Mikrowellen basierte Synthese von AgInS2/ZnS (AIS/ZnS QDs) Quantenpunkte unter Verwendung modeloptimierter Syntheseparameter (Design of Experiment - DoE)
Quelle: BAM, Fachbereich Biophotonik
Quantenpunkte (QDs) sind fluoreszente Halbleitermaterialien mit größenabhängiger Absorption und Emission im sichtbaren bis nahinfraroten- und infraroten-Spektralbereich, die oft aus Kombinationen von Elementen der Gruppen II/VI, III/V sowie IV/VI bestehen. Aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften werden sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wie der Displaytechnologie, in Solarzellen und in lichtemittierenden Dioden (LEDs) sowie als optische Reporter in Fluoreszenzassays, der (Bio)Sensorik und für bildgebende Methoden. Die am besten untersuchten QDs basieren auf den Schwermetallen Cadmium und Blei, deren potenzielle Toxizität den Einsatz in kommerziellen Produkten oder klinischen Anwendungen erschweren. Das veranlasste bereits viele Forscher, die Synthese weniger toxischer QDs und umweltfreundliche „grüne“ Synthesen zu untersuchen. Vielversprechende Cadmium-freie QDs sind AgInS2/ZnS (AIS/ZnS) QDs, die in wässriger Lösung hergestellt werden können und ausgezeichnete optische Eigenschaften aufweisen wie eine hohe Photolumineszenzeffizienz im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich und relativ lange Lumineszenzlebensdauern von einigen hundert Nanosekunden. Ziel dieser Arbeit war es, die optischen Eigenschaften dieser QDs durch das rationale Design der Synthese auf Basis einer geringen Anzahl von Experimenten mit kontrolliert variierten Syntheseparametern zu bestimmen und einzustellen. Dafür wurde für die von uns entwickelte Mikrowellensynthese von AIS/ZnS QDs mit Mercaptopropionsäure (MPA) als Oberflächenliganden ein „Design of Experiment (DoE)“-Ansatz eingesetzt. Reaktionsparameter zur Optimierung von Emissionsmaximum, Lumineszenzeffizienz und Lumineszenzlebenszeit waren Reaktionszeit, Reaktionstemperatur, pH-Wert und die Verhältnisse von Ag:In, S:In, Zn:In und MPA:In. Beim DoE-Ansatz wurden dann experimentelle Daten von Materialeigenschaften mit mathematischen Gleichungen modelliert, hier die Wahl des Ag:In:Zn Verhältnisses und optische Parameter wie Lumineszenzmaximum, -effizienz und -lebenszeit. So konnten wir die Abhängigkeiten zwischen Reaktionsbedingungen, Zusammensetzung der AIS/ZnS QDs und optischen Eigenschaften nutzen, um Synthesebedingungen für QDs mit bestimmten Lumineszenzmaxima bzw. -farben und -lebenszeiten und hohen Lumineszenzeffizienzen vorherzusagen. Die Zuverlässigkeit dieser Methode wurde durch die ausgezeichnete Übereinstimmung von vorhergesagten und experimentell ermittelten optischen Eigenschaften gezeigt.
Rationally designed synthesis of bright AgInS2/ZnS quantum dots with emission control
José X. Soares, K. David Wegner, David S. M. Ribeiro, Armindo Melo, Ines Häusler, João L. M. Santos & Ute Resch-Genger
erschienen in Nano Research, Vol. 13, Seiten 2438–2450, 2020 (open access)
BAM Fachbereich Biophotonik