Évaluer l'influence des micro-ondes

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22000 (2022) Citer cet article

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Les points quantiques (QD) semi-conducteurs luminescents sont fréquemment utilisés dans les sciences de la vie et des matériaux comme rapporteurs pour les études de bioimagerie et comme composants actifs dans des dispositifs tels que les écrans, les diodes électroluminescentes, les cellules solaires et les capteurs. Les préoccupations croissantes concernant l’utilisation d’éléments toxiques comme le cadmium et le plomb, ainsi que de solvants organiques dangereux lors de la synthèse des QD, ont entre-temps déclenché la recherche de QD sans métaux lourds en utilisant des méthodes de synthèse par chimie verte. Les candidats intéressants sont les QD ternaires AgInS2 (AIS) qui présentent de larges bandes de photoluminescence (PL), de grands déplacements de Stokes effectifs, des rendements quantiques PL élevés (PL QY) et de longues durées de vie PL, qui sont particulièrement bénéfiques pour des applications telles que la bioimagerie, la lumière blanche. diodes électroluminescentes et concentrateurs solaires. De plus, ces nanomatériaux peuvent être préparés en haute qualité avec une synthèse assistée par micro-ondes (MW) en solution aqueuse. La diffusion homogène de la chaleur et l'augmentation instantanée de la température de la synthèse MW permettent un meilleur contrôle de la nucléation et de la croissance des QD et augmentent ainsi la reproductibilité d'un lot à l'autre. Dans cette étude, nous avons systématiquement exploré la synthèse MW des QD AIS/ZnS en faisant varier des paramètres tels que l'ordre d'ajout du réactif, la concentration du précurseur et le type de ligand thiol stabilisant, et évalué leur influence sur les propriétés optiques de l'AIS/ZnS résultant. QD. Dans des conditions de synthèse optimisées, des QD AIS/ZnS hydrosolubles avec un PL QY de 65 % et une excellente stabilité colloïdale et à long terme ont pu être préparés de manière reproductible.

Au cours des dernières décennies, les nanocristaux semi-conducteurs (également appelés points quantiques, QD) sont devenus populaires pour des applications telles que la bioimagerie, la biodétection et les dispositifs optoélectroniques1,2,3,4,5,6. Le fort intérêt porté aux QD repose sur la possibilité de contrôler leurs propriétés optiques par leur taille, leur forme et leur composition chimique. De plus, les QD possèdent des rendements quantiques (QY) de photoluminescence (PL) très élevés et une photostabilité élevée7,8,9. Les QD les plus populaires étaient autrefois basés sur le cadmium, un métal lourd, ou sur le plomb10,11. Dans le même temps, la toxicité potentielle de ces métaux lourds a suscité des inquiétudes considérables quant à leur utilisation dans des appareils et applications commerciaux, notamment en Europe. De plus, à l’exception du CdTe, les QD II/VI et IV/VI de haute qualité ainsi que les QD III/V moins toxiques tels que l’InP sont couramment synthétisés dans des solvants organiques dangereux pour l’environnement12. Par conséquent, avec la pression croissante pour développer et appliquer des principes de chimie plus écologiques et des approches sûres dès la conception pour les nanomatériaux, les chercheurs ont commencé ces dernières années à se concentrer sur des alternatives à ces QD, qui possèdent toujours des propriétés optiques comparablement bénéfiques telles qu'un PL QY élevé. valeurs mais sont sans métaux lourds. Cela a déclenché l'intérêt pour InP13, les points de carbone14,15, les QD de silicium16 ainsi que les QD ternaires comme CuInS2 (CIS) et AgInS2 (AIS) ou les QD quaternaires comme AgInSZn (AISZ) et ZnCuInS (ZCIS) avec PL dans le visible et le proche. région infrarouge (NIR)17. Contrairement aux QD binaires tels que les QD II/VI, IV/IV et III/V, où les propriétés optiques sont uniquement contrôlées par la largeur de la bande interdite, les propriétés PL des QD ternaires sont attribuées à des états de défaut dans la bande. structure des écarts18. Cela conduit à un décalage de Stokes effectif important, à de larges bandes PL et à de longues durées de vie PL de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes. Différents mécanismes PL tels que la recombinaison radiative de paires donneur-accepteur (D – A), un modèle d'exciton auto-piégé (STE), la recombinaison d'un trou localisé avec un électron de bande de conduction et une combinaison de ces mécanismes ont été utilisés pour expliquer le PL des QD ternaires19,20,21.

Comme leurs homologues binaires QD, les QD ternaires sont généralement préparés par des méthodes d'injection à chaud ou de chauffage dans des solvants organiques à haut point d'ébullition utilisant des ligands tels que le 1-dodécanthiol ou l'oléylamine. L’application de ces QD hydrophobes dans des environnements biologiquement pertinents nécessite donc une étape de post-modification pour rendre ces QD hydrophobes dispersables dans l’eau. Une approche populaire consiste à échanger les ligands hydrophobes natifs contre des ligands hydrophiles tels que le glutathion (GSH), l'acide mercaptoacétique (MAA) ou l'acide 3-mercaptopropionique (MPA). Cet échange de ligands peut entraîner une diminution considérable de PL QY provoquée par la formation de nouveaux états de défauts de surface22. De plus, la synthèse dans des solvants organiques n’est pas respectueuse de l’environnement et ne répond pas aux principes de la chimie verte. Pour réduire l’impact sur l’environnement, la synthèse directe de QD ternaires en milieu aqueux en utilisant moins de réactifs toxiques est souhaitée23,24. Par conséquent, à côté des approches classiques de synthèse humide25,26,27 et des méthodes hydrothermales28,29, les synthèses assistées par micro-ondes (MW) ont gagné en popularité pour la préparation de différents types de nanomatériaux30. L'utilisation du rayonnement MW présente de nombreux avantages, comme une augmentation très rapide de la température de réaction et un gradient thermique stable dans le mélange réactionnel. Cela permet une préparation de nanoparticules plus uniforme et augmente la reproductibilité de la réaction31,32,33,34. Bien que les approches de synthèse MW aient entre-temps été optimisées pour les QD binaires 35,36, il existe peu de rapports sur la fabrication de QD ternaires avec des QY PL> 50% 37,38,39,40,41. La forte influence de différents paramètres de synthèse pour une synthèse MW de QD AIS a été récemment démontrée par Soares et al.42, qui ont utilisé une approche de conception d'expérience pour préparer rationnellement des QD AIS/ZnS avec des caractéristiques PL réglées avec précision.