การสังเคราะห์ Solvotomal ของอนุภาคนาโน

Prof. Bonnie Gersten,

Queens College of the City University of New York

Chemfiles Volume 5 Article 13

รูปที่ 2 พล็อตการดูดซึมของแท่ง ZnO แสดงผลจุดควอนตัม

การสังเคราะห์ Solvotemal เป็นวิธีการเตรียมวัสดุหลากหลายชนิดเช่นโลหะเซมิคอนดักเตอร์เซรามิกและโพลิเมอร์ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้ตัวทำละลายภายใต้ความดันปานกลางถึงสูง (โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 1 ATM และ 10,000 ATM) และอุณหภูมิ (โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 100°C และ 1000°C) ที่อำนวยความสะดวกในการโต้ตอบของสารตั้งต้นในระหว่างการสังเคราะห์ หากใช้น้ำเป็นตัวทำละลายวิธีการเรียกว่า " การสังเคราะห์ hydrothermal" การสังเคราะห์ภายใต้สภาวะไฮโดรเทอร์มัลมักจะดำเนินการต่ำกว่าอุณหภูมิที่สำคัญที่สุดของน้ำ (374°C) กระบวนการนี้สามารถใช้ในการเตรียมรูปทรงเรขาคณิตหลายอย่างรวมถึงฟิล์มบางผงผลึกเดี่ยวและนาโนคริสตัล นอกจากนี้สัณฐานวิทยา (ทรงกลม (3 มิติ), แท่ง (2 มิติ) หรือลวด (1 มิติ)) ของผลึกที่เกิดขึ้นจะถูกควบคุมโดยการจัดการความอิ่มตัวของตัวทำละลายสารเคมีที่มีความเข้มข้นของความสนใจและการควบคุมจลน์ วิธีการนี้สามารถใช้ในการเตรียมสถานะที่มีความเสถียรและมั่นคงทางอุณหพลศาสตร์รวมถึงวัสดุใหม่ที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ง่ายจากเส้นทางสังเคราะห์อื่นๆ ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาวรรณกรรมส่วนใหญ่ (ประมาณร้อยละ 80) เกี่ยวกับการสังเคราะห์โซลโวเทอร์มัลได้มุ่งเน้นไปที่นาโนคริสตัลดังนั้นการทบทวนนี้จะเน้นความก้าวหน้าบางอย่างในการสังเคราะห์นาโนคริสตัลไลน์โซลเทอร์มัล

ความสนใจในนาโนคริสตัลถูกขับเคลื่อนโดยคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขา ตัวอย่างหนึ่งของคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของนาโนคริสตัลแสดงให้เห็นโดยการค้นพบจุดควอนตัมที่สังเคราะห์ด้วยความร้อน (QDs) Luis Brus¹ 2 อธิบายครั้งแรกว่าอนุภาคนาโนที่เตรียมด้วยความร้อนด้วยไฮโดรเจนของแคดเมียมซัลไฟด์ซีดีในระบบกันสะเทือนแบบน้ำมีการเปลี่ยนสีฟ้าในสเปกตรัมการดูดซับและการปล่อยไอเสียที่มองเห็นได้เมื่อเทียบกับซีดีจำนวนมาก อนุภาคที่มีรัศมีน้อยกว่า exciton bohr Radius แสดงระดับพลังงานที่แยกออกจากกันคล้ายกับอะตอมเดี่ยว เส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัลที่ไม่เหมือนใครทุกเส้นบนนาโนสเกลจะสอดคล้องกับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งแตกต่างจากพลังงานของวงที่สังเกตได้ในวัสดุขนาดใหญ่ วัสดุที่แสดงลักษณะนี้เรียกว่า " อะตอมเทียม " หรือจุดควอนตัม รีวิวล่าสุด^{3 –} 5 ตรวจสอบระดับที่เทคนิคสังเคราะห์ Solvotemal ตอนนี้เป็นเทคนิคที่จำเป็นสำหรับการควบคุมขนาดของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ II – VI และ III – V การสังเคราะห์ QDs โดยทั่วไปต้องใช้วัสดุแหล่งไอออนที่ละลายได้ในตัวทำละลายที่เลือกและสารลดแรงตึงผิวที่แคปหรือรักษาความเสถียรของจุดควอนตัมทำให้การเติบโตของมัน ตัวอย่างเช่น CdSe QD ถูกจัดทำขึ้นโดยการละลาย CDO ใน trioctylphosphine oxide (TOPO) และ trioctyl phosphine (TOP) ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้งตัวทำละลายและตัวทำละลาย สารละลายจะถูกให้ความร้อนที่ 300°C หลังจากนั้นจะมีการเพิ่มซีลีเนียมธาตุที่ละลายใน tributylphosphine (TBP) ปฏิกิริยาจะดับลงและสังเกตเห็นนาโนคริสตัล⁶

