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Integrated Computational Engineering, Characterization and Validation of Semiconductor Colloidal Nanocrystals with Advanced Properties

Subject Area Synthesis and Properties of Functional Materials
Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
Theoretical Chemistry: Molecules, Materials, Surfaces
Term from 2014 to 2018
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 263742589
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Das ICENAP-Konsortium hat physikochemisch-materialwissenschaftliche Design-Prinzipien für die Entwicklung eines neuen Typs photolumineszenter Quantenpunkte verwendet, die mit höchster Effizienz emittieren und sich durch hervorragende optische und kolloidale Stabilität in organischer und wässriger Phase auszeichnen. ICENAP ist es gelungen, mit Hilfe verschiedener quantenchemischer Methoden die elektronischen und optischen Eigenschaften von Quantenpunkten mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften, Ligandenabsättigungen und Umgebungen zu berechnen. Dies ist insbesondere für die Ligandenauswahl bei der Experiment-Planung wichtig sowie für das Design möglicher Schalenstrukturen zur Verstärkung des Ladungsträgereinschlusses (confinement). Die Verwendung atomistischer Simulationsansätze zur Entwicklung quantitativer Strukturmodelle für CdSe-basierte Quantenpunkte hat es ermöglicht, den Wachstumsprozess vom molekularen Monomer zu Nanopartikeln mit Durchmessern >10 nm zu verfolgen. Die Simulationsdaten wurden verwendet, um ein genau reproduzierbares Syntheseverfahren für die Beschichtung von CdSe-Kernen mit einheitlichen Schalen zu entwickeln. Dieses Verfahren ergab photolumineszente Kerne mit wirksamer Exziton-Abschirmung und gesteigerter Photolumineszenz- Quantenausbeuten. Insbesondere wurde eine Reihe von CdSe/ZnS/CdS/ZnS-Kern/"Multischalen"-Quantenpunkte mit Photolumineszenz-Quantenausbeute von >90% synthetisiert, deren Schalendicke nur drei Monolagen betrug. Zusammen mit dem synthetischen SILAR-Ansatz (successive ion layer adsorption and reaction) wurden außerdem die Verfahren continuous shell precursor infusion und colloidal atomic layer deposition entwickelt, die die Synthese von stabilen, stark emittierenden Kern/Dickschale-Quantenpunkte ermöglichten. Ein speziell durch Berechnungen gestütztes Schalendesign ermöglichte die Entwicklung von Quantenpunkten mit einer Photolumineszenz-Quantenausbeute von nahezu 100%. Um die Stabilität in biologischer Umgebung und die Biokompatibilität der synthetisierten Multi-Shellund Dickschalen-Nanopartikel zu erhöhen, wurde ein neuer Ansatz zur Nanopartikel-Oberflächendesign durch Bildung von organisch-anorganischen Hybridschalen entwickelt. Dieser Ansatz ermöglicht einen effizienten Phasentransfer von Nanopartikeln mit sowohl CdS- als auch ZnS-Außenschichten und eine Bewahrung der ursprünglichen Photolumineszenz auch bei Dispergierung in wässrigen Medien. Dadurch werden Photolumineszenz-Quantenausbeuten von 75% in biologischen Puffern erreicht. ICENAP hat auch Ansätze zur Quantenpunkt-Funktionalisierung mit PEG-basierten Liganden weiterentwickelt. Die resultierenden Quantenpunkte finden Anwendung in der Entwicklung von Nano- Bio-Hybridmaterialien durch Selbstorganisation, in der chemischen Ankopplung an biologisch aktive Systeme mit niedrigem Molekulargewicht und für die Herstellung fortgeschrittener diagnostischer Nanosonden durch Konjugate mit speziellen Erkennungsmolekülen, z.B. Einzeldomänen-Antikörpern.

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