Araştırma ekibi, su neminin neden kuantum kristallerini etkilediğini ortaya koyuyor

DGIST Enerji Mühendisliği Bölümü’nden Profesör Jiwoong Yang liderliğindeki ekip ve Seul Ulusal Üniversitesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Okulu’ndan Profesör Jungwon Park liderliğindeki ekiple işbirliği içinde nem- (su-) kaynaklı yarı iletken nanokristal kuantum noktalarının bozunma mekanizması.

Ortak araştırma ekibi, bozunma sürecinde var olan reaksiyon ara ürünlerini ve atomik birim reaksiyon yollarını ortaya çıkarmak için kullanılabilen yerinde sıvı faz transmisyon elektron mikroskobu (TEM) için yeni nesil görüntüleme platformunu geliştirdi ve böylece bir adım attı nanokristal kuantum noktalarının ticarileştirilmesine daha yakın.

Yarı iletken nanokristal kuantum noktaları, boyut ve şekle bağlı bant boşlukları, yüksek lamba verimliliği ve yarı maksimumda dar tam genişlik dahil olmak üzere avantajlı özellikleri nedeniyle biyogörüntüleme, optoelektronik cihazlar ve katalizörler gibi çeşitli alanlarda kapsamlı uygulamalar bulmaktadır. Bununla birlikte, yığın yarı iletken kristallere kıyasla neme ve oksijene maruz kaldıklarında stabilitenin azalması gibi dezavantajlar da sergilerler.

Sonuç olarak, nem ve oksijenin etkisine karşı gelişmiş kararlılığa sahip yarı iletken nanokristal kuantum noktaları oluşturmak için çok sayıda çalışma devam etmektedir. Bununla birlikte, geliştirme süreci, dış etkenler nedeniyle özelliklerinin bozulmasına neden olan spesifik “bozunma” mekanizması tam olarak açıklanamadığı için zorluklarla karşılaşmaktadır.

Bozunma mekanizmasını belirlemek için spektrometri, X-ışını saçılması ve kırınım analizi kullanılarak çalışmalar yapılmıştır; bununla birlikte, bu yöntemler yalnızca neme bağlı bozunma sürecinde nanokristallerin optik ve fiziksel özelliklerindeki değişiklikleri tanımlayabilir ve yapısal değişiklikler hakkında yalnızca ortalama bilgi sağlayabilir.

Ayrıca, tek tek nanokristallerin yapısal değişim mekanizmasını belirlemek zor olduğundan, bireysel nanoparçacıklarda meydana gelebilecek çeşitli atomik birim reaksiyon modellerinin ve reaksiyon ara ürünlerinin varlığını ortaya çıkarmada sınırlamalar vardır.

Buna göre, Profesör Jiwoong Yang’ın DGIST’teki ekibi, yerinde sıvı fazlı TEM kullanan ve bireysel nanoparçacıkların reaksiyon sürecinin gerçek zamanlı olarak gözlemlenmesini sağlayan bir yöntem geliştirdi. Özellikle, neme bağlı bozunma mekanizmasını tanımlamak için hem reaksiyon kontrolü hem de gerçek zamanlı ultra yüksek çözünürlüklü görüntüleme yapabilen sıvı hücrelere ihtiyaç vardı.

Bu amaçla ekip, her iki işleve de sahip olan “grafen bazlı yeni nesil sıvı hücreler” geliştirdi. Bu yeni nesil sıvı hücreler, son derece ince grafen zarları aracılığıyla iki farklı sıvının karışımını kontrol etmek için tasarlanmıştır.

Ayrıca, nanokristal kuantum noktaları için iyi bilinen bir kristalleştirme yöntemi olan “kadmiyum sülfit (CdS)” kullanılarak bozunma mekanizmasını ortaya çıkarmak için araştırmalar yapılmıştır. Sonuçlar, “kadmiyum sülfit (CdS)” yarı iletken nanokristallerin, bozunma işlemi sırasında Cd(OH)x’ten oluşan amorf ara maddeler oluşturarak ayrışmaya uğradığını ortaya koydu.

Ayrıca, bu amorf ara maddenin varlığı, metal nanokristallerin daha önce üzerinde çalışılan bozunma mekanizmasından farklı olarak, reaksiyonun ortasında düzensiz şekilli bir kristal yüzey yapısına yol açar. Yarı iletken nanokristallerin neme bağlı yapısal bozunması geri döndürülemez olduğundan ve yüzeyden başladığından, bu, yarı iletken nanokristallerin yüzeyinin korunmasının önemini doğruladı.

DGIST Profesörü Jiwoong Yang, “Nem kaynaklı bozulma, yarı iletken nanokristal kuantum noktalarının ticarileştirilmesinde zorluklara neden olan önemli bir faktör olmuştur” dedi. “Bu çalışmada ortaya çıkarılan bozunma mekanizmasının, kuantum malzemelerinin gelecekteki gelişimine önemli ölçüde katkıda bulunması bekleniyor.”

Makale dergide yayınlandı ACS Nano.