Die Entwicklung der Nanotechnologie hat in den letzten Jahrzehnten eine entscheidende Rolle in der wissenschaftlichen Forschung gespielt. Die endlosen Nanomaterialien werden heute in vielen Bereichen von der Katalyse bis zur Biomedizin eingesetzt. Unter den verschiedenen Nanomaterialien sind kolloidale Nanokristalle m?glicherweise eines der wichtigsten Branchenmaterialien und haben starke Anwendungsaussichten in vielen Bereichen. Paul Alivisatos von der University of California in Berkeley hat viele bahnbrechende Arbeiten im Nanobereich geleistet. Er stellte eine solche Frage in der Er?ffnungsausgabe der berühmten Zeitschrift Nano Letters [1]: Warum kann ein so spezifischer Skalenbereich einen definieren? Wissenschaft und eine wissenschaftliche Zeitschrift? Was ist das Besondere an einer so überzeugenden Nanometerskala? Hier haben wir eine kleine Fu?note zusammengestellt, um zu versuchen, dieses Problem zu l?sen, indem wir die Entwicklung von Quantenpunkten (die Paul Alivisatos eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Quantenpunktmaterialien spielte) in verschiedenen Bereichen zusammenfassen.

Im Allgemeinen sind kolloidale Nanokristalle Fragmente eines Kristalls mit einer Gr??e von 1–100 nm in einer metastabilen Form in L?sung. Aufgrund ihrer physikalischen Gr??e und der kritischen Gr??e vieler Eigenschaften, des betr?chtlichen Oberfl?chenatomverh?ltnisses, zeigen viele Eigenschaften kolloidaler Nanokristalle ein einzigartiges Ph?nomen in Bezug auf die Gr??e [3]. Traditionell werden kolloidale Nanokristalle haupts?chlich in kolloidale Edelmetall-Nanokristalle und kolloidale Halbleiter-Nanokristalle eingeteilt. Wenn der geometrische Radius des kolloidalen Halbleiter-Nanokristalls kleiner als der Exziton-Boole-Radius des Grundmaterials ist, erscheinen gem?? dem klassischen Quanteneinschlusseffekt die Energieniveaus des Valenzbands und des Leitungsbands in einer diskreten Verteilungsform. Es muss mit der Gr??e zusammenh?ngen. Daher haben klassische Studien Halbleiter-Nanokristalle mit Radiusgr??en von weniger als oder nahe dem Exzitonen-Boer-Radius als Quantenpunkte bezeichnet.

Abbildung 1 Struktur von Quantenpunkten (Oberfl?che und Kern) [2]

Abbildung 2 TEM-Aufnahme von monodispersen CdSe-Nanokristallen [4]

In der Anfangsphase der Entwicklung von Quantenpunkten konzentrierte sich die Forschung auf das Gebiet der Metallchalkogenide. 1993 injizierte die Bawendi-Gruppe des MIT [4] organometallische Verbindungen in Hochtemperaturl?sungsmittel, und die Verbindungen wurden thermisch zersetzt und in L?sung nukleiert, um Metallchalkogenide wie Cadmiumselenid (CdSe) mit guter Dispergierbarkeit zu erhalten. Nanokristallin. Diese hochwertigen Halbleiter-Nanokristalle haben eine Durchmessergr??enverteilung im Bereich von etwa 1 nm bis 12 nm, haben eine gleichm??ige Kristallstruktur und zeigen gr??enabh?ngige Lichtemissions- und Absorptionseigenschaften. Dies ist ein früher Klassiker der systematischen Untersuchung von Quantenpunkten in der rasanten Entwicklung der Halbleiter-Nanokristallforschung. Nach Jahrzehnten der Entwicklungsforschung wurde das Konzept der Quantenpunkte jedoch auch von den ursprünglichen Halbleiter-Nanokristallen erweitert, und heutzutage sind Materialien wie Perowskit-Quantenpunkte, Kohlenstoff-Quantenpunkte und anorganische Quantenpunkte ohne Cadmium zu Forschungs-Hotspots geworden. Daher wird auch die Anwendung dieser neuen Materialien involviert sein.

