Większa liczba wiązań niekoniecznie jest lepsza dla nanomateriałów

HOUSTON – (4 stycznia 2023) – Chemicy z Rice University i University of Texas w Austin odkryli, że więcej nie zawsze znaczy lepiej, jeśli chodzi o upakowanie cząsteczek akceptujących ładunek na powierzchni nanokryształów półprzewodnikowych.

Połączenie składników organicznych i nieorganicznych w nanomateriałach hybrydowych można zaprojektować tak, aby wychwytywało, wykrywało, przekształcało lub kontrolowało światło w wyjątkowy sposób. Zainteresowanie tym materiałem jest duże i Częstotliwość publikacji naukowych W ciągu ostatnich dwudziestu lat pomnożyły się ponad dziesięciokrotnie. Mogą na przykład poprawić wydajność systemów energii słonecznej, pozyskując energię z długości fali światła słonecznego – takiego jak podczerwień – której brakuje tradycyjnym panelom fotowoltaicznym.

Aby stworzyć materiały, chemicy łączą przechwytujące światło nanokryształy półprzewodnikowe z cząsteczkami „akceptorów ładunku”, które działają jak ligandy, przyczepiając się do powierzchni półprzewodnika i transportując elektrony z dala od nanokryształów.

„Najbardziej badane układy nanokryształów charakteryzują się wysokimi stężeniami akceptorów ładunku bezpośrednio związanych z kryształami półprzewodnikowymi” – powiedział chemik z Rice. Piotra RosyjskiegoWspółautor wywiadu Ostatnie badania W Journal of American Chemical Society. „Ogólnie rzecz biorąc, ludzie starają się zmaksymalizować stężenie powierzchniowe akceptorów ładunku, ponieważ oczekują, że szybkość transferu elektronów będzie stale wzrastać wraz ze stężeniem akceptora powierzchniowego”.

Niektóre opublikowane eksperymenty wykazały, że szybkości przenoszenia elektronów początkowo rosną wraz ze stężeniem akceptora powierzchniowego, a następnie zmniejszają się, jeśli stężenia powierzchniowe nadal rosną. Rosky i współautor Seana Robertsaprofesor nadzwyczajny chemii na Uniwersytecie w Austin, wiedział, że orbitale molekularne wiązań mogą oddziaływać w sposób, który może wpływać na przenoszenie ładunku, i spodziewali się, że nadejdzie punkt, w którym upakowanie większej liczby wiązań na powierzchni kryształu będzie prowadzić do takich interakcji.

Rosky i Roberts są współgłównymi śledczymi wraz z Rice Wady centrum kondycjonującego w funkcjach (CAFF), wielouniwersytecki program wspierany przez National Science Foundation (NSF), którego celem jest wykorzystanie mikroskopijnych defektów chemicznych w materiałach do tworzenia innowacyjnych katalizatorów, powłok i elektroniki.

Aby przetestować swój pomysł, Rosky, Roberts i ich koledzy z CAFF systematycznie badali materiały hybrydowe zawierające nanokryształy siarczku ołowiu i różne stężenia szeroko badanego barwnika organicznego zwanego diamidem perylenu (PDI). Eksperymenty wykazały, że ciągły wzrost stężenia PDI na powierzchni nanokryształów ostatecznie doprowadził do gwałtownego spadku szybkości przenoszenia elektronów.

Kluczem do zachowania, powiedział Rossy, jest wpływ interakcji wiążących ligandy między cząsteczkami PDI na geometrię aglomeratów PDI na powierzchniach kryształów. Gromadzenie dowodów wykazujących wpływ tych efektów grupowania wymaga specjalistycznej wiedzy z każdej grupy badawczej oraz rygorystycznej kombinacji eksperymentów spektroskopowych, obliczeń struktury elektronowej i symulacji dynamiki molekularnej.

Roberts powiedział: „Nasze wyniki pokazują, jak ważne jest rozważenie interakcji wiązań i wiązań podczas projektowania hybrydowych fotoaktywnych materiałów nanokrystalicznych do rozdzielania ładunków. Pokazaliśmy, że agregacja wiązań może z pewnością spowolnić transfer elektronów w pewnych okolicznościach. Co ciekawe, nasze modele obliczeniowe przewidują, że wiązanie agregacja może przyspieszać również transfer elektronów w innych warunkach.”

Rusky to krzesło Harry’ego C. i Olgi K. Wes Rice’s Natural Sciences Profesor chemii oraz inżynierii chemicznej i biomolekularnej.

Badania były wspierane przez NSF (CHE-2124983, CNS-1338099, DGE-1610403) oraz Fundację Welcha (F-1885, F-1188). Wsparcie dla urządzeń zapewnił Narodowy Instytut Zdrowia (OD021508); Wsparcie High Performance Computing zapewnia firma Advanced Micro Devices Inc. i Ryż Centrum Informatyki Badawczej.