Precipitação seletiva de tamanhos em nanopartículas semicondutoras coloidais de CdTe e CdSe: um estudo por espectroscopia UV-VIS

The post-preparative size-selective precipitation technique was applied in CdTe and CdSe semiconductor nanocrystals prepared via colloidal route in water. The synthesis of CdTe and CdSe nanoparticles and the effect of the post-preparative size-selective precipitation have been characterized mainly by mean of ultraviolet and visible absorption spectroscopy (UV-Vis). It was demonstrated that the size-selective precipitation are able to isolate particles of different sizes and purify the nanoparticles as well.

Non-linear photoluminescence from purified aqueous PbS nanocrystals

A simple and effective method for purifying photoluminescent water-soluble surface passivated PbS nanocrystals has been developed. Centrifuging at high speeds removes PbS nanocrystals that exhibit strong red band edge photoluminescence from an original solution containing multiple nanocrystalline species with broad photoluminescence spectra. The ability to purify the PbS nanocrystals allowed two-photon photoluminescence spectroscopy to be performed on water-soluble PbS nanocrystals and be attributed to band edge recombination. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

The Application of Fluorescent Nanocrystals to Study the Distribution of Neuropeptides in the Aedes Aegypti Mosquito

Semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots (QDs), have been used in studies involving mice and human tissues, but never before in research on insects. We used QDs to study the distribution of two neuropeptides in the Aedes aegypti mosquito, the vector of both dengue and yellow fever. These neuropeptides play a significant role in the production of juvenile hormone, a hormone that controls biting behavior, metamorphosis, and reproduction throughout the life of the mosquito. The two neuropeptides allatostatin-C (AS-C) and allatotropin (AT) function as inhibitory (AS-C) and stimulatory (AT) regulators of juvenile hormone synthesis in the corpus allatum gland. In other insects, they also affect heart rate, gut movement, and nutrient uptake. Conjugating these neuropeptides to quantum dots via a streptavidinlbiotin link, we were able to expose the mosquito corpus allatum and abdomen to allatostatin-C and allatotropin and then to visualize their distribution under UV light using confocal and compound light microscopy. Histological sections of the whole mosquito, incubations of tissues with conjugates (in vitro), and microinjections of conjugates into the mosquito (in vivo) were performed. The results showed that quantum dots can be used to detect neuropeptide distribution in the mosquito. The more we understand about these neuropeptides and juvenile hormone, the more we can contribute to stopping the spread of infectious diseases, such as dengue and yellow fever.

Sintesis por implantacion ionica de nanocristales semiconductores para dispositivos en tecnologia de Si

En este artículo se estudia la síntesis de nanocristales semiconductores elementales y compuestos elaborados por implantación iónica en SiO2. En el caso de los nanocristales de Si, se ha desarrollado un estudio sistemático que correlaciona las características de los precipitados y sus propiedades de luminiscencia. Nanopartículas de Ge, que presentan menor emisión pero mayor contraste en Microscopía Electrónica de Transmisión, han sido fabricadas para desarrollar un nuevo método de medida de la densidad de nanocristales en matrices amorfas. Por otro lado, nanopartículas de ZnS dopadas con Mn han sido elaboradas por primera vez con esta técnica, observando la emisión de un pico de luminescencia característico de una transición intra-Mn. Finalmente, se presentan los primeros resultados ópticos de capas coimplantadas con Si+ y C+, que muestran la presencia de tres picos intensos de luminescencia en las regiones roja, verde y azul del espectro visible, que ha sido relacionada con la presencia de diferentes tipos de nanopartículas. Cabe destacar que la emisión simultánea de los tres picos ha permitido la observación de una intensa emisión de luz blanca.

Nanocrystalline SnO2 by liquid pyrolisis

Liquid pyrolysis is presented as a new production method of SnO2 nanocrystalline powders suitable for gas sensor devices. The method is based on a pyrolytic reaction of high tensioned stressed drops of an organic solution of SnCl4·5(H2O). The main advantages of the method are its capability to produce SnO2 nanopowders with high stability, its accurate control over the grain size and other structural characteristics, its high level of repeatability and its low industrialization implementation cost. The characterization of samples of SnO2 nanoparticles obtained by liquid pyrolysis in the range between 200ºC and 900ºC processing temperature is carried out by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, Raman and X-ray photoelectron spectroscopy. Results are analyzed and discussed so as to validate the advantages of the liquid pyrolysis method.