Abbildung 3 QLED-Tintenstrahldruck [7]

Bereits 1994 haben P. Alivisatos et al. erste kombinierte CdSe-Quantenpunkte mit halbleitenden Polymeren zur Herstellung neuartiger organisch-anorganischer Hybrid-Elektrolumineszenzdioden. Durch die Entwicklung neuer Montagetechniken haben Forscher mehrschichtige Quantenpunkte konstruiert, die den Ladungstransport erm?glichen. Auch die Vorteile traditioneller anorganischer Bulk-Halbleiterdioden in thermischer, chemischer und mechanischer Stabilit?t wurden beibehalten [5]. Die organische Schicht in diesen Vorrichtungen weist jedoch eine sehr geringe Ladungstr?germobilit?t und nanokristalline Leitf?higkeit auf, was die Effizienz der photovoltaischen Vorrichtung direkt beeintr?chtigt. Um 2006 stellten SJ Rosenthal [6] und andere einen ultrakleinen CdSe-Nanokristall als wei?en Leuchtstoff her. Die Quantenpunkte haben eine sehr einheitliche Gr??e und eine gro?e spezifische Oberfl?che, was die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung von Elektronen und L?chern auf der Oberfl?che der Nanokristalle erheblich erh?ht, sodass die Stokes-Verschiebung der Nanokristalle 40–50 nm erreichen und ein breites Spektrum aufweisen kann Emission im sichtbaren Bereich. Eigenschaften. Die Erfindung dieses neuen wei?en Leuchtstoffs hat die Anwendungsaussichten von Quantenpunkt-Leuchtdioden (QLEDs) erheblich erweitert. In den letzten Jahren ist die Laborvorbereitung von QLED-Prototypger?ten in der Design- und Mechanismusforschung allm?hlich gereift [7], und die F?rderung der industriellen Produktion von gro?fl?chigen RGB-Pixel-Arrays hat sich auch zu einem Forschungs-Hotspot entwickelt. Heutzutage hat die Entwicklung von Musterungstechnologien wie Tintenstrahldruck und Transferdruck den Grundstein für die Reife der gro?fl?chigen Displaytechnologie von QLED gelegt und die kommerzielle Anwendung von QLED erheblich vorangetrieben.

Abbildung 4 Kohlenstoffpunkte für die optische Bildgebung in vivo [11]

Fluoreszenz ist ein Werkzeug, das im biologischen Bereich ein breites Anwendungsspektrum hat. Verglichen mit herk?mmlichen fluoreszierenden Farbstoffen haben Quantenpunkte die Eigenschaften einer hohen Emissionshelligkeit, eines gro?en molaren Extinktionskoeffizienten und eines breiten Absorptionsspektrums und k?nnen als Ersatz für fluoreszierende Farbstoffe oder fluoreszierende Proteine verwendet werden. P. Alivisatos et al. [8] verwendeten 1998 Quantenpunkte zur Markierung von Fibroblasten, was die Anwendung von Quantenpunkten als fluoreszierende Sonden für die biomedizinische Bildgebung er?ffnet hat. Auch auf dem Gebiet der Bildgebung leistete das Forschungsteam von Nie Shuming Pionierarbeit. Das Forschungsteam nutzte nicht nur die kovalente Kopplung von Zinksulfid/Cadmiumselenid-Core-Shell-Quantenpunkten mit Biomakromolekülen bereits 1998, um eine hochempfindliche nicht-isotopische Verfolgung zu erreichen [9], sondern realisierte sie auch erstmals in lebenden Tieren. Tumor-Targeting und Bildgebungsstudien [10] haben diagnostische Studien für die Quantenpunktkrankheit entwickelt. Anorganische Nanokristalle, insbesondere Nanokristalle auf Cadmiumbasis, k?nnen toxische Wirkungen auf Organismen haben, daher war die Synthese von Quantenpunkten mit ausgezeichneter Biokompatibilit?t ein Forschungsschwerpunkt. Beispielsweise kann die Erforschung synthetischer Quantenpunkte auf Kupfer- oder Silberbasis die biologische Toxizit?t von Materialien effektiv reduzieren. Darüber hinaus ist auch die Entwicklung metallfreier Quantenpunkte eine wichtige Strategie. Die von Ya-Ping Sun et al. behalten nach der Injektion in M?use immer noch eine betr?chtliche Fluoreszenzintensit?t bei [11]. Neben der Toxizit?t ist auch die Optimierung des Emissionsbereichs von Quantenpunkten zur besseren Anpassung an biooptische Fenster im nahen Infrarot eine Herausforderung für nanokristalline medizinische Anwendungen.

