Химики определили точный механизм синтеза квантовых точек

Американские химики определили точную схему химических превращений, происходящих при синтезе квантовых точек из селенида кадмия. Благодаря этим результатам удастся повысить воспроизводимость реакций получения квантовых точек, пишут химики в статье в Nature Communications.

Квантовые точки — полупроводниковые кристаллические частицы размером несколько нанометров — привлекают ученых своими уникальным оптическим свойствам, которыми можно управлять, изменяя размер частиц. Из-за квантово-размерных эффектов, разница между энергетическими уровнями валентных электронов и электронов проводимости в наночастицах не соответствует ширине запрещенной зоны в объемном полупроводнике того же состава и зависит от размера частицы. И именно она определяет длину волны света, который квантовая точка будет поглощать и испускать. Несмотря на то, что изучением квантовых точек занимаются уже около 30 лет, точно механизм их образования и роста при синтезе изучен не был. Поэтому чтобы получать частицы нужного размера приходилось, в первую очередь, использовать метод проб и ошибок.

Чтобы обеспечить больший контроль над синтезом квантовых точек и повысить воспроизводимость реакций их получения, американские химики Лея Френетт (Leah C. Frenette) и Тодд Краусс (Todd D. Krauss) из Рочестерского университета рассмотрели механизм роста одних из наиболее популярных квантовых точек из селенида кадмия CdSe. Сейчас эти квантовые точки получают, используя для этого термолитическое разложение металлорганических соединений кадмия и селенидов третичных фосфинов. При этом происходит образование мономера квантовой точки — ядра нуклеации, к которому потом прикрепляются новые атомы селена и кадмия, постепенно формируя небольшую частичку кристалла нужного размера. В своей работе химики выбрали в качестве реактивов для получения квантовых точек карбоксилат кадмия и селенид трибутилфосфина и изучили состав реакционной смеси in situ, то есть в ходе протекания реакции. Для определения промежуточных составов реакционной смеси ученые использовали метод ядерного магнитного резонанса с использованием изотопа селена-77.

Оказалось, что используемые химические реактивы (как и остальные вещества подобного состава, которые используются сейчас), не реагируют друг с другом непосредственно с образованием мономера. Вместо этого, они распадаются независимо с образованием очень реакционно-способных промежуточных веществ, содержащие кадмий и селен — селеноводорода H₂Se и кадмий-алкилов — то есть именно тех соединений, которые использовались для получения таких квантовых точек еще 20 лет назад. При этом на конечные свойства образующихся квантовых точек влияют три химических процесса. Первые два — как раз реакции термического распада начальных реагентов. Третий процесс — это дальнейшее разложение образовавшихся промежуточных веществ, однако, по словам ученых, эта реакция имеет значительно меньшее влияние по сравнению с первыми двумя.

Авторы работы утверждают, что обнаруженные ими механизмы позволят в будущем точнее управлять составом и концентрацией промежуточных соединений, что приведет к повышению чистоты образующихся квантовых точек и воспроизводимости используемых методов их получения.

Чтобы исследовать механизм образования и роста квантовых точек, часто приходится предлагать довольно сложные механизмы. В частности, недавно американские химики разработали специальную микрофлюидную платформу с подвижным оптическим анализатором, двигающимся вдоль реактора, в котором происходит синтез перовскитных квантовых точек.

Александр Дубов