Kvantpunktid pooljuhtides. Kolloidsed kvantpunktid. Jäätmelahuste kõrvaldamine

Arvukad 20. sajandi teisel poolel ilmunud spektroskoopilised meetodid – elektron- ja aatomijõumikroskoopia,ia, massispektromeetria – näivad olevat traditsioonilise optilise mikroskoopia juba ammu pensionile saatnud. Fluorestsentsnähtuse oskuslik kasutamine pikendas aga "veterani" eluiga rohkem kui korra. See artikkel räägib sellest kvantpunktid(fluorestseeruvad pooljuhtide nanokristallid), mis andsid optilisse mikroskoopiasse uued jõud ja võimaldasid vaadata kurikuulsast difraktsioonipiirist kaugemale. Kvantpunktide ainulaadsed füüsikalised omadused muudavad need ideaalseks bioloogiliste objektide ülitundlikuks mitmevärviliseks registreerimiseks, aga ka meditsiiniliseks diagnostikaks.

Ettekandes antakse ideid kvantpunktide ainulaadseid omadusi määravatest füüsikalistest põhimõtetest, nanokristallide kasutamise peamistest ideedest ja väljavaadetest ning räägitakse juba saavutatud õnnestumistest nende rakendamisel bioloogias ja meditsiinis. Artikkel põhineb viimastel aastatel Bioorgaanilise Keemia Instituudi molekulaarbiofüüsika laboris tehtud uuringute tulemustel. MM. Shemyakin ja Yu.A. Ovtšinnikovi eesmärk oli koos Reimsi ülikooli ja Valgevene Riikliku Ülikooliga välja töötada uue põlvkonna biomarkerite tehnoloogia erinevate kliinilise diagnostika valdkondade jaoks, sealhulgas vähi ja autoimmuunhaiguste jaoks, samuti luua uut tüüpi nanosensoreid paljude biomeditsiiniliste parameetrite samaaegseks registreerimiseks. Teose algversioon avaldati ajakirjas The Nature; Mingil määral põhineb artikkel IBCh RASi noorte teadlaste nõukogu teisel seminaril. - Toim.

I osa, teoreetiline

Joonis 1. Diskreetsed energiatasemed nanokristallides."tahke" pooljuht ( vasakule) on valentsriba ja juhtivusriba, mis on eraldatud ribavahega Nt. Pooljuht nanokristall ( paremal) iseloomustavad diskreetsed energiatasemed, mis on sarnased üksiku aatomi energiatasemetega. Nanokristallis Nt on suuruse funktsioon: nanokristalli suuruse suurenemine toob kaasa vähenemise Nt.

Osakeste suuruse vähendamine toob kaasa materjali, millest see on valmistatud, väga ebatavaliste omaduste ilmnemise. Selle põhjuseks on kvantmehaanilised efektid, mis tekivad siis, kui laengukandjate liikumine on ruumiliselt piiratud: kandjate energia muutub sel juhul diskreetseks. Ja energiatasemete arv, nagu õpetab kvantmehaanika, sõltub "potentsiaalikaevu" suurusest, potentsiaalibarjääri kõrgusest ja laengukandja massist. "Kaevu" suuruse suurendamine toob kaasa energiatasemete arvu suurenemise, mis samal ajal muutuvad üksteisele lähedasemaks, kuni nad ühinevad ja energiaspekter muutub "pidevaks" (joon. 1). Laengukandjate liikumist saab piirata mööda ühte koordinaati (moodustab kvantfilme), mööda kahte koordinaati (kvantjuhtmed või -kiud) või mööda kõiki kolme suunda - need on kvantpunktid(CT).

Pooljuhtide nanokristallid on vahestruktuurid molekulaarsete klastrite ja "tahkete" materjalide vahel. Piirid molekulaarsete, nanokristalliliste ja tahkete materjalide vahel ei ole täpselt määratletud; vahemikku 100 ÷ 10 000 aatomit osakese kohta võib aga jämedalt pidada nanokristallide "ülemaks piiriks". Ülemine piir vastab mõõtmetele, mille puhul energiatasemete vaheline intervall ületab soojusvibratsiooni energia kT (k on Boltzmanni konstant, T- temperatuur), kui laengukandjad muutuvad liikuvaks.

