Method Article
提出了一种合成37 p20 (o2c14h27)51簇及其转化为磷化铵量子点的协议.
本文提出了一种在37p20 (o2c14h27)51簇中合成并将其转化为磷化铵量子点的方法.在 37 p20(o2cr) 中, 在合成分子前体的 inp 量子点 (in(o2cr)3、Ho2cr 和 p (sime3) 3 中, 观察到51个簇为中间体.), 并可作为纯试剂进行隔离, 以便随后进行研究和用作单一来源的前体。在不存在200°c 以上的额外前体的情况下, 当受到热解条件下的情况下, 这些团簇很容易转换为准球形 InP 量子点的结晶和相对单分散样本。利用紫外可见光谱、光致发光光谱、透射电子显微镜和粉末 x 射线衍射, 确定了星团和量子点的光学特性、形貌和结构。溶解度 31 p 核磁共振光谱还证实了簇的分子对称性。该协议演示了原子精确 InP 集群的制备和隔离, 以及它们对 InP Qd 的可靠和可扩展的转换。
胶体半导体量子点在过去三十年中的合成发展速度加快, 因为它们在各种光电应用中具有潜力, 包括显示器1、固态照明2、 3、生物成像4, 5, 催化6,7, 和光伏 8,9, 10.鉴于它们最近在宽色色域显示器领域的商业成功, 预计到 2028 11, 量子点市场将超过160亿美元.在过去几年中, 随着开始寻找毒性较小、无镉和无铅的替代品用于高度分布式电子应用, 材料重点从 ii-vi (和 II-VI) 显著转向 III-V 家族。特别是磷化铵已被确定为 CdSe12 的主要替代品。然而, 已经很明显的是, 基于 inp 的量子点的优化更加困难, 并不总是受益于更成熟的硫化材料所使用的相同方法。这主要是因为 InP 纳米粒子的成核和生长剖面遵循非经典的两步机制13。由于被称为 "神奇大小" 的 14、15、16的局部稳定、原子精确中间体的中介作用而被调用。特别是在37p20(o2cr) 中,51已被确定为从 p (sime3)3、羧酸和羧酸17合成 inp 的关键、可隔离中间体.
这种中间体在反应坐标上的存在对 InP 纳米结构的生长有许多明显的影响。聚类中间体本身的存在使基于 La Ber 模型的传统成核和生长概念失效, 并意味着优化浓度、温度和前体等反应条件可能无法充分实现统一的集成属性。相反, 事实表明, 使用 InP 聚类作为单源前体导致具有窄光学特性13的高单分散量子点。最近的文献表明, 单分散性并不是限制 InP 与其他光电材料的奇偶校验的唯一因素。表面缺陷、氧化和合金化是仍在进行的关键因素, 需要对优化的 inp 架构进行重大创新, 即 19、20、21、22、 23,24。集群的原子精确性质, 如37p20(o2cr)51, 使它们成为探索许多合成后表面修改的后果的理想平台。通常情况下, 纳米粒子的整体不均匀性使得确定表面和成分效应变得困难, 但由于已知 InP 的聚类在原子上是精确的, 在合成和晶体学上都是理想的模型系统。
在37p20(o2cr)51簇的合成是没有比合成更广泛使用的纳米粒子, 如 Cdse, pbs, 或 zno 更困难。它只需要标准的玻璃器皿、广泛提供的化学品, 以及无气施伦克和手套箱技术的基本知识。该程序本身可以在克的规模和产量超过90%。正如我们将展示的, InP 集群的成功合成并不是 "神奇" 的, 而是基本面的练习。纯试剂、干燥玻璃器皿、适当的无空气技术和对细节的关注是访问这个原子精确纳米簇所需要的一切。此外, 我们还阐述了将其转换为尺寸分布较窄的高晶 InP 量子点的理想方法。
注意: 应始终佩戴适当的个人防护设备, 并在使用前阅读每种化学品的材料安全数据表 (MSDS)。所有步骤都应在无空气的情况下完成, 因为将星团暴露在空气和水中会使星团退化或阻止适当的形成。任何反应瓶打开空气的点, n2 都应大力流动 , 在烧瓶中的试剂上形成保护毯。所有使用的 N2 的纯度应为99.9% 或更高。
