Cadmiumsulfid Quantum Dots

Cadmiumsulfid Quantum Dots (Norbert Stock)
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Versuch K2
Cadmiumsulfid Quantum Dots
1. Grundlagen
Quantum Dots sind Nanoteilchen, die sich aufgrund ihrer Größe nicht wie Einzelmoleküle,
aber auch nicht wie Bulkmaterialien verhalten. Ihre Zusammensetzung und die geringe
Größe (einige hundert bis wenige tausend Atome) verleihen den Quantum Dots
außergewöhnliche
optische
Eigenschaften,
die
durch
eine
Veränderung
ihrer
Zusammensetzung oder der Teilchengröße variiert werden können. Quantum Dots
absorbieren Licht und reemittieren es in einer anderen Farbe. Auch andere anorganische
und organische Verbindungen zeigen dieses Phänomen der Fluoreszenz, aber Quantum
Dots zeichnen sich durch ihre Helligkeit, das symmetrische Emissionsspektrum und die
Vielzahl an auflösbaren Farben aus, die durch eine einzige Wellenlänge gleichzeitig
angeregt werden können.
Zusätzlich haben Quantum Dots viele einzigartige optische Eigenschaften, welche nur bei
diesen Materialien gefunden werden. Die herausragendste ist, daß die Farbe der Quantum
Dots, sowohl in Absorption als auch in Emission, in jede gewünschte Wellenlänge
verändert werden kann, indem einfach ihre Größe modifiziert wird (s. Abb. 1). Die
Grundlage für diese einzigartige Eigenschaft ist der Quantum Confinement Effect. Er führt
dazu, daß verschieden große Quantum Dots Licht verschiedener Wellenlänge emittieren
(s. Abb. 2). Durch Auswahl einiger weniger Halbleitermaterialien mit verschiedenen
Größen können Quantum Dots mit Farben im Spektrum von Ultraviolett bis hin zu Infrarot
hergestellt werden.
Cadmiumsulfid Quantum Dots (Norbert Stock)
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Kolloidales CdS
CdS Dots
Abbildung 1: Quantum Confinement Effekt am Beispiel von CdSe Kristalliten
Abbildung 2: Energieniveaus verschieden großer Quantumdots
Ein genereller Ansatz zur Synthese von Halbleiter-Quantum Dots ist die Umsetzung der
beiden Komponenten in einem Lösungsmittel, in dem das Produkt nur begrenzt löslich ist.
Das sich bildende Produkt beginnt sofort zu aggregieren und wird dann durch ein
passivierendes
Coating,
normalerweise
ein
geeignetes
Polymer,
umhüllt.
Die
Verhinderung der Aggregation und das Einstellen einer engen Teilchengrößenverteilung
sind die größten synthetischen Herausforderungen.
Im angeregten Zustand eines Halbleiters wie Cadmiumsulfid kommt es im Vergleich zum
Grundzustand zu einer Ladungstrennung. Wenn Licht absorbiert wird, wird ein Elektron
vom Valenzband in das Leitungsband angehoben (das entspricht einem Übergang eines
Elektrons vom Sulfid zum Cadmium). Das Elektron hinterlässt im Valenzband eine positive
Ladung, die Loch genannt wird, und erzeugt im Leitungsband eine negative Ladung. Das
Elektron-Loch-Paar (Exciton) kann mit denselben Gleichungen wie ein Wasserstoffatom
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beschrieben werden, in dem letztlich auch eine positive Ladung (Proton) mit einer
negativen (Elektron) wechselwirkt. Das Elektron-Loch-Paar wird daher auch durch einen
bevorzugten Abstand der Ladungsträger, den Bohrschen Radius, charakterisiert.
Quantum Dots sind kleiner als der Bohrsche Radius dieser Materialien. Weil die Ladungen
nicht weiter voneinander getrennt werden können als das Teilchen groß ist, werden die
Excitonen räumlich begrenzt. Die Gesetze der Quantenmechanik verlangen zwar, daß
Elektron und Loch durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der dem Bohr-Radius
entspricht, doch ist dies in den Quantum Dots nicht möglich. Dies wird durch eine höhere
Energie kompensiert. Es bedarf also einer Menge an Energie, das Exciton räumlich zu
beschränken. Die benötigte Energie kommt in einer größeren Bandlücke zum Ausdruck.
Anders ausgedrückt, wenn ein Bulk-Halbleiter Licht absorbiert, das der Energie der
Bandlücke entspricht (z. B. 900 nm), so wird er Licht kleinerer Wellenlängen (höherer
Energie) absorbieren, wenn er auf Quantum Dot-Größe verkleinert wird. Er wird also auch
Licht
kleinerer
Wellenlänge
emittieren.
Mit
sinkender
Partikelgröße
sinken
die
Wellenlängen des absorbierten und emittierten Lichts.
Aufgaben
1.
Informieren Sie sich in dem Referenzartikel 1 über Nanomaterialien, ihre Herstellung
und Einsatzmöglichkeiten.
2.
Stellen sie folgende Lösungen her:
50 ml einer 2 mM Cd(NO3)2 x 4H2O in Methanol
50 ml einer 2 mM Na2S x H2O in Methanol (Achtung! %-Angabe beachten)
25 ml einer 4.5 mM Poylethylenimin (hochmolekular Mn = 10000 g/mol) in Methanol
25 ml einer 4.5 mM Polyvinylpyrrolidon (Mn ≈ 27000 g/mol) in Methanol
3.
Stellen Sie Cadmiumsulfid Quantum Dots her:
Ein Dreihalskolben mit Rührfisch, zwei Septen und den äußeren Hälsen und einem
Stopfen auf dem mittleren, wird in ein Wasserbad bei 10°C (Wasser mit Eis kühlen) 2
Minuten vorgekühlt. Im Anschluss wird der Magnetrührer bei moderater Leistung
angestellt und 10 ml der Polyethylenimin-Lösung zupipetiert. Nach weiteren 2
Minuten Kühlung der Polymerlösung, werden alternierend mit Cd2+ beginnend die
Cd2+ und S2- Lösungen in 0.5 ml Schritten (in circa 5 Sekunden) zugegeben bis
jeweils 5 ml Lösung im Kolben sind. Nach Beendigung der Zugabe wird die Lösung
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für weitere 5 Minuten gerührt. Bei UV-Einstrahlung sollte nun eine bläuliche
Lumineszenz zu sehen sein.
4.
Stellen Sie kolloidales Cadmiumsulfid her:
In
demselben
Cadmiumsulfid
Versuchaufbau
hergestellt.
wie
Anstelle
unter
des
2.
beschrieben
wird
kolloidales
Polyethylenimin
wird
allerdings
Polyvinylpyrrolidon verwendet.
5.
Vergleichen Sie das UV/Vis-Absorptionsspektrum Ihrer Quantum Dot-Dispersion mit
dem einer Dispersion kolloidaler Cadmiumsulfidpartikel.
Protokoll
Ihr Protokoll sollte folgende Dinge enthalten:
1. Kurze Beschreibung der Darstellung Ihres Präparates.
2. Eine Abbildung des gemessenen UV/Vis-Spektrums und den Vergleich mit dem
Spektrum kolloidaler CdS-Partikel.
Gehen Sie bitte auf folgende Fragen kurz ein:
1. Warum können Sie die CdS Quantum Dots nicht sehen, bzw. warum ist die
Quantum Dot-Dispersion nicht farbig?
2. Welche Dispersion, die der Quantum Dots bzw. die des kolloidalen CdS, wird einen
Tyndall-Faraday-Effekt zeigen?
3. Wie wird eine Verschiebung des Absorptionsmaximum zu kleineren (größeren)
Wellenlängen genannt?
4. Zeichnen Sie die Strukturformel von Polyethylenimin und Polyvinylpyrrolidon.
5. Welche Rolle spielt das Polyethylenimin bei der Herstellung der Quantum Dots?
6. Nennen Sie weitere Halbleiter-Quantum Dot-Materialien.
7. Warum entstehen bei der Aufgabe 3 kolloidale Partikel und bei 2 Quantum Dots?
Literatur
[1]
A. Rössler, G. Skillas, S. E. Pratsinis, Chemie in unserer Zeit 2001, 35, 32-41.
[2]
L. D. Winkler, J. F. Arceo, W. C. Hughes, B. A. DeGraff, B. H. Augustine, J. Chem.
Educ. 2005, 82, 1700-1702.