Elektrooniliselt ergastatud piirkondade loomuliku pikkuse skaala "pidevates" pooljuhtides määratakse Bohri eksitoni raadiusega a x, mis sõltub elektronide vahelise Coulombi interaktsiooni tugevusest ( e) Ja auk (h). Nanokristallides suurusjärk ise suurus x hakkab mõjutama paari konfiguratsiooni e-h ja sellest ka eksitoni suurus. Selgub, et antud juhul määrab elektroonilised energiad otseselt nanokristalli suurus – seda nähtust tuntakse kui "kvantsulgumise efekti". Seda efekti kasutades saab kontrollida nanokristallide ribade vahet ( Nt), muutes lihtsalt osakeste suurust (tabel 1).

Kvantpunktide ainulaadsed omadused

Füüsikalise objektina on kvantpunktid tuntud juba pikka aega, olles üks tänapäeval intensiivselt arendatud vorme. heterostruktuurid. Kolloidsete nanokristallide kujul olevate kvantpunktide tunnuseks on see, et iga punkt on lahustis isoleeritud ja liikuv objekt. Sellistest nanokristallidest saab ehitada erinevaid assotsiatsioone, hübriide, järjestatud kihte jms, mille baasil elektroonika- ja optoelektrooniliste seadmete elemendid, sondid ja andurid aine mikromahus analüüsimiseks, erinevad fluorestsents-, kemoluminestsents- ja fotoelektrokeemilised nanoskaala andurid. on ehitatud.

Pooljuhtnanokristallide kiire tungimine erinevatesse teaduse ja tehnoloogia valdkondadesse on nende ainulaadsete optiliste omaduste tõttu:

• kitsas sümmeetriline fluorestsentsi tipp (erinevalt orgaanilistest värvainetest, mida iseloomustab pika lainepikkusega "saba"; joonis 2, vasakule), mille asukohta kontrollib nanokristalli suuruse ja koostise valik (joonis 3);
• lai ergastusriba, mis võimaldab ühe kiirgusallikaga ergastada erinevat värvi nanokristalle (joon. 2, vasakule). See eelis on mitmevärviliste kodeerimissüsteemide loomisel põhiline;
• kõrge fluorestsentsi heledus, mille määrab kõrge ekstinktsiooniväärtus ja kõrge kvantsaagis (CdSe/ZnS nanokristallide puhul kuni 70%);
• ainulaadselt kõrge fotostabiilsus (joonis 2, paremal), mis võimaldab kasutada suure võimsusega ergutusallikaid.

Joonis 2. Kaadmium-seleeni (CdSe) kvantpunktide spektraalsed omadused. Vasak: Erinevat värvi nanokristalle saab ergastada ühe allikaga (nool näitab ergastamist argoonlaseriga lainepikkusega 488 nm). Sisend näitab ühe valgusallika (UV-lambi) poolt ergastatud erineva suurusega (ja vastavalt ka värvidega) CdSe / ZnS nanokristallide fluorestsentsi. Paremal: Kvantpunktid on teiste tavaliste värvainetega võrreldes äärmiselt fotostabiilsed, mis hävivad kiiresti fluorestsentsmikroskoobis elavhõbedalambi valgusvihu all.

Joonis 3. Erinevatest materjalidest kvantpunktide omadused. Ülal: Erinevatest materjalidest valmistatud nanokristallide fluorestsentsvahemikud. Alt: Erineva suurusega CdSe kvantpunktid katavad kogu nähtava vahemiku 460–660 nm. Paremalt alumine: Stabiliseeritud kvantpunkti skeem, kus "tuum" on kaetud pooljuhtkesta ja kaitsva polümeerikihiga.

Tootmistehnoloogia

Nanokristallide süntees viiakse läbi prekursorühendite kiire süstimisega reaktsioonikeskkonda kõrgel temperatuuril (300–350 °C) ja sellele järgneva nanokristallide aeglase kasvuga suhteliselt madalal temperatuuril (250–300 °C). Sünteesi “fokuseerimise” režiimis on väikeste osakeste kasvukiirus suurem kui suurte osakeste kasvukiirus, mille tulemusena väheneb nanokristallide suuruste levik , .

Kontrollitud sünteesitehnoloogia võimaldab kontrollida nanoosakeste kuju, kasutades nanokristallide anisotroopiat. Konkreetsele materjalile iseloomulik kristallstruktuur (näiteks CdSe-d iseloomustab kuusnurkne pakkimine – wurtsiit, joon. 3) vahendab "valitud" kasvusuundi, mis määravad nanokristallide kuju. Nii saadakse nanovardad ehk tetrapoodid – neljas suunas piklikud nanokristallid (joonis 4).

Joonis 4. CdSe nanokristallide erinevad kujud. Vasak: CdSe/ZnS sfäärilised nanokristallid (kvantpunktid); keskel: vardakujulised (kvantvardad). Paremal: tetrapoodide kujul. (Edastuselektronmikroskoopia. Mark – 20 nm.)

Praktilise rakendamise takistused

II–VI rühmade pooljuhtidest pärit nanokristallide praktilist kasutamist takistavad mitmed piirangud. Esiteks sõltub nende luminestsentsi kvantsaagis oluliselt keskkonna omadustest. Teiseks on ka nanokristallide "südamike" stabiilsus vesilahustes madal. Probleem seisneb pinna "defektides", mis mängivad mittekiirguslike rekombinatsioonikeskuste või erutunud "lõksude" rolli. e-h aur.

Nende probleemide lahendamiseks suletakse kvantpunktid kesta, mis koosneb mitmest laia vahega materjali kihist. See võimaldab teil isoleerida e-h paarduda tuumas, pikendada selle eluiga, vähendada mittekiirguslikku rekombinatsiooni ja seega suurendada fluorestsentsi kvantsaagist ja fotostabiilsust.

Sellega seoses on siiani kõige laialdasemalt kasutatavatel fluorestseeruvatel nanokristallidel südamiku/kesta struktuur (joonis 3). Täiustatud protseduurid CdSe/ZnS nanokristallide sünteesiks võimaldavad saavutada 90% kvantsaagise, mis on lähedane parimatele orgaanilistele fluorestsentsvärvidele.

II osa: kvantpunktide rakendamine kolloidsete nanokristallide kujul

Fluorofoorid meditsiinis ja bioloogias

QD-de ainulaadsed omadused võimaldavad neid kasutada peaaegu kõigis bioloogiliste objektide märgistamise ja visualiseerimise süsteemides (välja arvatud ainult fluorestseeruvad rakusisesed märgised, mis on ekspresseeritud geneetiliselt - laialt tuntud fluorestseeruvad valgud).

Bioloogiliste objektide või protsesside visualiseerimiseks võib QD-sid süstida otse objekti või koos „kinnitatud” äratundmismolekulidega (tavaliselt antikehad või oligonukleotiidid). Nanokristallid tungivad ja jaotuvad kogu objektis vastavalt nende omadustele. Näiteks erineva suurusega nanokristallid läbistavad bioloogilisi membraane erineval viisil ja kuna suurus määrab fluorestsentsi värvuse, osutuvad ka objekti erinevad piirkonnad erinevat värvi (joon. 5) , . Tuvastavate molekulide olemasolu nanokristallide pinnal võimaldab rakendada sihipärast sidumist: soovitud objekt (näiteks kasvaja) värvitakse etteantud värviga!

Joonis 5. Objektide värvimine. Vasak: mitmevärviline konfokaalne fluorestseeruv pilt kvantpunktide jaotusest inimese fagotsüütide THP-1 rakuliini rakulise tsütoskeleti ja tuuma mikrostruktuuri taustal. Nanokristallid jäävad rakkudes fotostabiilseks vähemalt 24 tunniks ega kahjusta rakkude struktuuri ega talitlust. Paremal: RGD peptiidiga "ristseotud" nanokristallide kuhjumine kasvaja piirkonnas (nool). Paremal - kontroll, sisestatud peptiidita nanokristallid (CdTe nanokristallid, 705 nm).

Spektraalne kodeerimine ja "vedelad mikrokiibid"

Nagu juba mainitud, on nanokristallide fluorestsentsi tipp kitsas ja sümmeetriline, mis võimaldab usaldusväärselt isoleerida erinevat värvi (nähtavas vahemikus kuni kümme värvi) nanokristallide fluorestsentsi signaali. Vastupidi, nanokristallide neeldumisriba on lai, see tähendab, et igat värvi nanokristalle saab ergutada üksainus valgusallikas. Need omadused, nagu ka nende kõrge fotostabiilsus, muudavad kvantpunktid ideaalseteks fluorofoorideks objektide mitmevärviliseks spektraalseks kodeerimiseks – sarnaselt vöötkoodiga, kuid kasutades infrapunapiirkonnas fluorestseerivaid mitmevärvilisi ja "nähtamatuid" koode.

