Plazmoniczne kropki kwantowe - wpływ metalu na właściwości spektroskopowe kropek kwantowych związków potrójnych AgInS2. Synteza, pomiary spektroskopowe, obliczenia DFT.

Typ projektu: NCN PRELUDIUM 13
Kierownik projektu: mgr Adam Olejniczak
Numer projektu: 2017/25/N/ST5/01265
Opis projektu:
Pierwsze doniesienia o kropkach kwantowych, czyli półprzewodnikowych nanokryształach o średnicy 2 nm - 5 nm, pojawiły się w latach 80 XX wieku i ze względu na możliwość przestrajania ich właściwości fizycznych wraz z rozmiarem szybko zyskały dużą popularność stając się jednym z najważniejszych tematów współczesnej nanoinżynierii. Kropki kwantowe to tzw. obiekty zero-wymiarowe, a więc takie w których ruch przestrzenny elektronów jest ograniczony w trzech wymiarach. Dozwolone elektronowe poziomy energetyczne w kropkach kwantowych nie tworzą ciągłych pasm (jak w litych półprzewodnikach), a są dyskretne, przez co kropki kwantowe często nazywa się sztucznymi atomami. Położenie tych poziomów może być dokładnie przestrajane poprzez zmianę rozmiaru kropki kwantowej, co pozwala na uzyskanie absorpcji/emisji światła o dokładnie określonej barwie. Skutkuje to licznymi zastosowaniami w oświetleniu, fotowoltaice czy bio-obrazowaniu. Właśnie w tej ostatniej dziedzinie badania skupiają się na materiałach nietoksycznych, w przeciwieństwie do wiodących kropek kwantowych opartych na kadmie i ołowiu. Idealnym kandydatem są kropki kwantowe związku potrójnego AgInS2, charakteryzujące się czerwoną luminescencją, dobrze dopasowaną do okna optycznego tkanek, względnie wysoką wydajnością kwantową (ok. 20-30%) oraz długimi czasami życia luminescencji (ok. 100 ns) użytecznymi do mikroskopii obrazowania czasów życia fluorescencji (FLIM). Jednakże, pomimo dobrych właściwości luminescencyjnych oraz dużej liczby potencjalnych zastosowań dokładna natura przejść elektronowych w kropkach kwantowych AgInS2 wymaga wyjaśnienia. Istotnym problemem związanym z kropkami kwantowymi AgInS2 jest skomplikowana dynamika relaksacji stanów wzbudzonych, czyli powrotu układu do stanu podstawowego po absorpcji energii. Dotychczasowe badania wskazują, że trzycząsteczkowe relaksacje Augera prowadzą do ładowania się kropek kwantowych w wyniku wychwytywania wzbudzonych elektronów przez powierzchniowe stany defektowe, wynikające z rekonstrukcji geometrii na powierzchni układu, co w efekcie prowadzi do zaniku luminescencji z kropki.
Celem projektu jest zbadanie wpływu fazy metalicznej na właściwości optyczne kropek kwantowych AgInS2. Oczekuje się, że negatywne efekty powierzchniowe zostaną zredukowane a właściwości luminescencyjne kropek kwantowych AgInS2 zwiększone poprzez pasywację powierzchniowych stanów defektowych oraz sprzężenie pomiędzy ekscytonem (wzbudzeniem elektronowym w kropce kwantowej), a plazmonem (drganiem gęstości elektronowej) wyindukowanym w fazie metalicznej, co jest główną hipotezą badawczą stawianą w projekcie. Postawiony cel będzie realizowany w sposób eksperymentalny oraz teoretyczny.
W ramach części eksperymentalnej przy użyciu metod mokrej chemii zostaną przeprowadzone syntezy układów metal/kropka kwantowa AgInS2. Zsyntetyzowane zostaną układy: kropki kwantowe AgInS2 bogate w metal o ogólnym wzorze MxAgInS2, gdzie domieszką metaliczną będzie miedź, srebro, glin lub ind, oraz nanocząstki typu rdzeń/płaszcz, gdzie rdzeń będzie wykonany ze złota, a płaszcz z półprzewodnika AgInS2. Po syntezie wpływ metalu zostanie zbadany przy pomocy pomiarów spektroskopowych. Część teoretyczna będzie polegała na obliczeniach kwantowo-chemicznych w ramach teorii funkcjonału gęstości geometrii, struktury elektronowej i właściwości optycznych nanoklasterów (kilkanaście-kilkadziesiąt atomów) AgInS2 będących reprezentantami większych kropek kwantowych. Kwantowo-chemiczne metody obliczeniowe stały się w ostatnich latach użytecznym narzędziem komplementarnym do metod eksperymentalnych pozwalających na przewidywanie własności fizycznych układów w nanoskali nawet przed ich syntezą i pomiarami. Szczegółowa analiza geometrii i struktury elektronowej pozwoli na zbadanie mechanizmu tworzenia się powierzchniowych stanów defektowych oraz wpływu dodatkowych atomów metalu na te stany. Przedstawione badania pozwolą na głębsze zrozumienie natury przejść elektronowych i skomplikowanej dynamiki relaksacji stanów wzbudzonych w kropkach kwantowych AgInS2.
https://projekty.ncn.gov.pl/index.php?projekt_id=371809