1. 分子前体的制备
2.37p20(o2cr)中的合成51
3. 在37p20(o2 cr) 的处理51
注: 净化步骤中使用的所有溶剂均为无水溶剂, 并将其储存在 N2填充手套箱中的4英寸上。
4. 采用 37 p20 (o2cr)51作为单源前体的 inp量子点的合成
注: 磷化铵量子点可以通过加热或热注射的方法从纯化的 InP 簇合成。
5.37p20(o2cr)51和 inp 量子点的表征
利用紫外-可见吸收和 PL 光谱、XRD、TEM 和核磁共振光谱对 INP 簇和量子点进行了表征。对于 InP 簇, 观察到非对称吸收特性, 峰值最大值为 386 nm (图 1a)。尽管样品具有真正的单分散性, 但这个最低的能量峰值显示出广泛的线宽, 随着温度的降低而变窄。这归因于一组离散的电子跃迁, 这些过渡特定于低对称纳米簇晶格17的振动运动.尽管缺乏明显的陷阱状态, 而不是由于不协调的或磷离子而产生, 但在298k 时的集群中没有明显的 PL QY。
非化学计量, 内富聚类 (其中 In 是1.85:1 的比例相对于磷) 导致的结构既不对应于锌 blende, 也不对应于体积 InP 的 wurzite XRD 模式 (图 1b)。相反, InP 簇获得了一个低对称性的伪 c2v 结构, 最好用一组相交的多边形单元 25来描述.核心直径在1-2 纳米范围内, 具体取决于从哪个轴查看它 (图 1c)。这种低对称结构反映在聚类的溶解度 31 p 核磁共振谱中。Myri 上限 InP 簇的31p 核磁共振光谱显示11个不同的峰 (c2轴上的 2个 P 原子, 每个峰给出一个唯一的峰值, 其余的 18 p 都有一个对称等价, 导致另外9个峰值, 范围从-256 到-311 不等ppm (图 1d)26。在 31p 核磁共振谱中观察到的宽度随溶剂和浓度的变化而变化, 以及最近在相关纳米系统27中所描述的纯化方法.
使用此处描述的方法从聚类中合成的 InP QDs 的光谱显示564纳米的最低能量激发跃迁 (LEET) 和 564 nm 的相应 pl 发射峰值, 全宽为最大值为52纳米, 陷阱发射在52nm 时明显更红的波长 (图 2a)。值得注意的是, 虽然两种合成方法 (加热和热注入) 的年产量 (加热和热注入) 具有相当的光学质量, 但热注射方法通常会导致样品在高温下快速成核, 从而具有较高的单分散性。13. 在没有进一步表面处理 (炮击、c-蚀刻或刘易斯酸协调) 的情况下直接从合成中获得的典型低 pl 量子产量是由存在于表面的孔和电子陷阱混合而产生的。这些纳米晶体18,28。生成的 InP Qd 的 XRD 模式证实了锌的 blende 相 (图 2b)。XRD 数据中的峰值展宽是由于高晶结构的有限尺寸造成的, 在 InP QDs 的情况下, 其直径为 3.1 nm +/-0.5 nm (图 2c, 在参考13中可以找到大小直方图)。
图1。InP 集群的代表性特征数据.(A) inp 簇的 uv-vis 谱。(B) 纯化的 inp 簇的 xrd 模式显示与预期的块状锌 blende (黑色痕量) 和 wurtzite (灰色痕量) inp 模式的偏差。(C) 隔离 inp 簇的透射电镜图像。(D) 31p Nmr 频谱的 Inp 频谱收集在 202 Mhz在 C6 d6在 298 k. 请点击此处查看此数字的较大版本.
图2。从 InP 簇制备的 InP 量子点的代表性表征数据.(A) 利用热注入协议从 myristate-capped 壳型 inp 簇制备的 Inp qds 的 Uv-vis (固体) 和 pl (点状) 谱。(B) 纯化 Inp qd 的 xrd 模式与散装锌 Blende inp 模式吻合。(C) 利用热注入协议从集群中生长的 inp qd 的 tem 图像。请点击这里查看此图的较大版本.
