{"id":1793,"date":"2019-05-22T02:47:44","date_gmt":"2019-05-22T02:47:44","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-the-development-of-quantum-dots-from-definition-to-application\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:06","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:06","slug":"the-development-of-quantum-dots-from-definition-to-application","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/die-entwicklung-der-quantenpunkte-von-der-definition-bis-zur-anwendung\/","title":{"rendered":"Die Entwicklung von Quantenpunkten - von der Definition bis zur Anwendung"},"content":{"rendered":"
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Die Entwicklung der Nanotechnologie hat in den letzten Jahrzehnten eine entscheidende Rolle in der wissenschaftlichen Forschung gespielt. Die endlosen Nanomaterialien werden heute in vielen Bereichen von der Katalyse bis zur Biomedizin eingesetzt. Unter den verschiedenen Nanomaterialien sind kolloidale Nanokristalle m\u00f6glicherweise eines der wichtigsten Branchenmaterialien und haben starke Anwendungsaussichten in vielen Bereichen. Paul Alivisatos von der University of California in Berkeley hat viele bahnbrechende Arbeiten im Nanobereich geleistet. Er stellte eine solche Frage in der Er\u00f6ffnungsausgabe der ber\u00fchmten Zeitschrift Nano Letters [1]: Warum kann ein so spezifischer Skalenbereich einen definieren? Wissenschaft und eine wissenschaftliche Zeitschrift? Was ist das Besondere an einer so \u00fcberzeugenden Nanometerskala? Hier haben wir eine kleine Fu\u00dfnote zusammengestellt, um zu versuchen, dieses Problem zu l\u00f6sen, indem wir die Entwicklung von Quantenpunkten (die Paul Alivisatos eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Quantenpunktmaterialien spielte) in verschiedenen Bereichen zusammenfassen.<\/div>\n

1. Definition<\/h2>\n
Im Allgemeinen sind kolloidale Nanokristalle Fragmente eines Kristalls mit einer Gr\u00f6\u00dfe von 1\u2013100 nm in einer metastabilen Form in L\u00f6sung. Aufgrund ihrer physikalischen Gr\u00f6\u00dfe und der kritischen Gr\u00f6\u00dfe vieler Eigenschaften, des betr\u00e4chtlichen Oberfl\u00e4chenatomverh\u00e4ltnisses, zeigen viele Eigenschaften kolloidaler Nanokristalle ein einzigartiges Ph\u00e4nomen in Bezug auf die Gr\u00f6\u00dfe [3]. Traditionell werden kolloidale Nanokristalle haupts\u00e4chlich in kolloidale Edelmetall-Nanokristalle und kolloidale Halbleiter-Nanokristalle eingeteilt. Wenn der geometrische Radius des kolloidalen Halbleiter-Nanokristalls kleiner als der Exziton-Boole-Radius des Grundmaterials ist, erscheinen gem\u00e4\u00df dem klassischen Quanteneinschlusseffekt die Energieniveaus des Valenzbands und des Leitungsbands in einer diskreten Verteilungsform. Es muss mit der Gr\u00f6\u00dfe zusammenh\u00e4ngen. Daher haben klassische Studien Halbleiter-Nanokristalle mit Radiusgr\u00f6\u00dfen von weniger als oder nahe dem Exzitonen-Boer-Radius als Quantenpunkte bezeichnet.<\/div>\n

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Abbildung 1 Struktur von Quantenpunkten (Oberfl\u00e4che und Kern) [2]<\/div>\n

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Abbildung 2 TEM-Aufnahme von monodispersen CdSe-Nanokristallen [4]<\/div>\n
At the initial stage of development of quantum dots, research has focused on the field of metal chalcogenides. In 1993, MIT’s Bawendi group [4] injected organometallic compounds into high-temperature solvents, and the compounds were thermally decomposed and nucleated in solution to obtain metal chalcogenides such as cadmium selenide (CdSe) with good dispersibility. Nanocrystalline. These high-quality semiconductor nanocrystals have a diameter size distribution in the range of about 1 nm to 12 nm, have a uniform crystal structure, and exhibit size-dependent light emission and absorption characteristics. This is an early classic of the systematic study of quantum dots in the rapid development of semiconductor nanocrystal research. However, after decades of development research, the concept of quantum dots has also been extended from the original semiconductor nanocrystals, and nowadays, materials such as perovskite quantum dots, carbon quantum dots, and inorganic quantum dots without cadmium have become Research hotspots. Therefore, the application of these emerging materials will also be involved.<\/div>\n