Polarization strategies to improve the emission of a Si-based light source emitting at 1.55 um

We present a electroluminescence (EL) study of the Si-rich silicon oxide (SRSO) LEDs with and without Er3+ ions under different polarization schemes: direct current (DC) and pulsed voltage (PV). The power efficiency of the devices and their main optical limitations are presented. We show that under PV polarization scheme, the devices achieve one order of magnitude superior performance in comparison with DC. Time-resolved measurements have shown that this enhancement is met only for active layers in which annealing temperature is high enough (>1000 ◦C) for silicon nanocrystal (Si-nc) formation. Modeling of the system with rate equations has been done and excitation cross-sections for both Si-nc and Er3+ ions have been extracted.

Propriedades ópticas de nanopartículas de halogenetos de cobre preparadas in situ em filmes híbridos de sílica

The sol-gel process is a technique based on the hydrolysis and polycondensation of metal alkoxides have been investigated as an alternative for the preparation of vitreous or glassceramic materials, for allowing the obtaining of high-purity materials at low temperatures, and to obtain hybrid materials with different compositions. When ORMOSILs are doped with nanoparticles, are called nanocomposites, and its functionality arises when electrons confined in scale three-dimensional structures near zero are excited. In principle, such materials exhibit discrete energy level, with peaks in the absorption spectrum. Therefore, the glasses doped semiconductor nanocrystals are important candidates for the preparation of optical filters with sharp cut-off, and are being exploited commercially for coloring glasses. This study evaluates the optical properties presented by hybrid films of silica doped with copper nanoparticles. The matrix was prepared using the alkoxides 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS) and tetraethylorthosilicate (TEOS) doped with Cu2O and hydrolyzed under reflux conditions in two different acidic conditions (HCl and HBr). After thermal treatment at temperatures between 100 °C and 170 °C and/or under the action of commercial black light radiation, CuCl and CuBr present in the hybrid film are transformed into nanoparticles of CuCl or CuBr. The UV-VIS absorption identified the absorption bands, and its variation

Temperaturabhängige Fluoreszenzdynamik einzelner Halbleiternanokristalle

In der vorliegenden Arbeit wurde die Fluoreszenzdynamik einzelner CdSe-Halbleiternanokristalle und isolierter Nanokristall/Farbstoff-Komplexe untersucht. Dazu wurde ein konfokales Mikros­kop aufgebaut, mit dem Spektren und Zerfallskurven einzelner Fluorophore bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen bis zu 1.4 Kelvin gemessen werden konnten. Mit diesem Aufbau konnten erstmals Fluoreszenz­lebenszeiten einzelner Nanokristalle mit der Methode des zeit­korre­lierten Einze­lphotonen­zählens (timecorrelated single photon counting, TCSPC) bei Raumtemperatur und später auch bei tiefen Temperaturen bestimmt werden. Zur Auswertung der Daten wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Fluoreszenzdynamik aus den exponentiellen oder nicht-exponentiellen Zerfallskurven zu extrahieren. Die Interpretation der berechneten Ratenverteilung lässt auf eine Korrelation zwischen der Fluoreszenzintensität und der Fluoreszenzlebensdauer schließen, deren Ursache auf Quenchermoleküle zurückgeführt wird. Mit geringer werdender Fluoreszenzintensität zerfallen die Abkling­kurven schneller und die Lebensdauern sind breiter verteilt. Messungen bei tiefen Temperaturen ermöglichte es zusätzlich die exzitonische Feinstruktur des Nanokristalls genauer zu Untersuchen. Hier zeigt sich eine deutliche Unterscheidung zwischen einer langsamen, temperaturabhängigen Zerfallskomponente (mit Zerfalssraten bis in den Mikrosekundenbereich) und einer schnellen, temperaturunabhängigen Zerfallsrate. Die gemessenen Ratenverteilungen bestätigten die berechneten theoretischen Zerfallsraten, jedoch auch weitere, mit bisherigen theoretischen Modellen nicht vereinbare, Raten. Schließlich wurden noch der Energietransfer zwischen Nanokristall-Farbstoffmolekül-Komplexen untersucht. Gemessene Abklingkurven der Nano­kristall-Komponente bei 2 Kelvin wiesen gegenüber dem isolierten Nanokristall keine entsprechenden langsamen Zerfallsraten auf.

