Halbleiter-Nanopartikel

Ein Nanopartikel (oder Nanopulver oder Nanocluster oder Nanokristall) ist ein mikroskopisches Partikel mit mindestens einer Dimension weniger als 100 nm. Nanopartikel sind von großem wissenschaftlichen Interesse, da sie effektiv eine Brücke zwischen Schüttgütern und atomaren oder molekularen Strukturen bilden. Nanopartikel weisen eine Reihe besonderer Eigenschaften im Vergleich zu Schüttgütern auf. Nanopartikel vieler anderer Materialien, darunter Metalle, Metalloxide; Carbide, Boride, Nitride, Silizium und andere elementare Halbleiter sind erhältlich.
Mechanismus
Ihre einzigartigen physikalischen Eigenschaften sind auf Atome zurückzuführen, die sich auf der Oberfläche befinden. Die Anregung eines Elektrons vom Valenzband zum Leitungsband erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Die Rekombination kann auf zwei Arten erfolgen, als strahlende und nicht strahlende, was zu einer strahlenden Rekombination zu Photonen und zu einer nicht strahlenden Rekombination zu Phononen (Gitterschwingungen) führt.
Außerdem wird die Bandlücke aufgrund von Quanteneinschlusseffekten, die diskrete Energie erzeugen, allmählich größer Niveaus, und nicht ein durchgehendes Band wie beim entsprechenden Schüttgut. Darüber hinaus wird das Problem der Partikelagglomeration durch Passivieren (Abdecken) der "nackten" Oberflächenatome mit Schutzgruppen überwunden, um die Oberfläche elektronisch zu stabilisieren. Das Verkappungsmittel hat normalerweise die Form einer Lewis-Base-Verbindung, die kovalent an Oberflächenmetallatome gebunden ist.
Synthese von Nanopartikeln
Es gibt verschiedene Methoden zur Synthese von Nanopartikeln und die Synthesetechnik ist eine Funktion des Materials, der gewünschten Größe, Menge und Qualität der Dispersion.
Synthesetechniken sind Dampfphase (Molekularstrahlen, Flammensynthese usw.) und Lösungsphasensynthese (wässrige Lösung und nichtwässrige Lösung). Halbleiter-Nanopartikel Die Synthese erfolgt typischerweise durch die schnelle Reduktion von metallorganischen Vorläufern in heißen organischen Materialien mit Tensiden.
Wenige Halbleiter-Nanopartikel sind:
II-VI:CdS, CdSe, PbS, ZnS
III-V:InP, InAs
MO:TiO2, ZnO, Fe2O3, PbO, Y2O3
Anwendungen
Nanopartikel besitzen oft unerwartete optische Eigenschaften, da sie klein genug sind, um ihre Elektronen einzuschließen und Quanteneffekte zu erzeugen. Beispielsweise erscheinen Gold-Nanopartikel in Lösung tiefrot bis schwarz. Nanopartikel aus Gelbgold und grauem Silizium sind rot gefärbt. Goldnanopartikel schmelzen bei viel niedrigeren Temperaturen (~300 °C für 2,5 nm Größe) als die Goldplatten (1064 °C). Die Absorption der Sonnenstrahlung ist bei Materialien, die aus Nanopartikeln bestehen, viel höher als bei dünnen Filmen aus kontinuierlichen Materialschichten. Sowohl bei Solar-PV- als auch bei Solarthermieanwendungen ist es möglich, die Sonnenabsorption zu kontrollieren, indem Größe, Form und Material der Partikel kontrolliert werden. Tonnanopartikel, wenn sie in Polymermatrizen eingearbeitet werden, erhöhen die Verstärkung, was zu stärkeren Kunststoffen führt, die durch eine höhere Glasübergangstemperatur und andere mechanische Eigenschaftstests überprüft werden können. Diese Nanopartikel sind hart und verleihen dem Polymer (Kunststoff) ihre Eigenschaften. Nanopartikel wurden auch an Textilfasern angebracht, um intelligente und funktionelle Kleidung herzustellen.
Forscher des University College of London haben in Science berichtet, dass eine Suspension aus beschichteten Titandioxid-Nanopartikeln aufgespritzt oder tauchbeschichtet werden kann Auswahl an harten und weichen Oberflächen, einschließlich Papier, Stoff und Glas, ergeben superhydrophobe Beschichtungen, die ölbeständig und an der Luft selbstreinigend sind. Die Beschichtungen widersteht Reibung, Kratzern und Oberflächenverunreinigung, Faktoren, die bei den meisten selbstreinigenden Technologien oft verschlimmert werden bekannt als Chiller.
Silber-Nanopartikel haben einzigartige optische, elektrische und thermische Eigenschaften und werden in Produkte eingearbeitet, die von der Photovoltaik bis hin zu biologischen und chemischen Sensoren reichen. Beispiele umfassen leitfähige Tinten, Pasten und Füllstoffe, die Silbernanopartikel wegen ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit, Stabilität und niedrigen Sintertemperaturen verwenden. Weitere Anwendungen sind Molekulardiagnostik und photonische Geräte, die sich die neuartigen optischen Eigenschaften dieser Nanomaterialien zunutze machen. Eine immer häufigere Anwendung ist die Verwendung von Silber-Nanopartikeln für antimikrobielle Beschichtungen, und viele Textilien, Tastaturen, Wundverbände und biomedizinische Geräte enthalten jetzt Silber-Nanopartikel, die kontinuierlich eine geringe Menge an Silberionen freisetzen, um Schutz vor Bakterien zu bieten. (Weitere Informationen finden Sie unter:http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/silver-nanoparticles.html#sthash.WGzJEuKE.dpuf)
Kolloidale Gold-Nanopartikel werden seit Jahrhunderten von Künstlern aufgrund der leuchtenden Farben ihrer Wechselwirkung mit sichtbarem Licht. In jüngerer Zeit wurden diese einzigartigen optisch-elektronischen Eigenschaften erforscht und in Hochtechnologieanwendungen wie organische Photovoltaik, sensorische Sonden, therapeutische Wirkstoffe, Wirkstoffabgabe in biologischen und medizinischen Anwendungen, elektronische Leiter und Katalyse genutzt. (Weitere Informationen finden Sie unter:http:/ /www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/gold-nanoparticles.html#sthash.8pgtk6eI.dpuf)
Q-Punkte
Halbleiter-Nanopartikel, auch Q-Dots genannt, sind im Allgemeinen Materialpartikel mit Durchmessern im Bereich von 1 bis 20 nm.
Eigenschaften von Q - Punkten
Quantum Dots haben eine hohe Quantenausbeute von oft 20 mal heller, besitzen ein schmaleres und symmetrischeres Emissionsspektrum, sind 100-1000 mal stabiler gegenüber Photobleichen, besitzen eine hohe Resistenz gegen photo-/chemischen Abbau und haben einen einstellbaren Wellenlängenbereich von 400-4000 nm.
Überdeckung von Quantenpunkten
Aufgrund der extrem großen Oberfläche eines Nanopartikels gibt es eine große Menge an „Dangling Bonds“ und durch Hinzufügen eines Abdeckmittels, das aus einem Halbleiter mit höherer Bandlückenenergie (oder kleiner) besteht, können Dangling Bonds eliminiert und die Quantenmenge drastisch erhöht werden Ertrag. Durch Zugabe von CdS/ZnS kann die Quantenausbeute von ~5% auf 55% gesteigert werden
Anwendungen
Aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften gibt es viele potenzielle Anwendungen in Bereichen wie nichtlineare Optik, Lumineszenz, Elektronik, Katalyse, Solarenergieumwandlung und Optoelektronik.