2.Led<\/h2>\n

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Abbildung 3 QLED-Tintenstrahldruck [7]<\/div>\n
As early as 1994, P. Alivisatos et al. first combined CdSe quantum dots with semiconducting polymers for the manufacture of novel organic-inorganic hybrid electroluminescent diodes. By developing new assembly techniques, researchers have constructed multi-layer quantum dots that enable charge transport. The advantages of traditional bulk inorganic semiconductor diodes in thermal, chemical, and mechanical stability have also been retained [5]. However, the organic layer in these devices will have very low carrier mobility and nanocrystalline conductivity, which directly drags the efficiency of the photovoltaic device. By around 2006, S. J. Rosenthal [6] and others prepared an ultra-small CdSe nanocrystal as a white phosphor. The quantum dots are very uniform in size and large in specific surface area, which significantly increases the probability of electrons and holes interacting on the surface of the nanocrystals, so that the Stokes shift of the nanocrystals can reach 40-50 nm and exhibit broad spectrum emission in the visible region. Characteristics. The invention of this new white phosphor has greatly expanded the application prospects of quantum dot light-emitting diodes (QLEDs). In recent years, laboratory preparation of QLED prototype devices has gradually matured in design and mechanism research [7], and the promotion of industrial production of large-area RGB pixel arrays has also become a research hotspot. Nowadays, the development of patterning technologies such as inkjet printing and transfer printing has laid the foundation for the maturity of QLED’s large-area display technology, and has significantly promoted the commercial application of QLED.<\/div>\n

3. Lebende Bildgebung<\/h2>\n

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Abbildung 4 Kohlenstoffpunkte f\u00fcr die optische Bildgebung in vivo [11]<\/div>\n
Fluorescence is a tool that has a wide range of applications in the biological field. Compared with traditional fluorescent dyes, quantum dots have the characteristics of high emission brightness, large molar extinction coefficient, and broad absorption spectrum, and can be used as a substitute for fluorescent dyes or fluorescent proteins. P. Alivisatos et al. [8] used quantum dots for fibroblast labeling in 1998, which has opened up the application of quantum dots as fluorescent probes for biomedical imaging. Nie Shuming’s research team also made pioneering work in the field of imaging. The research team not only used the covalent coupling of zinc sulfide\/cadmium selenide core-shell quantum dots with biomacromolecules as early as 1998 to achieve ultra-sensitive non-isotopic tracing [9], they also realized for the first time in living animals. Tumor targeting and imaging studies [10] have developed diagnostic studies for quantum dot disease. Inorganic nanocrystals, especially cadmium-based nanocrystals, can cause toxic effects on organisms, so the synthesis of quantum dots with excellent biocompatibility has been a research hotspot. For example, research on synthetic copper-based or silver-based quantum dots can effectively reduce the biological toxicity of materials. In addition, the development of metal-free quantum dots is also an important strategy. The carbon dots synthesized by Ya-Ping Sun et al. still retain considerable fluorescence intensity after injection into mice [11]. In addition to toxicity, optimizing the emission region of quantum dots to better conform to near-infrared bio-optical windows is also a challenge for nanocrystalline medical applications.<\/div>\n

4.Krebsbehandlung<\/h2>\n

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Abbildung 5 Mechanismus der Erzeugung von Singulett-Sauerstoff von Graphen-Quantenpunkten [13]<\/div>\n
Die photodynamische Therapie hat sich mittlerweile zu einem von der FDA zugelassenen Krebsbehandlungsprogramm entwickelt. Im Allgemeinen werden Photosensibilisatoren im K\u00f6rper dazu angeregt, reaktive Sauerstoffspezies zu produzieren, die Tumorzellen abt\u00f6ten. Der Photosensibilisator hat jedoch eine schlechte Wasserl\u00f6slichkeit und neigt dazu, die photochemische Aktivit\u00e4t aufgrund von Aggregation im K\u00f6rper zu verlieren. 2003 erl\u00e4uterte das Burda-Team [12] erstmals das Entwicklungspotenzial von CdSe-Quantenpunkten als Photosensibilisator. Die optischen Eigenschaften von Quantenpunkten bestimmen, dass es sich um einen leistungsstarken Photonenabsorber handelt, der Energie effizient \u00fcbertr\u00e4gt, und seine Oberfl\u00e4chenfunktionalisierung verbessert die Dispersion im K\u00f6rper. Um das Problem der Toxizit\u00e4t zu l\u00f6sen, fanden Wang Pengfei vom Institut f\u00fcr Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und das gemeinsame Team von Wenjun Zhang von der City University of Hong Kong [13] heraus, dass Graphen-Quantenpunkte effizient Singuletts produzieren k\u00f6nnen Sauerstoff und wirken auf lebende Tumore, um Tumore abzut\u00f6ten. Dar\u00fcber hinaus hat die j\u00fcngste Forschung Quantenpunktmaterialien auf die Anwendung der photothermischen Tumortherapie und Strahlentherapie ausgeweitet.<\/div>\n

