Nanopartículas de semicondutor

Uma nanopartícula (ou nanopó ou nanocluster ou nanocristal) é uma partícula microscópica com pelo menos uma dimensão menos de 100 nm. As nanopartículas são de grande interesse científico, pois são efetivamente uma ponte entre os materiais a granel e as estruturas atômicas ou moleculares. As nanopartículas exibem várias propriedades especiais em relação ao material a granel. Nanopartículas de muitos outros materiais, incluindo metais, óxidos metálicos; carbonetos, boretos, nitretos, silício e outros semicondutores elementares estão disponíveis.
Mecanismo
Suas propriedades físicas únicas são devidas aos átomos que residem na superfície. A excitação de um elétron da banda de valência para a banda de condução cria um par de lacunas de elétrons. A recombinação pode acontecer de duas maneiras:radiativa e não radiativa, levando à recombinação radiativa para fóton e recombinação não radiativa para fônon (vibrações de rede).
Além disso, o gap gradualmente se torna maior devido aos efeitos de confinamento quântico que dão origem a energia discreta níveis, em vez de uma faixa contínua como no material a granel correspondente. Além disso, o problema de aglomeração de partículas é superado pela passivação (cobertura) dos átomos da superfície "nua" com grupos de proteção para fornecer estabilização eletrônica à superfície. O agente de cobertura geralmente assume a forma de um composto de base de Lewis covalentemente ligado aos átomos de metal da superfície.
Síntese de Nanopartículas
Existem vários métodos para a síntese de nanopartículas e a técnica de síntese é uma função do material, tamanho desejado, quantidade e qualidade da dispersão.
As técnicas de síntese são a fase de vapor (feixes moleculares, síntese de chama, etc.) e síntese em fase de solução (solução aquosa e solução não aquosa). A síntese de nanopartículas semicondutoras normalmente ocorre pela rápida redução de precursores organmetálicos em orgânicos quentes com surfactantes.
Poucas nanopartículas semicondutoras são:
II-VI:CdS, CdSe, PbS, ZnS
III-V:InP, InAs
MO:TiO2, ZnO, Fe2O3, PbO, Y2O3
Aplicativos
As nanopartículas geralmente possuem propriedades ópticas inesperadas, pois são pequenas o suficiente para confinar seus elétrons e produzir efeitos quânticos. Por exemplo, nanopartículas de ouro aparecem de vermelho escuro a preto em solução. Nanopartículas de ouro amarelo e silício cinza são de cor vermelha. Nanopartículas de ouro derretem em temperaturas muito mais baixas (~ 300 ° C para o tamanho de 2,5 nm) do que as placas de ouro (1064 ° C). A absorção da radiação solar é muito maior em materiais compostos de nanopartículas do que em filmes finos de folhas contínuas de material. Em aplicações fotovoltaicas e térmicas solares, controlando o tamanho, a forma e o material das partículas, é possível controlar a absorção solar. Nanopartículas de argila quando incorporadas em matrizes poliméricas aumentam o reforço, levando a plásticos mais fortes, verificáveis ​​por uma temperatura de transição vítrea mais alta e outros testes de propriedades mecânicas. Essas nanopartículas são duras e conferem suas propriedades ao polímero (plástico). Nanopartículas também foram anexadas às fibras têxteis para criar roupas inteligentes e funcionais.
Pesquisadores da University College of London relataram na Science que uma suspensão de nanopartículas de dióxido de titânio revestidas que podem ser pintadas com spray ou revestidas por imersão em um variedade de superfícies duras e macias, incluindo papel, tecido e vidro, produz revestimentos super hidrofóbicos que resistem ao óleo e são autolimpantes ao ar. Os revestimentos resistiram à fricção, arranhões e contaminação da superfície, fatores frequentemente exacerbados na maioria das tecnologias de autolimpeza.
Eles relatam ainda que os aditivos de nanopartículas indicam uma grande oportunidade para melhorar a eficiência energética de grandes sistemas de resfriamento industriais, comerciais e institucionais conhecidos como chillers.
Nanopartículas de prata têm propriedades óticas, elétricas e térmicas únicas e estão sendo incorporadas em produtos que variam de fotovoltaicos a sensores biológicos e químicos. Os exemplos incluem tintas condutoras, pastas e cargas que utilizam nanopartículas de prata por sua alta condutividade elétrica, estabilidade e baixas temperaturas de sinterização. Aplicações adicionais incluem diagnósticos moleculares e dispositivos fotônicos, que tiram proveito das novas propriedades ópticas desses nanomateriais. Uma aplicação cada vez mais comum é o uso de nanopartículas de prata para revestimentos antimicrobianos, e muitos tecidos, teclados, curativos e dispositivos biomédicos agora contêm nanopartículas de prata que liberam continuamente um baixo nível de íons de prata para fornecer proteção contra bactérias. (Veja mais em:http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/silver-nanoparticles.html#sthash.WGzJEuKE.dpuf)
Nanopartículas de ouro coloidal têm sido utilizadas por séculos por artistas devido às cores vibrantes produzidas por seus interação com a luz visível. Mais recentemente, essas propriedades ópticas-eletrônicas exclusivas foram pesquisadas e utilizadas em aplicações de alta tecnologia, como fotovoltaicos orgânicos, sondas sensoriais, agentes terapêuticos, administração de drogas em aplicações biológicas e médicas, condutores eletrônicos e catálise. (Veja mais em:http:/ /www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/gold-nanoparticles.html#sthash.8pgtk6eI.dpuf)
Pontos Q Nanopartículas semicondutoras também conhecidas como Q-dots são geralmente partículas de material com diâmetros na faixa de 1 a 20 nm.
Propriedades de Q - pontos
Os pontos quânticos têm alto rendimento quântico, muitas vezes 20 vezes mais brilhante, possuem espectros de emissão mais estreitos e simétricos, 100-1000 vezes mais estáveis ​​ao foto-branqueamento, possuem alta resistência à degradação foto / química e têm faixa de comprimento de onda ajustável de 400-4000 nm.
Pontos quânticos de cobertura
Devido à área de superfície extremamente alta de uma nanopartícula, há uma grande quantidade de "ligações pendentes" e ao adicionar um agente de cobertura que consiste em um semicondutor de energia de gap maior (ou menor) pode eliminar ligações pendentes e aumentar drasticamente o quantum colheita. Com a adição de CdS / ZnS, o rendimento quântico pode ser aumentado de ~ 5% a 55%
Aplicativos
Devido às suas propriedades físicas únicas, existem muitas aplicações potenciais em áreas como óptica não linear, luminescência, eletrônica, catálise, conversão de energia solar e optoeletrônica.