Halfgeleider nanodeeltjes

Een nanodeeltje (of nanopoeder of nanocluster of nanokristal) is een microscopisch deeltje met ten minste één dimensie minder dan 100 nm. Nanodeeltjes zijn van groot wetenschappelijk belang omdat ze in feite een brug vormen tussen bulkmaterialen en atomaire of moleculaire structuren. Nanodeeltjes vertonen een aantal bijzondere eigenschappen ten opzichte van bulkmateriaal. Nanodeeltjes van vele andere materialen, waaronder metalen, metaaloxiden; carbiden, boriden, nitriden, silicium en andere elementaire halfgeleiders zijn beschikbaar.
Mechanisme
Hun unieke fysieke eigenschappen zijn te danken aan atomen die zich op het oppervlak bevinden. De excitatie van een elektron van de volantband naar de geleidingsband creëert een elektronengatpaar. Recombinatie kan op twee manieren plaatsvinden, namelijk stralings- en niet-stralingsrecombinatie, wat leidt tot stralingsrecombinatie naar foton en niet-stralingsrecombinatie naar fonon (roostertrillingen).
Ook wordt de bandafstand geleidelijk groter vanwege kwantumopsluitingseffecten die aanleiding geven tot discrete energie niveaus, in plaats van een doorlopende band zoals in het overeenkomstige stortgoed. Verder wordt het probleem van deeltjesagglomeratie overwonnen door de "kale" oppervlakte-atomen te passiveren (af te dekken) met beschermende groepen voor het verschaffen van elektronische stabilisatie aan het oppervlak. Het afdekmiddel heeft gewoonlijk de vorm van een Lewis-baseverbinding die covalent is gebonden aan oppervlaktemetaalatomen.
Synthese van nanodeeltjes
Er zijn verschillende methoden voor de synthese van nanodeeltjes en de synthesetechniek is een functie van het materiaal, de gewenste grootte, hoeveelheid en kwaliteit van de dispersie.
Synthesetechnieken zijn dampfase (moleculaire bundels, vlamsynthese enz.) en synthese in oplossingsfase (waterige oplossing en niet-waterige oplossing). De synthese van halfgeleidernanodeeltjes vindt doorgaans plaats door de snelle reductie van organmetaalprecursoren in hete organische stoffen met oppervlakteactieve stoffen.
Er zijn maar weinig halfgeleidernanodeeltjes:
II-VI:CdS, CdSe, PbS, ZnS
III-V:InP, InAs
MO:TiO2, ZnO, Fe2O3, PbO, Y2O3
Toepassingen
Nanodeeltjes hebben vaak onverwachte optische eigenschappen omdat ze klein genoeg zijn om hun elektronen op te sluiten en kwantumeffecten te produceren. Gouden nanodeeltjes lijken bijvoorbeeld dieprood tot zwart in oplossing. Nanodeeltjes van geel goud en grijs silicium zijn rood van kleur. Gouden nanodeeltjes smelten bij veel lagere temperaturen (~ 300 ° C voor 2,5 nm grootte) dan de gouden platen (1064 ° C). De absorptie van zonnestraling is veel hoger in materialen die zijn samengesteld uit nanodeeltjes dan in dunne films van doorlopende materiaallagen. In zowel PV- als thermische zonne-energietoepassingen, waarbij de grootte, vorm en het materiaal van de deeltjes worden geregeld, is het mogelijk om de zonne-absorptie te regelen. Nanodeeltjes van klei wanneer ze in polymeermatrices worden opgenomen, verhogen de versterking, wat leidt tot sterkere kunststoffen, verifieerbaar door een hogere glasovergangstemperatuur en andere mechanische eigenschappentests. Deze nanodeeltjes zijn hard en geven hun eigenschappen door aan het polymeer (plastic). Nanodeeltjes zijn ook gehecht aan textielvezels om slimme en functionele kleding te maken.
Onderzoekers van University College of London hebben in Science gerapporteerd dat een suspensie van gecoate titaniumdioxide-nanodeeltjes die kunnen worden gespoten of gedompeld op een een reeks harde en zachte oppervlakken, waaronder papier, stof en glas, leveren super hydrofobe coatings op die oliebestendig zijn en zelfreinigend aan de lucht. De coatings waren bestand tegen wrijving, krassen en oppervlakteverontreiniging, factoren die vaak worden verergerd in de meeste zelfreinigende technologieën.
Ze melden verder dat additieven voor nanodeeltjes een grote kans bieden om de energie-efficiëntie van grote industriële, commerciële en institutionele koelsystemen te verbeteren bekend als chillers.
Zilveren nanodeeltjes hebben unieke optische, elektrische en thermische eigenschappen en worden verwerkt in producten die variëren van fotovoltaïsche cellen tot biologische en chemische sensoren. Voorbeelden zijn geleidende inkten, pasta's en vulstoffen die zilvernanodeeltjes gebruiken vanwege hun hoge elektrische geleidbaarheid, stabiliteit en lage sintertemperaturen. Aanvullende toepassingen zijn onder meer moleculaire diagnostiek en fotonische apparaten, die profiteren van de nieuwe optische eigenschappen van deze nanomaterialen. Een steeds vaker voorkomende toepassing is het gebruik van zilveren nanodeeltjes voor antimicrobiële coatings, en veel textiel, toetsenborden, wondverband en biomedische apparaten bevatten nu zilveren nanodeeltjes die continu een laag niveau van zilverionen afgeven om bescherming te bieden tegen bacteriën. (Zie meer op:http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/silver-nanoarticles.html#sthash.WGzJEuKE.dpuf)
Colloïdale gouden nanodeeltjes worden al eeuwenlang door kunstenaars gebruikt vanwege de levendige kleuren die door hun interactie met zichtbaar licht. Meer recentelijk zijn deze unieke optisch-elektronische eigenschappen onderzocht en gebruikt in hoogtechnologische toepassingen zoals organische fotovoltaïsche energie, sensorische sondes, therapeutische middelen, medicijnafgifte in biologische en medische toepassingen, elektronische geleiders en katalyse. (Zie meer op:http:/ /www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/gold-nanoarticles.html#sthash.8pgtk6eI.dpuf)
Q-dots
Halfgeleider-nanodeeltjes, ook wel Q-dots genoemd, zijn over het algemeen materiaaldeeltjes met een diameter van 1 tot 20 nm.
Eigenschappen van Q - punten Quantum Dots hebben een hoge kwantumopbrengst van vaak 20 keer helderder, hebben een smallere en meer symmetrische emissiespectra, 100-1000 keer stabieler tegen fotobleking, hebben een hoge weerstand tegen foto-/chemische degradatie en hebben een instelbaar golflengtebereik van 400-4000 nm.
Kwantumstippen afdekken
Vanwege het extreem hoge oppervlak van een nanodeeltje is er een grote hoeveelheid "bungelende bindingen" en door een capping-middel toe te voegen dat bestaat uit een halfgeleider met een hogere bandgap-energie (of kleiner) kan bungelende bindingen worden geëlimineerd en de kwantum drastisch verhogen opbrengst. Met de toevoeging van CdS/ZnS kan de kwantumopbrengst worden verhoogd van ~5% naar 55%
Toepassingen
Vanwege hun unieke fysieke eigenschappen zijn er veel potentiële toepassingen op het gebied van niet-lineaire optica, luminescentie, elektronica, katalyse, omzetting van zonne-energie en opto-elektronica.