5.K\u00fcnstliche Photosynthese<\/h2>\n

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Abbildung 6 Anwendungsvorteile von Quantenpunkten im Bereich der k\u00fcnstlichen Photosynthese [14]<\/div>\n
Gem\u00e4\u00df dem Quantenbegrenzungseffekt kann die Bandl\u00fccke der Quantenpunkte k\u00fcnstlich durch ein geeignetes Verfahren eingestellt werden, so dass der Absorptionsemissionsbereich der Quantenpunkte im Vergleich zu den entsprechenden Massenmaterialien und Molek\u00fclen den gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichts abdecken kann Farbstoffe. Dar\u00fcber hinaus sind die Exzitonenerzeugung und die Ladungstrennungseffekte von Quantenpunkten besser kontrollierbar, sodass die Anwendung von Quantenpunkten im Bereich der Katalyse ebenfalls ein sehr wichtiges Thema ist. In den 1980er Jahren konnten Forschungen zur Modifikation von Quantenpunkten zu Platin- oder Rutheniumoxid [15] und anderen Promotoren die Hydrolyse katalysieren. Seitdem arbeiten Forscher daran, eine auf Quantenpunkten basierende k\u00fcnstliche Photosynthese aufzubauen und ihre Leistung kontinuierlich zu optimieren. 2012 gelang ein wichtiger Durchbruch bei der photokatalytischen Wasserstoffproduktion von Quantenpunkt-Katalysatorsystemen. Krausset al. [16] fanden heraus, dass nach dem Beschichten der CdSe-Quantenpunkte mit Lipons\u00e4ure die Quantenpunkte leicht an das Nickelionen-Lipons\u00e4ure-System gebunden wurden, um ein hybrides katalytisches System zu bilden. Unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht kann dieses System die aktive Wasserstoffproduktion f\u00fcr mindestens 360 Stunden aufrechterhalten (Quantenausbeute bis zu 36%), was die Anwendungsaussichten von Nichtedelmetallkatalysatoren erheblich verbessert. Bisher, nachdem jahrzehntelange Entwicklung k\u00fcnstlicher Photosynthesesysteme in die Phase der Erforschung der Massenproduktion und des gro\u00dffl\u00e4chigen Einsatzes eingetreten sind, haben Quantenpunkte Vorteile gegen\u00fcber Edelmetallen in Bezug auf die Beschaffungsquelle und die Produktionskosten, aber die Entwicklung von Cadmium-frei etabliert Umweltfreundliche und auf sichtbares Licht ansprechende Quantenpunkte (wie z. B. Zinkselenid-Quantenpunkte) bleiben eine Herausforderung f\u00fcr die Implementierung neuer Energieumwandlungssysteme.<\/div>\n

6.Perowskit-Quantenpunkt<\/h2>\n

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Abbildung 7 Struktur und Eigenschaften von Bismut-Bleihalogenid-Perowskit-Quantenpunkten [17]<\/div>\n
So far, metal sulfide nanocrystals are the best-developed and most in-depth quantum dot materials, and they have the widest range of applications. In the past five years, quantum dots with a crystal structure of perovskite have become an emerging research hotspot. This new type of quantum dot is no longer a metal sulfide. Instead, it is a metal halide. A metal halide with a perovskite structure exhibits unique properties such as superconductivity and ferroelectric properties that are not available in conventional quantum dots. The earliest organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals have the disadvantage of being extremely sensitive to environmental factors such as oxygen and humidity, which limits the development of this material. Almost at the same time, Kovalenko’s research group [17] pioneered the preparation of all-inorganic bismuth-lead halide perovskite quantum dots in 2014. This colloidal quantum dot has a cubic perovskite crystal structure, while the exciton Bohr radius It does not exceed 12 nm and therefore exhibits dimensionally related spectral properties. This emerging material combines the advantages of quantum dots and perovskite materials to extend the potential applications of quantum dots. In the past year or two, perovskite quantum dots have not only been used in photovoltaic cells and optoelectronic display devices, but have not yet been manufactured. New laser materials [18] offer new strategies.<\/div>\n

