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.

O estado da arte da síntese de semicondutores nanocristalinos coloidais

Colloidal semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots, have attracted great attention since they have interesting size-dependent properties due to the quantum confinement effect. These nanoparticles are highly luminescent and have potential applications in different technological areas, including biological labeling, light-emitting diodes and photovoltaic devices. The synthetic methods of semiconductor nanocrystals have progressed in the last 30 years, and several protocols were developed to synthesize monodisperse nanocrystals with good optical properties, different compositions and morphologies. This review describes the main methods used to synthesize nanocrystals in the II-VI and III-V systems, and the recent approaches in this field of research.

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.

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

Structural and magnetic characterization of colloidal CdMnS

This paper reports on the synthesis (chemical co-precipitation reaction) and characterization (X-ray diffraction, magnetization, and electron paramagnetic resonance) of nanosized Cd1-xMnxS particles with manganese concentration up to x = 0.73. Though the literature reports that nanosized (bulk) CdS can incorporate as much as 30% (50%) of manganese ion within its crystal structure we found manganese segregation at the nanoparticle surface at doping levels as low as 14%. We found that both XRD and magnetization data support the presence of the Mn3O4 phase (observed spin-glass transition around 43 K) at the high manganese doping levels whereas the EPR data strongly suggest preferential incorporation of manganese at the nanoparticle's surface, even at low manganese doping levels. Analyses of the experimental data strongly suggest the preparation of well-defined core/shell (Cd1-xMnxS/Mn3O4) structures at higher levels of manganese doping.

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

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

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

Conduction mechanisms and charge storage in Si-nanocrystals metal-oxide-semiconductor memory devices studied with conducting atomic force microscopy

In this work, we demonstrate that conductive atomic force microscopy (C-AFM) is a very powerful tool to investigate, at the nanoscale, metal-oxide-semiconductor structures with silicon nanocrystals (Si-nc) embedded in the gate oxide as memory devices. The high lateral resolution of this technique allows us to study extremely small areas ( ~ 300nm2) and, therefore, the electrical properties of a reduced number of Si-nc. C-AFM experiments have demonstrated that Si-nc enhance the gate oxide electrical conduction due to trap-assisted tunneling. On the other hand, Si-nc can act as trapping centers. The amount of charge stored in Si-nc has been estimated through the change induced in the barrier height measured from the I-V characteristics. The results show that only ~ 20% of the Si-nc are charged, demonstrating that the electrical behavior at the nanoscale is consistent with the macroscopic characterization.

Investigations on novel polymer nano composites and bio-compatible manganese doped ZnS nanocrystals for photonic and bio-imaging applications

Fluorescence is a powerful tool in biological research, the relevance of which relies greatly on the availability of sensitive and selective fluorescent probes. Nanometer sized fluorescent semiconductor materials have attracted considerable attention in recent years due to the high luminescence intensity, low photobleaching, large Stokes’ shift and high photochemical stability. The optical and spectroscopic features of nanoparticles make them very convincing alternatives to traditional fluorophores in a range of applications. Efficient surface capping agents make these nanocrystals bio-compatible. They can provide a novel platform on which many biomolecules such as DNA, RNA and proteins can be covalently linked. In the second phase of the present work, bio-compatible, fluorescent, manganese doped ZnS (ZnS:Mn) nanocrystals suitable for bioimaging applications have been developed and their cytocompatibility has been assessed. Functionalization of ZnS:Mn nanocrystals by safe materials results in considerable reduction of toxicity and allows conjugation with specific biomolecules. The highly fluorescent, bio-compatible and water- dispersible ZnS:Mn nanocrystals are found to be ideal fluorescent probes for biological labeling

Semiconductor nanoparticle modeling via density functional theory

In this work, a 2.0 nm nanoparticle (low limit synthesized system) is compared to possible simplified models: passivated clusters, small (1.3 nm) nanoparticles and sets of plane surfaces. Our density functional theory results suggest that even when geometric aspects are properly described by the simplifications considered, electronic properties might be very different, especially when edge atoms are not properly taken into account in the nanoparticle`s modeling. In addition, we propose a protocol that might help future theoretical descriptions of nanoparticles.