InP 魔法大小的簇的合成及其转换为量子点遵循简单的过程, 这些过程已被证明能够持续地产生高质量的样品。合成和分离 InP 簇作为中间体的能力在使这些纳米结构进行修饰方面具有明显的优势, 这些修饰可以有很好的特征, 因此可以纳入最终的 Qd。集群的原子精确特性和高重现性为在 InP 系统和开门的表面修改、缺陷和合金化方面的创新研究提供了一个平台, 适用于各种应用, 如显示器、固态照明、催化和光伏发电。
在 InP 簇的合成中, 所有试剂都必须纯度高并彻底干燥, 因为合成的成功取决于无水和空气的实验条件以及前体的纯度, 从而在高产中实现均匀增长。此外, 建议在处理 P (SiMe 3) 3时采取足够的预防措施, p (SiMe3)3是感光性和高热量的。这种试剂应储存在无光、空气和无水的环境中, 并应谨慎行事, 以防止反应前和反应期间的空气和水暴露。为了使集群有效生长, 温度范围应为 100-110°c;在室温下, 生长极其缓慢, 较高的温度会导致根据温度的不同大小转化为不同大小的量子点。所提供的协议具有高度的可扩展性和通用性, 允许通过广泛的参数进行综合控制和修改。作为 InP 簇及其后的 QDs 配体的肌酸可以被苯乙酸、油酸或其他短链和长链羧酸所取代。在具有轻微扰动吸收特征 (红移和 /或加宽) 的 inp 簇溶液中添加 p (sime3) 3 后, 观察到会产生尺寸聚焦效应, 即消耗过量的在吸收光谱29中, myristate 会产生 ~ 3 纳米的蓝链。
我们的实验室对集群的纯化方法进行了经过经验优化, 以避免氧化, 并尽可能分离出最高的产量。乙腈作为抗溶剂的选择及其与甲苯的体积比实现了这些目标。最后, 这些集群被重新悬浮在最小数量的甲苯和离心, 以消除任何固体杂质, 可能导致在合成过程中。从最终溶液中去除甲苯可提供一种黄色糊状物, 在无气和无水条件下可储存至少36个月。在准备用于对纯化产品进行表征的核磁共振样品时, 还应注意到, 31p nmr 光谱中11个不同共振的精确化学变化取决于前体的特性。此外, 纯化不足和集群浓度的变化会导致线宽。为了获得具有锐利特征的清洁光谱, 建议将至少40毫克的集群溶解在少量的无水c 6d6 (~ 0.7 ml) 中。
同样, 通过集群合成 InP QDs 必须在无水和无空气条件下进行。先前的研究表明, 在前体中存在水, 加上微量的水或氢氧化物, 会导致 InP QDs 的生长和最终产物25的表面化学发生重大变化。在以与协议所述不同的规模运行反应时, 应注意的是, 对于热注入法, 注射的聚类溶液应充分集中, 与协议中的加热溶剂相比, 体积应更小。烧瓶。这是为了最大限度地减少温度的突然下降, 因为反应温度分布在合成中起着不小的作用。最近报告了关于 InP 簇转化为 QDs 的详细工作, 探讨了添加不同前体 (即羧酸、羧酸)、温度和浓度的影响 30.通过这些研究表明, > 220°C 的热解温度是获得最佳质量 Qd 的高产量所必需的。InP QDs 的纯化遵循上述类似的逻辑和过程, 对于集群, 除了建议将纯化的 QDs 储存在甲苯等溶剂的溶液中。在固体形式, QDs 已被观察到形成聚集体随着时间的推移, 防止均匀的胶体分散。关于该协议的最后一个注意事项是, 在合成 InP QDs 后, 通过真空蒸馏去除 1-octadecene, 而不是仅仅通过沉淀-再溶解, 是推荐的 QD 纯化的第一步。这是为了限制处理中所需的溶剂体积, 因为残留的 ODE 可能与长链羧酸配体壳体交织在一起, 给表征和后续使用的样品制备带来困难。
我们已经证明了原子精确的 InP 魔法大小簇的合成和表征, 在37p20 (o2cr)51, 并将其用作单源前体合成 inp 量子点使用两个加热和热注射方法。所报道的 InP 簇合成是通用的, 可以推广到广泛的烷基羧酸配体。从星系团合成 InP QDs 为合成这些具有高质量的具有高质量的纳米结构提供了一种高度可重复的方法。通过对集群本身进行合成后的修改, 以及对集群进行量子点转换策略的工程, 进一步阐述这种方法的机会比比皆是。正因为如此, 我们相信这些方法对于合成用于显示和照明应用的 InP 和相关的发射材料是有用的, 并且在技术上具有潜在的意义。
作者没有什么可透露的。
我们感谢国家科学基金会在 che-1552164 赠款下对本手稿中提出的原始合成和表征方法的支持。在编写本手稿的过程中, 我们感谢以下支持学生和博士后工资的机构: 纳永公园 (国家科学基金会, che-15512164)、麦迪逊·莫纳汉 (美国能源部、科学办公室、基础办公室)能源科学, 作为能源前沿研究中心项目的一部分: cssas----DE-SC001919288 奖中的跨尺度合成科学中心)、Andrew Ritchhart (国家科学基金会, che-15212164)、Max r. frifeld (华盛顿)研究基金会)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetonitrile, anhydrous, 99.8% | Sigma Aldrich | 271004 | Dried over 4Å sieves |
Adapter, Airfree, 14/20 Joint, 0 - 4mm Chem-Cap (T-adapter) | Chemglass Life Sciences LLC | AF-0501-01 | |
Adapter, Inlet, 14/20 Inner Joint | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1014-14 | |
Bio-Beads S-X1, 200-400 mesh | Bio-Rad Laboratories | 152-2150 | |
Cary 5000 UV-Vis-NIR | Agilent | ||
Column, Chromatography, 24/40 Outer Joint, 3/4in ID X 10in E.L., 2mm Stpk | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1188-06 | |