สังกะสีออกไซด์เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของสารประกอบ II – VI ที่สามารถเตรียมได้อย่างถาวรและจะแสดงผลจุดควอนตัม⁷ ในวิธีเดียวสังกะสีอะซิเตทไดไฮเดรตละลายใน 2 โปรพานอลที่ 50°C จากนั้นสารละลายจะถูกระบายความร้อนที่อุณหภูมิ 0°C และ NaOH จะถูกเพิ่มเข้าไปในการตกตะกอน ZnO จากนั้นสารละลายจะถูกทำให้ร้อนถึง 65°C เพื่อให้ ZnO เติบโตเป็นระยะเวลาหนึ่งก่อนที่จะมีการฉีดสาร capping (สาร 1 dodecanethiol) เข้าไปในสารแขวนลอยเพื่อยับยั้งการเติบโต นาโนคริสตัลรูปแท่ง ZnO (รูปที่ 1) แสดงสเปกตรัมการดูดซึม (รูปที่ 2) ที่บ่งบอกถึงผลควอนตัม

รูปที่ 1 ไมโครกราฟ TEM ของแท่ง ZnO

รูปที่ 2 พล็อตการดูดซึมของแท่ง ZnO แสดงผลจุดควอนตัม

จุดควอนตัมสามารถสังเคราะห์ได้โดยเส้นทาง Solvotemal ในหลายรูปทรงรวมถึงทรงกลมแท่ง tetrapods และน้ำตาโดยการควบคุมอุณหภูมิความเข้มข้นและเวลาปฏิกิริยา⁸ นอกจากนี้ยังสามารถสังเคราะห์เปลือกขององค์ประกอบหนึ่ง (เช่น ZnS) ผ่านแกนของนาโนคริสตัลอื่น (เช่น CD)⁹ แกนสามารถใช้เป็นเมล็ดเพื่อปลูกอนุภาคขนาดใหญ่โดยการปรับความเข้มข้นหลังจากการเจริญเติบโตเริ่มต้น การใช้งานจุดควอนตัมจำนวนมากได้รับการปรับให้เหมาะสมตามการควบคุมขนาดและรูปร่างและการสังเคราะห์ Solvotomal เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับการบรรลุการควบคุมนี้

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ II – VI สารประกอบ III – V จะประมวลผลได้ยากขึ้นด้วยวิธีการ SolvotThermal⁴ หนึ่งวิธีการสังเคราะห์ของ Nanosized InSb คือการลดลงของ incl 3 และ SbCl₃โดย NaBH 4 ที่ 200°C โดยใช้ diethylenediamine (DETA) เป็นตัวทำละลาย¹⁰ วัสดุนี้มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอและมีการจับตัวเป็นก้อนดังนั้นจึงไม่ได้แสดงผลจุดควอนตัม อย่างไรก็ตามงานล่าสุดเกี่ยวกับ phosphide (InP) และไนไตรด์ (GAN) รวมถึงสารกึ่งตัวนำสารหนู (GAA) III – V ได้แสดงคุณสมบัติของจุดควอนตัม

แม้ว่าอนุภาคโลหะยังสามารถแสดงพฤติกรรมของจุดควอนตัมได้แต่ Radius ของพวกเขา exciton Bohr มีขนาดเล็กกว่าเซมิคอนดักเตอร์มากส่งผลให้เกิดความท้าทายที่สำคัญในการสังเคราะห์ อย่างไรก็ตามการสังเคราะห์อนุภาคนาโนโลหะเป็นสิ่งที่น่าสนใจในปัจจุบันสำหรับการใช้งานใน nanociruits และอุปกรณ์ ขนาดรูปร่างและประเภทของวัสดุที่ต้องการขึ้นอยู่กับการใช้งาน ตัวอย่างเช่นความต้องการอุปกรณ์บันทึกแม่เหล็กความหนาแน่นสูงได้ริเริ่มการพัฒนาวัสดุ ferromagnetic ขนาดนาโนใหม่โดยใช้การประกอบตัวเองแบบ 3 8 4 มิติของอนุภาคแม่เหล็กที่แตกต่างกันสองขนาดของ Fe 3 O 4 (2.5 nm) และ Fe 58 Pt 42 (2.5 nm) ลงในผลึกคอลลอยด์แบบ superlattice¹¹ การประกอบชิ้นส่วนด้วยตนเองจะเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคมีการกระจายขนาดน้อยกว่า 5% Monosized Fe₃O 4 อนุภาคถูกเตรียมจากเหล็ก (iii) acetylacetonate ในอีเทอร์ phenyl ในที่ที่มีแอลกอฮอล์กรดโอเลอิกและ oleylamine ที่ 265°C¹¹ Monosized Fe₅₈Pt₄ 2 ถูกสังเคราะห์โดยการลดแพลทินัม acetylacetonate โดย 1,2 - hexadecanediol และการสลายตัวของเหล็ก pentacarbonyl ในที่ที่มีกรดโอเลอิกและ oleyl amine stabilizers¹¹

