Полупроводниковые наночастицы

Наночастица (или нанопорошок, или нанокластер, или нанокристалл) - это микроскопическая частица, имеющая по крайней мере одно измерение. менее 100 нм. Наночастицы представляют большой научный интерес, поскольку они фактически являются мостом между объемными материалами и атомными или молекулярными структурами. Наночастицы обладают рядом особых свойств по сравнению с объемным материалом. Наночастицы многих других материалов, включая металлы, оксиды металлов; карбиды, бориды, нитриды, кремний и другие элементарные полупроводники доступны.
Механизм
Их уникальные физические свойства обусловлены наличием атомов на поверхности. Возбуждение электрона из валентной зоны в зону проводимости создает пару электронов-дырок. Рекомбинация может происходить двумя способами:излучательной и неизлучательной, приводящей к излучательной рекомбинации с фотонами и безызлучательной рекомбинации с фононами (колебания решетки).
Кроме того, ширина запрещенной зоны постепенно увеличивается из-за эффектов квантового ограничения, приводящих к дискретной энергии уровней, а не сплошной полосой, как в соответствующем насыпном материале. Кроме того, проблема агломерации частиц решается путем пассивирования (покрытия) «голых» поверхностных атомов защитными группами для обеспечения электронной стабилизации поверхности. Блокирующий агент обычно имеет форму соединения основания Льюиса, ковалентно связанного с поверхностными атомами металла.
Синтез наночастиц
Существуют различные методы синтеза наночастиц, и метод синтеза зависит от материала, желаемого размера, количества и качества дисперсии.
Методы синтеза - это паровая фаза (молекулярные пучки, синтез пламени и т. д.) и фазовый синтез раствора (водный раствор и неводный раствор). Полупроводниковые наночастицы Синтез обычно происходит путем быстрого восстановления металлорганических предшественников в горячих органических соединениях с помощью поверхностно-активных веществ.
Некоторые полупроводниковые наночастицы:
II-VI:CdS, CdSe, PbS, ZnS
III-V:InP, InAs
MO:TiO2, ZnO, Fe2O3, PbO, Y2O3
Применения
Наночастицы часто обладают неожиданными оптическими свойствами, поскольку они достаточно малы, чтобы удерживать электроны и вызывать квантовые эффекты. Например, наночастицы золота в растворе выглядят от темно-красного до черного. Наночастицы желтого золота и серого кремния имеют красный цвет. Наночастицы золота плавятся при гораздо более низких температурах (~ 300 ° C для размера 2,5 нм), чем золотые пластины (1064 ° C). Поглощение солнечного излучения намного выше в материалах, состоящих из наночастиц, чем в тонких пленках из сплошных листов материала. Как в солнечных фотоэлектрических, так и в солнечных тепловых приложениях, контролируя размер, форму и материал частиц, можно контролировать поглощение солнечного света. Наночастицы глины при включении в полимерные матрицы увеличивают армирование, что приводит к более прочным пластмассам, что подтверждается более высокой температурой стеклования и другими испытаниями на механические свойства. Эти наночастицы твердые и передают свои свойства полимеру (пластику). Наночастицы также были прикреплены к текстильным волокнам для создания умной и функциональной одежды.
Исследователи из Университетского колледжа Лондона сообщили в Science, что суспензия наночастиц диоксида титана с покрытием, которую можно окрашивать распылением или окунать в Ряд твердых и мягких поверхностей, включая бумагу, ткань и стекло, дает супергидрофобные покрытия, стойкие к маслам и самоочищающиеся на воздухе. Покрытия устойчивы к истиранию, царапинам и поверхностному загрязнению - факторам, которые часто усугубляются в большинстве технологий самоочистки.
Они также сообщают, что добавки наночастиц указывают на важную возможность повышения энергоэффективности крупных промышленных, коммерческих и институциональных систем охлаждения. известные как охладители.
Наночастицы серебра обладают уникальными оптическими, электрическими и тепловыми свойствами и используются в различных продуктах, от фотоэлектрических до биологических и химических датчиков. Примеры включают проводящие чернила, пасты и наполнители, в которых используются наночастицы серебра из-за их высокой электропроводности, стабильности и низких температур спекания. Дополнительные приложения включают молекулярную диагностику и фотонные устройства, в которых используются преимущества новых оптических свойств этих наноматериалов. Все более распространенным применением является использование наночастиц серебра для антимикробных покрытий, и многие ткани, клавиатуры, перевязочные материалы для ран и биомедицинские устройства теперь содержат наночастицы серебра, которые непрерывно выделяют низкий уровень ионов серебра для защиты от бактерий (см. Дополнительную информацию по адресу:http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/silver-nanoparticles.html#sthash.WGzJEuKE.dpuf)
Наночастицы коллоидного золота веками использовались художниками из-за ярких цветов, создаваемых их взаимодействие с видимым светом. Совсем недавно эти уникальные оптико-электронные свойства были исследованы и использованы в высокотехнологичных приложениях, таких как органическая фотовольтаика, сенсорные зонды, терапевтические агенты, доставка лекарств в биологических и медицинских приложениях, электронные проводники и катализ (см. Дополнительную информацию по адресу:http:/ /www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/gold-nanoparticles.html#sthash.8pgtk6eI.dpuf)
Q-точки
Полупроводниковые наночастицы, также известные как Q-точки, обычно представляют собой частицы материала с диаметром в диапазоне от 1 до 20 нм.
Свойства Q - точек
Квантовые точки имеют высокий квантовый выход, часто в 20 раз ярче, обладают более узкими и более симметричными спектрами излучения, в 100-1000 раз более устойчивы к фотообесцвечиванию, обладают высокой устойчивостью к фото- / химической деградации и имеют настраиваемый диапазон длин волн. 400-4000 нм.
Блокирующие квантовые точки
Из-за чрезвычайно большой площади поверхности наночастицы существует большое количество «оборванных связей», и добавление укупорочного агента, состоящего из полупроводника с более высокой шириной запрещенной зоны (или меньшего размера), может устранить оборванные связи и резко увеличить квантовую мощность. урожай. С добавлением CdS / ZnS квантовый выход может быть увеличен с ~ 5% до 55%.
Применения
Благодаря их уникальным физическим свойствам, они имеют множество потенциальных применений в таких областях, как нелинейная оптика, люминесценция, электроника, катализ, преобразование солнечной энергии и оптоэлектроника.