Condenser, Liebig, 185mm, 14/20 Top Outer, 14/20 Lower Inner, 110mm Jacket Length | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1218-A-20 | |
Distilling heads, short paths, jacketed | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1240 | |
Eppendorf Microcentrifuge 5430 | Fisher Chemical | 05-100-177 | |
Falcon 15mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Chemical | 14-959-49B | |
Flask, Round Bottom, 50mL, Heavy Wall, 14/20 - 14/20, 3-Neck, Angled 20° | Chemglass Life Sciences LLC | CG-1524-A-05 | |
ImageJ | Developed at National Institutes of Health and the Laboratory for Optical and Computational Instrumentation | Open source Java image processing program | |
Indium acetate, 99.99% | Sigma Aldrich | 510270 | |
Myristic acid, 99% | Sigma Aldrich | M3128 | |
Temperature controller | Fisher Chemical | 50 401 831 | |
Thermometers, non-mercury, 10/18 | Chemglass Life Sciences LLC | CG-3508-N | |
Thermowell, 14/20 Inner Jt, 1/2" OD above the Jt, 6mm OD Round Bottomed Tube below the Jt, for 25ml RBF | Chemglass Life Sciences LLC | UW-1205-171JS | Custom ordered |
Toluene, anhydrous, 99.8% | Sigma Aldrich | 244511 | Dried over 4Å sieves |
Trimethylindium, 98% | Strem | 49-2010 | Heat sensitive, moisture sensitive |
Tris(trimethylsilyl)phosphine | Ref #31, 32 | Pyrophoric | |
Ultrathin Carbon Film on Lacey Carbon Support Film, 400 mesh, Copper | Ted Pella Inc. | 1824 | |
Vacuum gauge 1-STA 115VAC 60Hz | Fisher Chemical | 11 278 | |
Vacuum pump 115VAC 60Hz | Fisher Chemical | 01 096 | |
1-Octadecene (ODE), 90% | Sigma Aldrich | O806 | Technical grade, distilled and dried over 4Å sieves |
An erratum was issued for: Synthesis of In37P20(O2CR)51 Clusters and Their Conversion to InP Quantum Dots. The Representative Results were updated.
The fifth sentence in the second paragraph of the Representative Results was updated from:
The 31P NMR spectrum of myristate-capped InP clusters shows 11 distinct peaks (2 P atoms on the C2 axis that each give a unique peak and the remaining 18 P each have a symmetry equivalent, resulting in an additional 9 peaks) ranging from -256 to -311 ppm (Figure 1d)26.
to:
The 31P NMR spectrum of myristate-capped InP clusters shows 11 distinct peaks (2 P atoms on the C2 axis that each give a unique peak and the remaining 18 P each have a symmetry equivalent, resulting in an additional 9 peaks) ranging from -187 to -242 ppm (Figure 1d)26.
Figure 1 in the Representative Results was updated from:
to:
请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形
请求许可This article has been published
Video Coming Soon
版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有,本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。