiegolflengte van de gQD te veranderen. Deze nieuwe deeltjes hebben een grote werkzaamheid voor fundamentele biologische ontdekkingen. De CdZnSe/CdS gQD's gepresenteerd in hun paper (Het tijdschrift voor chemische fysica, "Gebruikmaken van levenslange informatie om real-time 3D Single-Particle Tracking uit te voeren in lawaaierige omgevingen") uitzenden op rode golflengten (Figuur 2A), waardoor verstrooiing tot een minimum wordt beperkt, terwijl de lange levensduur ervoor zorgt dat biologische beeldvorming kan worden uitgevoerd met minder achtergrondruis. Op het niveau van één deeltje zenden de nieuwe gQD's continu uit, zoals weergegeven in figuur 2B, dus een onderzoekswetenschapper kan eiwitten taggen die relevant zijn voor kanker en de biologische dynamiek volgen zonder het signaal uit het oog te verliezen, wat momenteel een veelvoorkomend probleem is bij dergelijke onderzoeken. Voor de toekomst is de groep van plan aan te tonen dat de materialen goede componenten zijn voor optische apparaten zoals lasers van micronformaat.
Exclusief geleverd door de Universiteit van Illinois in Chicago
Afbeelding 1. (A) CdZnSe/CdZnS-kwantumdots hebben een complexe interne structuur die het elektron scheidt van het centrum, wat de levensduur verlengt. (B) TEM-analyses helpen bij het karakteriseren van de samenstelling die is samengesteld uit een zinkselenide-rijke kernbinnenkant en een buitenkant van een cadmiumsulfideschil. (C) Tijdopgeloste emissie onthult afstembaarheid door de grootte van de CdZnSe-kern aan te passen, om levens te bereiken die 10x langer kunnen zijn in vergelijking met vergelijkbare, traditionele materialen. (Afbeelding met dank aan de onderzoekers) Als emitterende materialen houden kwantumdots de belofte in om energiezuinigere beeldschermen te creëren en kunnen ze worden gebruikt als fluorescerende sondes voor biomedisch onderzoek vanwege hun zeer robuuste optische eigenschappen. Ze zijn 10x tot 100x meer absorberend dan organische kleurstoffen en zijn bijna ongevoelig voor fotobleken, daarom worden ze gebruikt in de nieuwe Samsung QLED-TV. De emissiegolflengte kan worden afgestemd door de grootte van het deeltje te variëren, aangezien grotere QD's roder zijn dan kleinere, blauw uitstralende. Dit is het resultaat van het kwantummechanische Heisenberg-principe. Ook het afstemmen van de emissielevensduur is belangrijk; een dergelijke demonstratie bleef echter ongrijpbaar tot 2003, toen een groep aan het MIT een halfgeleider quantum dot core-shell heterostructuur creëerde die deze mogelijkheid vertoonde (Tijdschrift van de American Chemical Society, "Type-II Quantum Dots: CdTe/CdSe (Core/Shell) en CdSe/ZinTe (Core/Shell) heterostructuren"). Net als in het huidige voorbeeld werd dit bereikt door de ladingsdragers van elektronen en gaten te scheiden, hoewel de levensduur onlosmakelijk verbonden was met de golflengte van emissie. Als zodanig konden lange levens alleen worden waargenomen in de meest roodstralende QD's. In het nieuwe systeem gerapporteerd door Pálmai et al. de onderzoekers wisten dit probleem te omzeilen door een materiaal te produceren dat op elke gewenste golflengte en met elke specifieke levensduur kan uitzenden.
Figuur 2. (A) Optische gegevens en fluorescerende beelden van levenslange instelbare 'gigantische' kwantumdots. (B) Typisch emissietraject van één deeltje van type II CdZnSe/CdS gQD's vertoont geen knipperend gedrag. (Afbeelding met dank aan de onderzoekers) Het UIC-Princeton-consortium heeft dit hoge niveau van eigenschapsafstemming bereikt door een aspect van de kwantummechanica te manipuleren dat vaak op bachelorniveau wordt onderwezen. Concreet, als de golffunctie van een kwantummechanisch elektron 'bochtig' wordt, neemt de kinetische energie van het deeltje toe. Bijgevolg Pálmai et al. ontworpen halfgeleider kwantumdot heterostructuren met een gradiënt in de kernpotentiaal van het elektron die eindigt met een scherpe discontinuïteit bij de kern/schil-grens, zoals weergegeven in figuur 1A. Dit dwingt het elektron om ofwel in het centrum van de QD te lokaliseren met een 'golvende' golffunctie met hoge kinetische energie, of om opgesloten te raken in de schaal met een vlakkere golffunctie met lage kinetische energie. Omdat het elektron de voorkeur geeft aan het laatste, slaagde de groep erin het elektron te lokaliseren zonder noodzakelijkerwijs de emissiegolflengte van de gQD te veranderen. Deze nieuwe deeltjes hebben een grote werkzaamheid voor fundamentele biologische ontdekkingen. De CdZnSe/CdS gQD's gepresenteerd in hun paper (Het tijdschrift voor chemische fysica, "Gebruikmaken van levenslange informatie om real-time 3D Single-Particle Tracking uit te voeren in lawaaierige omgevingen") uitzenden op rode golflengten (Figuur 2A), waardoor verstrooiing tot een minimum wordt beperkt, terwijl de lange levensduur ervoor zorgt dat biologische beeldvorming kan worden uitgevoerd met minder achtergrondruis. Op het niveau van één deeltje zenden de nieuwe gQD's continu uit, zoals weergegeven in figuur 2B, dus een onderzoekswetenschapper kan eiwitten taggen die relevant zijn voor kanker en de biologische dynamiek volgen zonder het signaal uit het oog te verliezen, wat momenteel een veelvoorkomend probleem is bij dergelijke onderzoeken. Voor de toekomst is de groep van plan aan te tonen dat de materialen goede componenten zijn voor optische apparaten zoals lasers van micronformaat.
Exclusief geleverd door de Universiteit van Illinois in Chicago
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=61951.php