Hydrophobe und hydrophile Beladung polymerer Vesikel

Polymere Vesikel, gebildet durch Selbstorganisation des amphiphilen Blockcopolymers Polybutadien-b-Polyethylenoxid in Wasser, wurden in der vorliegenden Arbeit erfolgreich mit hydrophoben und hydrophilen Substraten beladen und detailliert charakterisiert. Über verschiedene Präparationsmethoden sind unilamellare PB130-PEO66-Vesikel unterschiedlicher Größen und Verteilungsbreiten zugänglich, die aber alle eine konstante hydrophobe Schalendicke von etwa 15nm aufweisen, wie aus TEM-Messungen hervorgeht. Die hydrophoben Farbstoffe Oil Red EGN, Oil Blue N, Nilrot sowie ein Perylen-Derivat wurden in diese hydrophobe Schale eingelagert. Durch Absorptions-, Emissions-, (cryo)TEM- und Fluoreszenzmikroskopie-Messungen konnte gezeigt werden, dass die selbstorganisierte Struktur durch die Einlagerung der hydrophoben Farbstoffe in die Schale nicht beeinflusst wird. Als zusätzliche hydrophobe Modell-Substrate wurden Halbleiter-Nanokristalle, sogenannte Quantum Dots (QDs, d=5.7nm), erfolgreich in die polymere Vesikelschale eingelagert und durch Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) in Kombination mit dynamischer Lichtstreuung (DLS) nachgewiesen. Die Position der QDs in der Mitte der polymeren Doppelmembran konnte durch cryogene TEM-Abbildungen aufgezeigt werden. Darüber hinaus wurde die hydrophile Beladung des Vesikelkerns mit dem wasserlöslichen Farbstoff Phloxin B erfolgreich realisiert.

Multicomponent nanodevices based on molecular and nanocrystal moieties

Nanoscience is an emerging and fast-growing field of science with the aim of manipulating nanometric objects with dimension below 100 nm. Top down approach is currently used to build these type of architectures (e.g microchips). The miniaturization process cannot proceed indefinitely due to physical and technical limitations. Those limits are focusing the interest on the bottom-up approach and construction of nano-objects starting from “nano-bricks” like atoms, molecules or nanocrystals. Unlike atoms, molecules can be “fully programmable” and represent the best choice to build up nanostructures. In the past twenty years many examples of functional nano-devices able to perform simple actions have been reported. Nanocrystals which are often considered simply nanostructured materials, can be active part in the development of those nano-devices, in combination with functional molecules. The object of this dissertation is the photophysical and photochemical investigation of nano-objects bearing molecules and semiconductor nanocrystals (QDs) as components. The first part focuses on the characterization of a bistable rotaxane. This study, in collaboration with the group of Prof. J.F. Stoddart (Northwestern University, Evanston, Illinois, USA) who made the synthesis of the compounds, shows the ability of this artificial machine to operate as bistable molecular-level memory under kinetic control. The second part concerns the study of the surface properties of luminescent semiconductor nanocrystals (QDs) and in particular the effect of acid and base on the spectroscopical properties of those nanoparticles. In this section is also reported the work carried out in the laboratory of Prof H. Mattoussi (Florida State University, Tallahassee, Florida, USA), where I developed a novel method for the surface decoration of QDs with lipoic acid-based ligands involving the photoreduction of the di-thiolane moiety.

Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

Emissions- und Anregungsspektroskopie einzelner Halbleiternanokristalle bei kryogenen Temperaturen

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die Synthese und Charakterisierung nanoskopischer Objekte zu einem wichtigen Forschungszweig entwickelt. Insbesondere die Größenabhängigkeit optischer Eigenschaften in Halbleiternanokristallen eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. Das Verständnis der größenabhängigen elektronischen Struktur derartiger Nanokristalle ist ein interessantes Feld der Grundlagenforschung, da sie den Übergang vom Atom zum makroskopischen Material repräsentieren. Die Einzigartigkeit eines jeden Nanokristalls aufgrund von Inhomogenitäten in Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit erfordert die Untersuchung der elektronischen Struktur mittels der Spektroskopie einzelner Nanokristalle.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde die Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie einzelner CdSe/ZnS-Nanokristalle bei kryogenen Temperaturen etabliert und für Partikel verschiedener Größen eingesetzt. Hierzu wurde zunächst ein konfokales Mikroskop aufgebaut, das die Spektroskopie einzelner Emitter in einem Temperaturbereich von 1.4 K bis Raumtemperatur ermöglicht. Die zur Anregungsspektroskopie angewendete Methode erlaubte die Untersuchung des vollen Spektralbereichs des 1S3/2-1Se-Exzitons, der sogenannten exzitonischen Feinstruktur. Obwohl es sich bei dem niederenergetischsten Übergang um einen verbotenen Übergang handelt, konnte dieser regelmäßig detektiert werden. Die Energieseparationen der beiden niederenergetischsten Übergänge wurden in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des etablierten EMA-Modells gefunden. Für die weiteren Übergänge zeigten die Experimente, dass deren Energiedifferenz zum niederenergetischsten Übergang vom EMA-Modell unterschätzt wird. Abschließend wurde die Polarisationsabhängigkeit der Übergänge in verschiedene Zustände der exzitonischen Feinstruktur untersucht, wobei theoretische Vorhersagen der relativen Orientierung der Übergangsdipole der beiden niederenergetischsten Zustände bestätigt werden konnten.rn

Quantum dot / optical protein bio-nano hybrid system biosensing

The integration of novel nanomaterials with highly-functional biological molecules has advanced multiple fields including electronics, sensing, imaging, and energy harvesting. This work focuses on the creation of a new type of bio-nano hybrid substrate for military biosensing applications. Specifically it is shown that the nano-scale interactions of the optical protein bacteriorhodopsin and colloidal semiconductor quantum dots can be utilized as a generic sensing substrate. This work spans from the basic creation of the protein to its application in a novel biosensing system. The functionality of this sensor design originates from the unique interactions between the quantum dot and bacteriorhodopsin molecule when in nanoscale proximity. A direct energy transfer relationship has been established between coreshell quantum dots and the optical protein bacteriorhodopsin that substantially enhances the protein’s native photovoltaic capabilities. This energy transfer phenomena is largely distance dependent, in the sub-10nm realm, and is characterized experimentally at multiple separation distances. Experimental results on the energy transfer efficiency in this hybrid system correlate closely to theoretical predictions. Deposition of the hybrid system with nano-scale control has allowed for the utilization of this energy transfer phenomena as a modulation point for a functional biosensor prototype. This work reveals that quantum dots have the ability to activate the bacteriorhodopsin photocycle through both photonic and non-photonic energy transfer mechanisms. By altering the energy transferred to the bacteriorhodopsin molecule from the quantum dot, the electrical output of the protein can be modulated. A biosensing prototype was created in which the energy transfer relationship is altered upon target binding, demonstrating the applicability of a quantum dot/bacteriorhodopsin hybrid system for sensor applications. The electrical nature of this sensing substrate will allow for its efficient integration into a nanoelectronics array form, potentially leading to a small-low power sensing platform for remote toxin detection applications.

Energy transfer dynamics of nanocrystal-polymer composites

Steady-state and time-resolved photoluminescence spectroscopy are used to examine the photoluminescent properties of nanocrystal-polymer composites consisting of colloidal PbS nanocrystals blended with poly(2-methoxy-5(2-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene). Quenching of the emission from the conjugated polymer due to the PbS nanocrystals is observed along with band edge emission from the ligand capped PbS nanocrystals. A decrease in the photoluminescence lifetime of MEH-PPV is also observed in the thin film nanocrystal-polymer composite materials. Photoluminescence excitation spectroscopy of the PbS nanocrystal emission from the composite shows features attributed to MEH-PPV providing evidence of a Forster transfer process.

Positive Encounters: An Investigative Study on the Effects of Interactions between Cations and Quantum Dots

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06