一种新方法增强发光量子点的尺寸控制生产

发光是指物体吸收一种波长的光，然后再以另一种波长重新发射的过程的结果。通过光吸收，处于材料基态的电子被激发到更高的能量状态。在每个激发态具有一定的时间特性后，电子衰减到较低能量态，包括基态，并发光。这种现象被用于广泛的技术应用中，涉及可以容易地小型化的高效和可重复的发射器件

发光效率最高的材料包括量子点（QDs），目前用于高分辨率显示器、LED、太阳能电池板和各种传感器，如用于精确医学成像的传感器。具有各种类型分子的量子点表面的功能化允许与细胞结构或其他感兴趣的分子相互作用，以研究分子水平的生物过程

量子点是半导体纳米颗粒，由于量子限制现象，其发射特性与点尺寸直接相关。因此，在溶液中合成量子点期间对晶体生长的监测和控制允许对所需发光进行智能规划

在《科学报告》杂志上发表的一篇文章中，由巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所（IFSC-USP）教授Andrea de Camargo领导的研究人员和德国基尔大学的合作者提出了一种监测QD形成的新方法

“我们使用碲化镉[CdTe]作为模型系统，并通过原位发光分析控制纳米颗粒在加热的水溶液中的生长，”IFSC-USP的博士候选人、文章的第一作者Pedro Felipe Garcia Martins da Costa说

这项技术使科学家能够在不影响QD合成的情况下实时看到溶液中发生了什么，因此他们可以通过观察发射光的颜色（波长）来监测晶体生长

“量子点是通过在尺寸控制试剂的存在下混合镉（Cd2+）和碲（Te2-）前体溶液来合成的。温度升高，化学反应通过碲化物和镉离子团簇开始。随着反应的进行，额外的CdTe单元在自组装过程中球形地加入团簇。由于对发射频率的快速精确监测，可以估计纳米粒子的尺寸。

”直径为1-2纳米的CdTe量子点在可见光谱的蓝色和绿色区域发射。IFSC-USP的博士后研究员、这篇文章的第二作者Leonnam Gotardo Merizio说：“测量4-5纳米的较大量子点以较低的频率发射，分别为黄色和红色。”。因此，可以更精确地控制感兴趣的量子点的发射颜色

“通过光纤以适当波长传输激发光的设备还收集发射的光，并确定其在RGB（红、绿、蓝）颜色系统中的特征频率。值得注意的是，RGB系统的控制与显示器和智能手机显示器等多种发光设备的图像形成有关，”他解释道

他补充道，以这种方式合成的量子点也通过X射线衍射、透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱和红外振动光谱进行了表征

1937年，出生于德国的英国物理学家Herbert Fröhlich（1905-91）从理论上预测了量子点的存在。20世纪80年代，当时的苏联的阿列克谢·埃基莫夫（1945年出生）和美国的路易斯·布鲁斯（1943年出生）首次独立观察到半导体纳米颗粒中的量子约束。20世纪90年代，法裔美国物理学家Moungi Bawendi（1961年出生）开发了显著增强的QD合成方法。2023年，Ekimov、Brus和Bawendi因其在该领域的工作而被授予诺贝尔化学奖

“量子限制使量子点能够将电子限制在三维空间，使量子现象更加明显，并将其表征为原子、分子和更大晶体阵列之间的中间材料，”Costa说

“已经发表了许多关于CdTe量子点合成的论文。我们的研究的主要贡献涉及一种高度通用的原位发光测量系统的开发和应用。该方法使我们能够推断晶体纳米颗粒的大小，并通过与其他允许化学和/或结构分析的技术（FT-IR、拉曼、DRX等）原位结合来表征化学反应中中间化合物的形成。合成的这种发展优化了化学产率并节省了能源，”Camargo说 More information: P. F. G. M. da Costa et al, Real-time monitoring of CdTe quantum dots growth in aqueous solution, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8

Journal information: Scientific Reports