Abbildung 5 Mechanismus der Erzeugung von Singulett-Sauerstoff von Graphen-Quantenpunkten [13]

Die photodynamische Therapie hat sich mittlerweile zu einem von der FDA zugelassenen Krebsbehandlungsprogramm entwickelt. Im Allgemeinen werden Photosensibilisatoren im K?rper dazu angeregt, reaktive Sauerstoffspezies zu produzieren, die Tumorzellen abt?ten. Der Photosensibilisator hat jedoch eine schlechte Wasserl?slichkeit und neigt dazu, die photochemische Aktivit?t aufgrund von Aggregation im K?rper zu verlieren. 2003 erl?uterte das Burda-Team [12] erstmals das Entwicklungspotenzial von CdSe-Quantenpunkten als Photosensibilisator. Die optischen Eigenschaften von Quantenpunkten bestimmen, dass es sich um einen leistungsstarken Photonenabsorber handelt, der Energie effizient übertr?gt, und seine Oberfl?chenfunktionalisierung verbessert die Dispersion im K?rper. Um das Problem der Toxizit?t zu l?sen, fanden Wang Pengfei vom Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und das gemeinsame Team von Wenjun Zhang von der City University of Hong Kong [13] heraus, dass Graphen-Quantenpunkte effizient Singuletts produzieren k?nnen Sauerstoff und wirken auf lebende Tumore, um Tumore abzut?ten. Darüber hinaus hat die jüngste Forschung Quantenpunktmaterialien auf die Anwendung der photothermischen Tumortherapie und Strahlentherapie ausgeweitet.

Abbildung 6 Anwendungsvorteile von Quantenpunkten im Bereich der künstlichen Photosynthese [14]

Gem?? dem Quantenbegrenzungseffekt kann die Bandlücke der Quantenpunkte künstlich durch ein geeignetes Verfahren eingestellt werden, so dass der Absorptionsemissionsbereich der Quantenpunkte im Vergleich zu den entsprechenden Massenmaterialien und Molekülen den gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichts abdecken kann Farbstoffe. Darüber hinaus sind die Exzitonenerzeugung und die Ladungstrennungseffekte von Quantenpunkten besser kontrollierbar, sodass die Anwendung von Quantenpunkten im Bereich der Katalyse ebenfalls ein sehr wichtiges Thema ist. In den 1980er Jahren konnten Forschungen zur Modifikation von Quantenpunkten zu Platin- oder Rutheniumoxid [15] und anderen Promotoren die Hydrolyse katalysieren. Seitdem arbeiten Forscher daran, eine auf Quantenpunkten basierende künstliche Photosynthese aufzubauen und ihre Leistung kontinuierlich zu optimieren. 2012 gelang ein wichtiger Durchbruch bei der photokatalytischen Wasserstoffproduktion von Quantenpunkt-Katalysatorsystemen. Krausset al. [16] fanden heraus, dass nach dem Beschichten der CdSe-Quantenpunkte mit Lipons?ure die Quantenpunkte leicht an das Nickelionen-Lipons?ure-System gebunden wurden, um ein hybrides katalytisches System zu bilden. Unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht kann dieses System die aktive Wasserstoffproduktion für mindestens 360 Stunden aufrechterhalten (Quantenausbeute bis zu 36%), was die Anwendungsaussichten von Nichtedelmetallkatalysatoren erheblich verbessert. Bisher, nachdem jahrzehntelange Entwicklung künstlicher Photosynthesesysteme in die Phase der Erforschung der Massenproduktion und des gro?fl?chigen Einsatzes eingetreten sind, haben Quantenpunkte Vorteile gegenüber Edelmetallen in Bezug auf die Beschaffungsquelle und die Produktionskosten, aber die Entwicklung von Cadmium-frei etabliert Umweltfreundliche und auf sichtbares Licht ansprechende Quantenpunkte (wie z. B. Zinkselenid-Quantenpunkte) bleiben eine Herausforderung für die Implementierung neuer Energieumwandlungssysteme.