7.Zusammenfassung<\/h2>\n
Quantum dots are representative materials for explaining the “size effect” of so-called nanomaterials. They have been applied more widely in more and more fields, from optoelectronic devices to photocatalysis to biodetection, covering almost the present and Future daily needs. However, due to space limitations, many quantum dot family member materials such as silicon quantum dots have not been mentioned, and the introduction of material applications has remained in representative research. By summarizing these classic research paradigms, it is expected that the development of quantum dots can be summarized to some extent.<\/div>\n
Verweise<\/div>\n
Willkommen bei Nano Letters. Nano-Buchstaben. 2001, 1, 1.<\/div>\n
\uf0a7 R. Kagan, E. Lifshitz, EH Sargent, et al. Bau von Ger\u00e4ten aus kolloidalen Quantenpunkten. Wissenschaft. 2016, 353(6302), aac5523.<\/div>\n
\uf0a7 Peng. Ein Essay zur Synthesechemie kolloidaler Nanokristalle. Nanoforschung. 2009, 2, 425-447.<\/div>\n
\uf0a7 B. Murray, DJ Norris, MG Bawendi. Synthese und Charakterisierung von nahezu monodispersen CdE(E = S, Se, Te)-Halbleiter-Nanokristalliten. Marmelade. Chem. Soc. 1993, 115, 8706\u20138715.<\/div>\n
\uf0a7 L. Colvin, MC Schlamp, AP Alivisatos. Leuchtdioden aus Cadmiumselenid-Nanokristallen und einem halbleitenden Polymer Natur. 1994, 370, 354-357.<\/div>\n
\uf0a7 J. Bowers, JR McBride, SJ Rosenthal. Wei\u00dflichtemission von Cadmiumselenid-Nanokristallen in magischer Gr\u00f6\u00dfe. Marmelade. Chem. Soc. 2006, 127, 15378-15379.<\/div>\n
\uf0a7 Dai, Y. Deng, X. Peng, et al. Quantenpunkt-Leuchtdioden f\u00fcr gro\u00dffl\u00e4chige Displays: Dem Beginn der Kommerzialisierung entgegen. Fortgeschrittene Materialien, 2017, 29, 1607022.<\/div>\n
\uf0a7 Bruchez, M. Moronne, P. Gin, et al. Halbleiter-Nanokristalle als fluoreszierende biologische Markierungen. Wissenschaft 1998, 281, 2013-2016.<\/div>\n
\uf0a7 CW Chan, S. Nie. Quantenpunkt-Biokonjugate f\u00fcr den hochempfindlichen nichtisotopischen Nachweis. Wissenschaft, 1998, 281, 2016-2018.<\/div>\n
\uf0a7 Gao, Y. Cui, RM Levenson, et al. In-vivo-Krebs-Targeting und -Bildgebung mit Halbleiter-Quantenpunkten. Nat. Biotech., 2004, 22, 969-976.<\/div>\n
\uf0a7ST. Yang, L. Cao, PG Luo, et al. Kohlenstoffpunkte f\u00fcr die optische Bildgebung in Vivo. Bin. Chem. Soc. 2009, 131, 11308-11309.<\/div>\n
\uf0a7 CS Samia, X. Chen, C. Burda. Halbleiter-Quantenpunkte f\u00fcr die photodynamische Therapie. Marmelade. Chem. Soc., 2003, 125, 15736-15737.<\/div>\n
\uf0a7 Ge, M. Lan, B. Zhou et al. Ein photodynamischer Graphen-Quantenpunkt-Therapiewirkstoff mit hoher Erzeugung von Singulett-Sauerstoff. Nat. Kommun. 2014, 5, 4596.<\/div>\n
\uf0a7 XB. Li, CH. Tung, LZ. Wu. Halbleitende Quantenpunkte f\u00fcr die k\u00fcnstliche Photosynthese. Rev.Chem. 2018, 2, 160-173.<\/div>\n
\uf0a7 Kalyanasundaram, E. Borgarello, D. Duonghong, et al. Wasserspaltung durch Bestrahlung kolloidaler CdS\u2010L\u00f6sungen mit sichtbarem Licht; Hemmung der Photokorrosion durch RuO2. Angew. Chem. Int. Ed. 1981, 20.<\/div>\n
\uf0a7 Han, F. Qiu, R. Eisenberg, et al. Robuste Photoerzeugung von H2 in Wasser unter Verwendung von Halbleiter-Nanokristallen und einem Nickelkatalysator. Wissenschaft 2012, 338, 1321-1324.<\/div>\n
\uf0a7 Protesescu, S. Yakunin, MI Bodnarchuk, et al. Nanokristalle aus C\u00e4sium-Blei-Halogenid-Perowskiten (CsPbX3, X = Cl, Br und I): Neuartiges optoelektronisches Material mit heller Emission und breiter Farbskala. Nano Lett. 2015, 15, 3692-3696.<\/div>\n
\uf0a7 Wang, X. Li, J. Song, et al. Vollanorganische kolloidale Perowskit\u2010Quantenpunkte: Eine neue Klasse von Lasermaterialien mit g\u00fcnstigen Eigenschaften. Advanced Materials, 2015, 27, 7101-7108.<\/div>\n<\/div>\n

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The development of nanotechnology has played a crucial role in scientific research in recent decades. The endless nanomaterials are now widely used in many fields from catalysis to biomedicine. Among various nanomaterials, colloidal nanocrystals may be one of the most important branch materials, and it has strong application prospects in many fields. Paul Alivisatos of…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"class_list":["post-1793","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-materials-weekly"],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1793","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1793"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1793\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1793"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1793"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1793"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}