A equipe, liderada pelo Professor Jiwoong Yang do Departamento de Engenharia de Energia da DGIST, e em colaboração com a equipe liderada pelo Professor Jungwon Park da Escola de Engenharia Química e Biológica da Universidade Nacional de Seul, determinou a umidade (água) induzida mecanismo de degradação de pontos quânticos nanocristais semicondutores.



A equipe conjunta de pesquisa desenvolveu a plataforma de imagem de próxima geração para microscopia eletrônica de transmissão em fase líquida (TEM) in-situ, que pode ser usada para revelar os intermediários da reação e os caminhos de reação da unidade atômica que existem no processo de degradação, dando assim um passo mais perto da comercialização de pontos quânticos nanocristais.

Os pontos quânticos de nanocristais semicondutores encontram amplas aplicações em diversos campos, como bioimagem, dispositivos optoeletrônicos e catalisadores, devido às suas características vantajosas, incluindo intervalos de banda dependentes do tamanho e da forma, alta eficiência da lâmpada e largura total estreita na metade do máximo. No entanto, eles também apresentam desvantagens, como estabilidade reduzida quando expostos à umidade e ao oxigênio, em comparação com cristais semicondutores em massa.

Como resultado, numerosos estudos estão em andamento para criar pontos quânticos de nanocristais semicondutores com maior estabilidade contra o impacto da umidade e do oxigênio. No entanto, o processo de desenvolvimento enfrenta desafios porque o mecanismo específico de “degradação”, que provoca a deterioração das suas propriedades devido a factores externos, não foi totalmente explicado.

Estudos foram realizados utilizando espectrometria, espalhamento de raios X e análise de difração para identificar o mecanismo de degradação; no entanto, estes métodos só conseguiram identificar as alterações nas propriedades ópticas e físicas dos nanocristais no processo de degradação induzida pela humidade, fornecendo apenas informações médias sobre as alterações estruturais.

Além disso, existem limitações em revelar a existência de vários padrões de reação de unidades atômicas e intermediários de reação que podem ocorrer em nanopartículas individuais, pois é difícil determinar o mecanismo de mudança estrutural de nanocristais individuais.

Assim, a equipe do professor Jiwoong Yang na DGIST desenvolveu um método usando TEM em fase líquida in-situ, permitindo a observação do processo de reação de nanopartículas individuais em tempo real. Em particular, foram necessárias células líquidas capazes de controlar a reação e gerar imagens de ultra-alta resolução em tempo real para identificar o mecanismo de degradação induzido pela umidade.

Para isso, a equipe desenvolveu “células líquidas de próxima geração baseadas em grafeno” que possuem ambas as funções. Estas células líquidas de última geração são projetadas para controlar a mistura de dois líquidos diferentes através de membranas de grafeno extremamente finas.

Além disso, foram realizadas pesquisas para revelar o mecanismo de degradação usando "sulfeto de cádmio (CdS)", que é um método de cristalização bem conhecido para pontos quânticos nanocristais. Os resultados revelaram que nanocristais semicondutores de "sulfeto de cádmio (CdS)" sofrem decomposição formando intermediários amorfos compostos por Cd (OH) x durante o processo de degradação.

Além disso, a presença deste intermediário amorfo leva a uma estrutura superficial cristalina de formato irregular no meio da reação, o que é diferente do mecanismo de degradação previamente estudado de nanocristais metálicos. Isto confirmou a importância de proteger a superfície dos nanocristais semicondutores, uma vez que a degradação estrutural dos nanocristais semicondutores induzida pela humidade é irreversível e inicia-se a partir da superfície.

"A degradação induzida pela umidade tem sido um fator chave que causa dificuldades na comercialização de pontos quânticos de nanocristais semicondutores", afirmou o professor do DGIST, Jiwoong Yang. “Espera-se que o mecanismo de degradação revelado neste estudo contribua significativamente para o desenvolvimento futuro de materiais quânticos.”

O artigo foi publicado na revista ACS Nano .

Mais informações: Hyeonjong Ma et al, Degradação induzida por umidade de nanocristais semicondutores de tamanho quântico por meio de intermediários amorfos, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c03103
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido por DGIST (Instituto de Ciência e Tecnologia Daegu Gyeongbuk)