Nanocristalli, Computazionale

LINEA DI ATTIVITÀ

LA1.13, LA1.14, LA1.15

Strumento/i principale utilizzato per IEMAP
Laboratorio di chimica e laboratori di caratterizzazione (XRD, XPS, TEM).

Tipo di misure che sono possibili da realizzare in questo laboratorio, con questo strumento/i
Nel laboratorio di chimica è possibile sintetizzare nanocristalli colloidali ed eseguire una prima analisi di tipo ottico (misure di assorbimento, fotoluminescenza e resa quantica di fotoluminescenza) ed analisi elementare. Nei laboratori di caratterizzazione è possibile eseguire diffrazione a raggi X, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X ed imaging tramite microscopi elettronici.

Applicazione (su quali materiali è stato utilizzato)
Queste misure sono state eseguite su nanocristalli di InAs, eterostrutture di InAs@ZnSe e nanoparticelle di Cs3ZnCl5 dopate con Cu+ e Mn2+.

Descrizione risultati raggiunti SAL1

Nell’ambito di questa attività abbiamo sviluppato la sintesi colloidale di nanocristalli di InAs impiegando come precursore di arsenico tris(dimethylamino)arsine (uno dei più economici per questo tipo processo). La sintesi da noi elaborata utilizza ZnCl2 come additivo. Tale additivo presenta numerosi vantaggi: 1) aiuta a migliorare il controllo sulla distribuzione di taglia dei nanocristalli; 2) passiva la superficie dei cristalli in forma di Z-type ligand, aumentandone così l’efficienza di emissione. Inoltre, la presenza di ZnCl2 nell’ambiente di reazione permette di crescere in-situ una shell di ZnSe. Così facendo si riescono ad ottenere sistemi core@shell InAs@ZnSe con emissione piccata a 890nm ed efficienza quantica del 42%, un record per questo tipo di sistemi.

Questi nanocristalli sono poi stati impiegati in diodi emettitori di luce ottenendo un valore di external quantum efficiency di 5.5% e con emissione a 947 nm.

Le fasi preliminari alla creazione di celle solari prevedono la caratterizzazione di film di nanocristalli di InAs. A questo proposito abbiamo caratterizzato film di questo tipo tramite misure di thin film field effect transistor e misure di fotoconducibilità. Dalle prime è emerso che i nanocristalli da noi sintetizzati esibiscono un carattere di tipo n (carrier maggioritari sono elettroni). Le misure di fotoconduttività hanno mostrato che un film di nanocristalli di InAs (spessore 30-35nm) esibisce bassa conducibilità elettrica (0.05 nA a 5V), ma sotto illuminazione (eccitazione a 638nm) il materiale mostra fotoconduttività e correnti nell’ordine di 0.3 – 0.4 nA.

Per quanto riguarda lo sviluppo di alogenuri metallici, sono state sintetizzati nanocristalli colloidali di Cs3ZnCl5 all’interno dei quali sono stati introdotti cationi quali Cu+ e Mn2+, formando le corrispondenti leghe. I nanocristalli di Cs3ZnCl5, inizialmente non luminescenti, esibiscono emissione nel blu se miscelati con ioni Cu+, e nel verde se miscelati con Mn2+. La peculiarità dei nanocristalli in cui sono stati inseriti sia ioni di Cu+ che di Mn2+ è che mostrano una buona luminescenza nel verde dovuta, come rivelato dai nostri studi fotofisici, ad un trasferimento di energia da Cu a Mn.

Risultati attesi nel POA

Sviluppo di sintesi colloidale di materiali nanocristallini di composti III-V e/o alogenuri di perovskiti con proprietà ottiche promettenti per applicazione nel fotovoltaico.

REFERENTE/I

Liberato Manna – Istituto Italiano di Tecnologia

Genova (GE)

FIGURE CON RELATIVE DIDASCALIE ESAUSTIVE

Figura 1

Didascalia

a) Immagine HAADF STEM dei nanocristalli di InAs preparati con ZnCl2. Immagini b) TEM e c) HRSTEM di nanocristalli di InAs@ZnSe. d) Immagine STEM e relative mappe EDS di nanocristalli di InAs@ZnSe in cui è possibile apprezzare la formazione di sistemi aventi core di InAs e shell di ZnSe. e) Spettri di assorbimento e fotoluminescenza, f) pattern XRD e g) valori di PLQY dei campioni InAs@ZnSe ottenuti con differenti quantità di ZnCl2 (il rapporto Zn: In si riferisce a quello dei precursori InCl3 e ZnCl2). h) modellino atomico che rappresenta la struttura di un nanocristallo di InAs@ZnSe.

Figura 2

Didascalia

a) Rappresentazione schematica della sintesi di nanocristalli di Cs3ZnCl4 con inclusione di cationi Cu+ e Mn2+. b) Immagine TEM di un caratteristico campione di nanocristalli di Cs3ZnCl4 con inclusione di 2.2% di Cu+ e 9.6% di Mn2+. c) Pattern di diffrazione a raggi x e d) spettri di assorbimento, fotoluminescenza (PL) e radio luminescenza (RL) di campioni di Cs3ZnCl4 a diverso contenuto di Cu+ e Mn2+.

Deliverable consegnati con questo LA

D1.14.

Livello di innovazione

In questa attività l’innovazione rispetto allo stato dell’arte riguarda l’ottimizzazione della sintesi dei nanocristalli di InAs e delle corrispettive eterostrutture core@shell (InAs@ZnSe). L’utilizzo di ZnCl2 nella sintesi di InAs permette di aumentare il controllo sulla distribuzione di taglia dei nanocristalli e, al tempo stesso, di passivarli superficialmente ottenendo così una maggior fotoluminescenza.

Nel dettaglio, l’efficienza in emissione risulta del 3%, rispetto allo stato dell’arte che è <1%. Ci si aspetta che i nanocristalli da noi ottenuti, grazie alla passivazione superficiale ottenuta tramite ZnCl2, esibiscano una conducibilità elettrica migliore rispetto a quelli ottenuti con metodi precedentemente pubblicati.

Per quanto riguarda i sistemi core@shell, in letteratura sistemi di questo tipo nanocristalli sono già stati realizzati, ma con caratteristiche ottiche molto basse (efficienza intorno al 10-15% massimo). Con il nostro protocollo invece è possibile ottenere sistemi con efficienza in emissione del 42%, record per questo tipo di materiale.

Questo è dovuto al fatto che la shell di ZnSe cresce in un ambiente di reazione già ricco in ZnCl2 e sulla superficie dei nanocristalli di InAs in cui lo Zn è già presente in forma di legante inorganico.

Disseminazione

Conferenza NanoGe su “Emerging Light Emitting Materials (EMLEM22)” 3-5 Ottobre 2022 a Limassol (Cyprus). Presentazione Orale di Luca De Trizio, titolo “ZnCl2 Mediated Synthesis of InAs Nanocrystals with Aminoarsine”.

Pubblicazioni: