Mindennapi életünkben egyre többször találkozunk a „nano” előtaggal, mely az új és az izgalmas tulajdonságok védjegye és záloga lett. Telefonunk kijelzőjét nanotechnológiás folyadék védi, autónk lakkrétegét nanobevonattal óvhatjuk, berendezéseink kenéséért nanotechnológiás zsírok felelnek, vagy éppen „nanokolloid”-alapú terméket fogyaszthatunk egészségünk védelméért.
A „nano” azonban a laborban születik, ennek során az atomok szintjéről építünk fel olyan szerkezeteket, amelyek sokszor meglepő és újszerű tulajdonságait azok mérete, összetétele és felületi kémiája határozza meg. A félvezetőipar évtizedek óta alkalmaz nanoléptékben strukturált elektronikai és optoelektronikai összetevőket, melyek ma már a mindannyiunk zsebében lapuló mobiltelefonok szerves részei. A kolloidkémia ezzel szemben olyan nanorészecskék előállítására fókuszál, melyek méretének, alakjának és az alkotó atomok megválasztásának a részecskék optikai, elektronikai és fizikai-kémiai tulajdonságaira gyakorolt közvetlen hatásának vizsgálata és azok kémiai aspektusai állnak a reflektorfényben.
A nanorészecskék klasszikus definíciójából kiindulva (az objektum legalább egyik dimenziója az 1–100 nanométeres skálán mozog), a félvezető nanorészecskék szigorúbb mérethatárok között mutatnak drasztikusan változó optikai és elektronikai tulajdonságokat, melyek jelentősen eltérnek a tömbi félvezetők sajátosságaitól.
Ennek hátterében a kvantumbezártság jelensége áll, mely az anyag sávszerkezetével van szoros kapcsolatban, és a néhány nanométeres tartományban a tulajdonságok rendkívül precíz hangolását teszi lehetővé. Megkülönböztetve a kvantumbezártság különböző irányait, létrehozhatunk 0 dimenziós, ún. kvantumpöttyöket, 1 dimenziós kvantumrudakat, 2 dimenziós kvantumlapkákat vagy éppen 3D-s Félvezető nanorészecskékkel a modern optikába Mindennapi életünkben egyre többször találkozunk a „nano” előtaggal, mely az új és az izgalmas tulajdonságok védjegye és záloga lett. Telefonunk kijelzőjét nanotechnológiás folyadék védi, autónk lakkrétegét nanobevonattal óvhatjuk, berendezéseink kenéséért nanotechnológiás zsírok felelnek, vagy éppen „nanokolloid”-alapú terméket fogyaszthatunk egészségünk védelméért. nanoanyagokat is. A HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében zajló kutatások ezen félvezető nanoanyagok minden típusára kiterjednek a potenciális alkalmazási területek szem előtt tartásával, úgy, mint a foto- és elektrokatalízis, modern fényforrások, optoelektronikai és fotovoltaikus komponensek előállítása. A meglévő infrastruktúra ma már lehetővé teszi, hogy félvezető nanorészecskék és kvantumanyagok széles tárházát állítsuk elő, még akkor is, ha sokszor ezek kémiai szintézise a környezeti levegő és víz teljes kizárásával kell hogy történjen az első reagens felbontásától a nanorészecskék teljes szintéziséig. A vegyészeknek ebben olyan berendezések segítenek, mint az ún. inert atmoszférás munkaállomás („glove-box”), illetve a Schlenk-line rendszernek nevezett modern szintézisrendszer, melyben vákuumban és argon gázban is dolgozhatnak (1. ábra).
Az alkotó atomok szintjén a legizgalmasabb kombinációkat az átmenetifém-kalkogenidek testesítik meg, melyek számos típusával folynak aktív kutatások különböző laboratóriumainkban. A mindennapokból is ismert QLED televíziók első generációjában is alkalmazott CdSe kvantumpöttyök pár nanométeres méretskálán drasztikusan változtatják az általuk kibocsátott fény hullámhosszát, de többkomponensű, ún. mag/héj típusú részecskék esetén a hatásfokuk tovább javítható. Az átmenetifém-oxidok szintén a kutatások fókuszában álló potenciális foto katalizátorok, melyek olcsón és környezetbarát módon előállíthatók, és fénybesugárzás hatására képesek szerves vegyületeket elbontani vagy átalakítani (2. ábra).
A nanoméretben előállított félvezető részecskék egyedi részecskék szintjén történő vizsgálata komoly kihívás. Szerkezeti szempontból elengedhetetlen a modern elektronmikroszkópia és elemanalitikai technikák alkalmazása, az optikai tulajdonságok vizsgálata pedig mikrospektroszkópiai módszerekkel végezhető. A Kémiai Nanoszerkezetek kutatócsoport laboratóriumában akár egyetlen nanorészecske optikai vizsgálata is elvégezhető egy speciálisan erre a célra, egyedileg épített berendezéssel. A félvezető nanorészecskék optikai minősíté sére, a bennük keltett töltéshordozók kinetikai és dinamikai vizsgálatára olyan modern spektroszkópiai eszközöket alkalmazunk, melyek fény hatására akár egyetlen keltett fotont is képesek detektálni. Ilyen spektrofluoriméterekkel a részecskék fényelnyelése, fényemissziója, a keltett töltéshordozók időbeli lecsengése is vizsgálhatóvá válik, melyekkel a modern félvezető kolloidok és nanoanyagok területét a tervezéstől az előállításon át a minősítésig és alkalmazási lehetőségeik vizsgálatáig kézben lehet tartani.
A félvezető nanorészecskék egyik fontos – alkalmazásokban is releváns – tulajdonsága, hogy a besugárzó fény hatására gerjesztett töltéshordozók jönnek létre bennük (elektronok és elektron-lyukak), melyek energiáját fotonként kibocsáthatják (emisszió), vagy a töltéshordozókat térben elválasztva azok kémiai reakcióba vihetők. A szerkezeti tulajdonságokkal, a megválasztott komponensek szinergiájával lehetőség nyílik olyan nanoméretű kolloid részecskék előállítására, melyek hatékonyan újraegyesítik vagy éppen szétválasztják a fotogerjesztett töltéshordozókat, alkalmazási céltól függően. Sok esetben azonban egy nanoanyag akkor alkalmazható hatékonyan, ha az makroszkopikusan kezelhető formába kerül: ennek egyik útja a valamilyen hordozóra történő rögzítés, vagy olyan öntartó porózus szerkezetek kialakítása, mint az aerogélek. A klasszikus aerogélekkel (pl. szilika, szén vagy szerves aerogélek) ellentétben olyan makroszkopikus szerkezeteket építünk fel, melyek alkotóelemei precízen előállított nanorészecskék. Ezek legfőbb előnye, hogy a vázalkotó nanorészecskék eredeti fizikai-kémiai tulajdonságai nemcsak hogy megőrződnek, hanem a részecskék közötti kölcsönhatás eredményeképpen újszerű, másképp fel nem lépő optikai és elektronikai tulajdonságok ébrednek, utat nyitva ezzel a modern alkalmazások felé (3. ábra). A TKP2021-NKTA-05 számú projekt az Innovációs és Technológiai Minisztérium Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból nyújtott támogatásával, a TKP2021 pályázati program finanszírozásában valósult meg. A kutatás támogatásban részesült a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból, az FK OTKA 142148 számú pályázat keretén belül.
Forrás: Innotéka