Over halfgeleidende nanodeeltjes

Nanodeeltjes van halfgeleidende materialen hebben alle drie dimensies in het bereik van 1–20 nm en bezitten nieuwe elektronische, magnetische, katalytische en optische eigenschappen. Dit komt door hun grote oppervlakte-tot-volumeverhouding en hun beperkte omvang. Naarmate de diameter van het deeltje de diameter van het exciton Bohr nadert, worden de ladingsdragers opgesloten in drie dimensies met nul vrijheidsgraden. Als gevolg van de geometrische beperkingen voelt het elektron de deeltjesgrenzen en reageert het op de deeltjesgrootte door zijn energie aan te passen. Dit fenomeen, dat bekend staat als het kwantumgrootte-effect, zorgt ervoor dat de continue band van de vaste stof wordt gesplitst in discrete, gekwantiseerde niveaus en dat de "bandgap" toeneemt.
Voorbereidingsmethoden
Traditionele methoden zoals chemische dampafzetting en moleculaire bundelepitaxiemethoden zijn gebruikt, maar hebben beperkingen omdat ze deeltjes produceren die aan een substraat zijn bevestigd of in een matrix zijn ingebed, waardoor hun potentieel in toepassingen wordt beperkt.
Colloïdale toegang
De colloïdale toegang tot nanodeeltjes wordt bereikt door een precipitatiereactie uit te voeren in een homogene oplossing in aanwezigheid van stabilisatoren, die tot taak hebben agglomeratie en verdere groei te voorkomen. De colloïdale groeistabiliteit van de kristallen kan worden verbeterd door gebruik te maken van oplosmiddelen met lage diëlektrische constanten of door gebruik te maken van stabilisatoren zoals styreen/maleïnezuurcopolymeer.
Ostwald-rijping
In een proces dat bekend staat als Ostwald-rijping, lossen kleine kristallen, die minder stabiel zijn, op en herkristalliseren ze vervolgens op grotere en stabielere kristallen. Om deze methode effectief te laten zijn, moeten de nanodeeltjes een lage oplosbaarheid hebben, wat kan worden bereikt door een oordeelkundige keuze van oplosmiddel, pH en passiveringsmiddel.
Pyrolyse
De problemen die samenhangen met de colloïdale route bij lage temperatuur kunnen worden overwonnen door voorlopers die pyrolyse ondergaan bij hoge temperatuur te injecteren in een coördinerend oplosmiddel met een hoog kookpunt. Deze route maakt gebruik van een vluchtig metaal alkyl (dimethylcadmium) en een chalcogeenbron tri-n-octylfosfineselenide (TOPSe), gedispergeerd in tri-n-octylfosfine (TOP) en geïnjecteerd in hete TOPO (tri-n-octylfosfine oxide). De deeltjes die met deze methode worden geproduceerd, zijn monodispers en kristallijn.
Chemische routes
Een alternatieve chemische route naar nanodeeltjes die gebruikmaakt van voorlopers van één molecuul waarin de metaal-chalcogenidebinding beschikbaar is, is een zeer efficiënte route gebleken naar hoogwaardige nanodeeltjes. De ontleding van de voorloper drijft de vorming van de nanodeeltjes aan, waarbij de groei stopt wanneer de voorlopervoorraad is uitgeput. Na de eerste injectie is er snelle kiemvorming, gevolgd door gecontroleerde groei van de kernen. Wanneer de nanodeeltjes een gewenste grootte bereiken, wordt de verdere groei gestopt door de oplossing snel af te koelen. De nanokristallen worden uit de groeioplossing geïsoleerd door een ander oplosmiddel toe te voegen dat mengbaar is met het oorspronkelijke oplosmiddel. De resulterende troebele oplossing wordt gecentrifugeerd en de nanodeeltjes worden geïsoleerd in de vorm van een poeder. Metaalcomplexen van alkylthioureums zijn ook zeer goede voorlopers gebleken voor de synthese van nanodeeltjes.