อนุภาคแม่เหล็กชนิดเดียวกันรวมถึงอนุภาคนาโนโลหะและจุดควอนตัมกำลังค้นหาการใช้งานในไบโอเซนเซอร์ อนุภาคนาโนเหล่านี้ต้องการพื้นผิวที่มีน้ำเพื่อให้เข้ากันได้กับ biomolecules อนุภาคนาโนที่เตรียมด้วยความร้อนจะเหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานเทคโนโลยีชีวภาพเนื่องจากอนุภาคนาโนมีน้ำเนื่องจากกลุ่มไฮดรอกซิลพื้นผิว อย่างไรก็ตามไฮดรอกซีเหล่านี้มักจะมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติที่น่าสนใจในอนุภาคนาโน (เช่นลดผลผลิตควอนตัมของ QD หรือออกซิไดซ์พื้นผิวของโลหะ) อย่างไรก็ตามเส้นทาง Solvovotheral อื่นๆสามารถใช้เพื่อเตรียมอนุภาคนาโนซึ่งเมื่อมีการเพิ่มสารลดแรงตึงผิวจะถูกทำให้เป็นน้ำ อนุภาคทองคำมีความสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากธรรมชาติเฉื่อย อนุภาคทองคำขาวดำได้รับการเตรียมโดยกระบวนการลดความร้อนที่คล้ายกับที่อธิบายโดย Chen และ Kimura¹² ในวิธีนี้ไฮโดรเจน tetrachloroaurate tetrahydrate ถูกลดลงด้วยโซเดียมโบรอไฮไดรด์และกรด mercaptosuccinic ถูกใช้เป็นตัวทำให้เสถียร รูปที่  3 แสดงไมโครกราฟของอนุภาคนาโนสีทองที่ประกอบเข้ากับพื้นผิวทองแดง    

รูปที่ 3 กราฟขนาดเล็กของอนุภาคทองคำที่ประกอบขึ้นเอง

โดยสรุปแล้วการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแบบ SolvovThermal กำลังค้นหาการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่นาโนซีใหม่ๆและวงจรนาโนออปติคัลไปจนถึงนาโนไมเกติกและเทคโนโลยีชีวภาพ ความสามารถในการควบคุมขนาดและรูปร่างของโฮสต์ของวัสดุทำให้เทคนิคนี้อเนกประสงค์ประหยัดและ facile

สินค้าที่เกี่ยวข้อง

ขออภัย เกิดข้อผิดพลาดที่ไม่คาดคิด

Response not successful: Received status code 500

ข้อมูลอ้างอิง

1. Rossetti R, Brus L. 1982. Electron-hole recombination emission as a probe of surface chemistry in aqueous cadmium sulfide colloids. J. Phys. Chem.. 86(23):4470-4472. https://doi.org/10.1021/j100220a003

2. Brus LE. 1984. Electron?electron and electron?hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. The Journal of Chemical Physics. 80(9):4403-4409. https://doi.org/10.1063/1.447218

3. Esteves ACC, Trindade T. 2002. Synthetic studies on II/VI semiconductor quantum dots. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 6(4):347-353. https://doi.org/10.1016/s1359-0286(02)00079-7

4. Green M. 2002. Solution routes to III?V semiconductor quantum dots. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 6(4):355-363. https://doi.org/10.1016/s1359-0286(02)00028-1

5. Rajamathi M, Seshadri R. 2002. Oxide and chalcogenide nanoparticles from hydrothermal/solvothermal reactions. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 6(4):337-345. https://doi.org/10.1016/s1359-0286(02)00029-3

6. Peng Q, Dong Y, Deng Z, Sun X, Li Y. 2001. Low-Temperature Elemental-Direct-Reaction Route to II?VI Semiconductor Nanocrystalline ZnSe and CdSe. Inorg. Chem.. 40(16):3840-3841. https://doi.org/10.1021/ic0100424

7. Wong EM, Hoertz PG, Liang CJ, Shi B, Meyer GJ, Searson PC. 2001. Influence of Organic Capping Ligands on the Growth Kinetics of ZnO Nanoparticles. Langmuir. 17(26):8362-8367. https://doi.org/10.1021/la010944h

8. Manna L, Scher EC, Alivisatos AP. 2000. Synthesis of Soluble and Processable Rod-, Arrow-, Teardrop-, and Tetrapod-Shaped CdSe Nanocrystals. J. Am. Chem. Soc.. 122(51):12700-12706. https://doi.org/10.1021/ja003055+

9. Manna L, Scher EC, Li L, Alivisatos AP. 2002. Epitaxial Growth and Photochemical Annealing of Graded CdS/ZnS Shells on Colloidal CdSe Nanorods. J. Am. Chem. Soc.. 124(24):7136-7145. https://doi.org/10.1021/ja025946i

10. Lezaeta MD, Lam M, Black S, Chang B, Gersten B. 2004. The Synthesis of III-V Semiconductor InSb Nanoparticles by Solvothermal Reduction Reactions. MRS Proc.. 848 https://doi.org/10.1557/proc-848-ff3.34

11. Zeng H, Li J, Liu JP, Wang ZL, Sun S. 2002. Exchange-coupled nanocomposite magnets by nanoparticle self-assembly. Nature. 420(6914):395-398. https://doi.org/10.1038/nature01208

12. Chen S, Kimura K. 1999. Synthesis and Characterization of Carboxylate-Modified Gold Nanoparticle Powders Dispersible in Water. Langmuir. 15(4):1075-1082. https://doi.org/10.1021/la9812828