Abbildung 7 Struktur und Eigenschaften von Bismut-Bleihalogenid-Perowskit-Quantenpunkten [17]

Bisher sind Metallsulfid-Nanokristalle die am besten entwickelten und tiefgehendsten Quantenpunktmaterialien, und sie haben das breiteste Anwendungsspektrum. In den letzten fünf Jahren haben sich Quantenpunkte mit einer Kristallstruktur aus Perowskit zu einem aufstrebenden Forschungs-Hotspot entwickelt. Diese neue Art von Quantenpunkt ist kein Metallsulfid mehr. Stattdessen ist es ein Metallhalogenid. Ein Metallhalogenid mit einer Perowskitstruktur weist einzigartige Eigenschaften wie Supraleitf?higkeit und ferroelektrische Eigenschaften auf, die in herk?mmlichen Quantenpunkten nicht verfügbar sind. Die frühesten organisch-anorganischen Hybrid-Perowskit-Nanokristalle haben den Nachteil, dass sie extrem empfindlich gegenüber Umweltfaktoren wie Sauerstoff und Feuchtigkeit sind, was die Entwicklung dieses Materials einschr?nkt. Fast zur gleichen Zeit leistete die Forschungsgruppe von Kovalenko [17] 2014 Pionierarbeit bei der Herstellung von rein anorganischen Wismut-Bleihalogenid-Perowskit-Quantenpunkten. Dieser kolloidale Quantenpunkt hat eine kubische Perowskit-Kristallstruktur, w?hrend der Bohr-Radius des Exzitons 12 nicht überschreitet nm und weist daher dimensionsbezogene spektrale Eigenschaften auf. Dieses aufkommende Material kombiniert die Vorteile von Quantenpunkten und Perowskit-Materialien, um die potenziellen Anwendungen von Quantenpunkten zu erweitern. In den letzten ein bis zwei Jahren wurden Perowskit-Quantenpunkte nicht nur in Photovoltaikzellen und optoelektronischen Anzeigeger?ten verwendet, sondern noch nicht hergestellt. Neue Lasermaterialien [18] bieten neue Strategien.

Quantenpunkte sind repr?sentative Materialien zur Erkl?rung des ?Gr??eneffekts“ sogenannter Nanomaterialien. Sie wurden in immer mehr Bereichen, von optoelektronischen Ger?ten über die Photokatalyse bis hin zur Biodetektion, in gr??erem Umfang eingesetzt und decken fast den heutigen und zukünftigen t?glichen Bedarf ab. Aufgrund von Platzbeschr?nkungen wurden jedoch viele Materialien der Quantenpunktfamilie, wie z. B. Silizium-Quantenpunkte, nicht erw?hnt, und die Einführung von Materialanwendungen blieb in der repr?sentativen Forschung. Durch die Zusammenfassung dieser klassischen Forschungsparadigmen wird erwartet, dass die Entwicklung von Quantenpunkten einigerma?en zusammengefasst werden kann.

Verweise

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