La préparation de points quantiques semi-conducteurs est parfois plus un art noir qu'une science. Cela constitue un obstacle à de nouveaux progrès dans, par exemple, créer de meilleures cellules solaires ou dispositifs d'éclairage, où les points quantiques offrent des avantages uniques qui seraient particulièrement utiles s'ils pouvaient être utilisés comme éléments de base pour la construction d'architectures nanométriques plus grandes.

Andrew Greytak, chimiste au College of Arts and Sciences de l'Université de Caroline du Sud, dirige une équipe de recherche qui rend le processus de synthèse des points quantiques beaucoup plus systématique. Son groupe vient de publier un article dans Chimie des Matériaux détaillant une nouvelle méthode efficace pour purifier les nanocristaux de CdSe avec des propriétés de surface bien définies.

Leur procédé utilise la chromatographie par perméation de gel (GPC) pour séparer les points quantiques des impuretés de petites molécules, et l'équipe est allée plus loin dans la caractérisation des nanocristaux par diverses méthodes analytiques. Une comparaison de leurs points quantiques purifiés avec ceux purifiés par la méthode traditionnelle de plusieurs cycles de solvatation et de précipitation a souligné l'utilité de la nouvelle méthode dans la préparation de nanocristaux semi-conducteurs uniformes hautement aptes à d'autres manipulations synthétiques.

Points quantiques

Points quantiques, qui sont des nanocristaux avec des diamètres de l'ordre de 5 à 10 nanomètres, ont des propriétés optiques et autres propriétés physiques différentes de celles des cristaux plus gros. La taille réduite leur permet d'absorber et d'émettre des couleurs différentes que des quantités en vrac du même composé en raison des effets de la mécanique quantique; ils ont également des rapports surface/volume très importants et peuvent être sensibles aux traitements de surface.

Le laboratoire de Greytak prépare généralement des points quantiques dans des solvants hydrophobes (comme le 1-octadécène), ils sortent donc « coiffés » de molécules hydrophobes et se dissolvent facilement dans les solvants non polaires. « La façon dont le processus fonctionne, vous avez toujours une quantité importante de matière première n'ayant pas réagi, des solvants à point d'ébullition élevé et des tensioactifs supplémentaires qui sont importants pour la synthèse, " dit Greytak. " Mais une fois la synthèse terminée, ce sont des impuretés qui doivent être éliminées."

La méthode historique de purification des points quantiques est les cycles de solvatation, précipitation (comme avec de l'alcool), décantation des impuretés et resolvatation. Bien que la méthode soit utilisée depuis une vingtaine d'années, il a une lacune fondamentale.

"Avec le processus de précipitation et de redissolution, il ne fait pas réellement la séparation sur la base de la taille de la particule, il le fait sur la base de la solubilité, " dit Greytak. " Donc, si vous avez des impuretés qui ont des qualités de solubilité similaires à celles de la particule, ils ne sont pas supprimés."

Chromatographie par perméation de gel

Greytak a dirigé son équipe, qui comprenait les étudiants diplômés Yi Shen, Megan Gee et Rui Tan, dans le développement de GPC comme une alternative très efficace. Une technique d'exclusion de taille, La GPC sépare les espèces chimiques en fonction du poids moléculaire et est couramment utilisée avec les macromolécules.

Par rapport aux matériaux préparés par le processus de précipitation et de re-solvatation, les points quantiques purifiés par GPC avaient une bien meilleure stabilité à haute température. De plus, une série de mesures RMN assistées par le professeur agrégé de recherche de l'USC, Perry Pellechia, a indiqué que la méthode GPC était beaucoup plus efficace pour éliminer les ligands faiblement adsorbés de la surface des points quantiques.

Faire avancer un processus de synthèse

L'équipe a en outre examiné la pertinence des points quantiques pour une manipulation synthétique ultérieure. De nouveau, les produits purifiés par GPC étaient supérieurs, à la fois dans la croissance de la coquille CdS sur les points quantiques CdSe ainsi que dans l'échange de ligands de la cystéine sur les points quantiques CdSe/CdxZn1-xS.

Greytak considère la méthode comme un pas en avant fondamental pour pouvoir manipuler davantage les points quantiques, que ce soit en construisant des architectures plus grandes ou en affirmant le contrôle sur la façon dont les colloïdes de nanocristaux se comportent en solution.

« Ce que nous aimons dire, c'est que nous développons un séquentiel, chimie préparative des nanocristaux semi-conducteurs, " dit Greytak. " Dans la plupart des chimies synthétiques, vous avez un matériel de départ, tu fais une réaction, et vous passez par une série d'intermédiaires avec des structures bien définies qui peuvent être isolées. Pour un nanomatériau, c'est beaucoup plus difficile, parce que nous ne fabriquons pas de molécules, nous faisons une population de particules qui a, Disons, un rayon de deux nanomètres. Ils ne sont pas tous identiques, et la réalisation d'un produit cohérent a été difficile, à la fois sur la manière de l'isoler et de la caractériser.

"Nous travaillons donc vraiment pour pouvoir caractériser un échantillon, avec, dire RMN et analyse thermogravimétrique, et pouvoir vraiment prédire avec confiance comment il va réagir dans une étape ultérieure. »