Praegu kasutatakse üha enam mõistet “vedelik mikrokiibid”, mida saab sarnaselt klassikaliste lamedate kiipidega, kus tuvastavad elemendid asuvad tasapinnal, kasutada proovimikromahtude abil mitme parameetri samaaegseks analüüsimiseks. Spektraalse kodeerimise põhimõtet vedelate mikrokiipide abil illustreerib joonis 6. Iga mikrokiibi element sisaldab etteantud arvu teatud värvi QD-sid ning kodeeritud variantide arv võib olla väga suur!

Joonis 6. Spektraalse kodeerimise põhimõte. Vasak:"tavaline" lame mikrokiip. Paremal:"vedel mikrokiip", mille iga element sisaldab teatud arvu teatud värvi CT-sid. Kell n fluorestsentsi intensiivsuse tasemed ja m värve, on kodeeritud variantide teoreetiline arv n m-1. Seega on 5–6 värvi ja 6 intensiivsuse taseme puhul 10 000–40 000 valikut.

Selliseid kodeeritud mikroelemente saab kasutada mis tahes objektide (näiteks väärtpaberite) otseseks märgistamiseks. Polümeermaatriksitesse põimituna on need äärmiselt stabiilsed ja vastupidavad. Teine rakendusaspekt on bioloogiliste objektide tuvastamine varajase diagnostika meetodite väljatöötamisel. Näidus- ja identifitseerimismeetod seisneb selles, et mikrokiibi igale spektraalselt kodeeritud elemendile kinnitatakse konkreetne äratundmismolekul. Lahus sisaldab teist äratundmismolekuli, mille külge "õmmeldakse" signaalfluorofoor. Mikrokiibi fluorestsentsi ja signaali fluorofoori samaaegne ilmumine näitab uuritava objekti olemasolu analüüsitavas segus.

Voolutsütomeetriat saab kasutada kodeeritud mikroosakeste käigupealt analüüsimiseks. Mikroosakesi sisaldav lahus läbib laseriga kiiritatud kanali, kus iga osakest iseloomustatakse spektraalselt. Seadme tarkvara võimaldab tuvastada ja iseloomustada sündmusi, mis on seotud teatud ühendite ilmnemisega proovis – näiteks vähi või autoimmuunhaiguste markerid,.

Tulevikus saab pooljuhtfluorestsents-nanokristallide baasil luua mikroanalüsaatoreid tohutu hulga objektide samaaegseks registreerimiseks.

Molekulaarsed andurid

QD-de kasutamine sondidena võimaldab mõõta kohalikes piirkondades keskkonna parameetreid, mille suurus on võrreldav sondi suurusega (nanomeetri skaala). Selliste mõõteriistade töö põhineb Försteri resonantsenergia ülekande (FRET) efekti kasutamisel. FRET-efekti olemus seisneb selles, et kui kaks objekti lähenevad üksteisele (doonor ja aktseptor) ja kattuvad fluorestsentsi spekter esimene pärast neeldumisspekter teiseks, energia kandub üle mittekiirguse teel – ja kui aktseptor suudab fluorestseeruda, siis helendab ta kättemaksuga.

FRET-efektist kirjutasime juba artiklis “ Mõõdulint spektroskoopile » .

Kvantpunktide kolm parameetrit muudavad need FRET-vormingus süsteemides väga atraktiivseteks doonoriteks.

1. Võimalus valida suure täpsusega emissiooni lainepikkust, et saada doonori emissioonispektrite ja aktseptori ergastuse maksimaalne kattumine.
2. Erinevate QD-de ergastamise võimalus ühe valgusallika ühe lainepikkuse võrra.
3. Ergastamise võimalus emissiooni lainepikkusest kaugel asuvas spektripiirkonnas (erinevus >100 nm).

FRET-efekti kasutamiseks on kaks strateegiat:

• kahe molekuli interaktsiooni akti registreerimine, mis on tingitud konformatsioonilistest muutustest doonor-aktseptor süsteemis ja
• doonori või aktseptori optiliste omaduste (näiteks neeldumisspektri) muutuste registreerimine.

See lähenemisviis võimaldas rakendada nanoskaala andureid pH ja metalliioonide kontsentratsiooni mõõtmiseks proovi kohalikus piirkonnas. Tundlik element sellises anduris on indikaatormolekulide kiht, mis registreeritud iooniga seondudes muudavad oma optilisi omadusi. Sidumise tulemusena muutub QD-de fluorestsentsspektrite kattuvus ja indikaatori neeldumine, mis muudab ka energiaülekande efektiivsust.

Lähenemisviis, mis kasutab konformatsioonilisi muutusi doonor-aktseptorsüsteemis, on rakendatud nanoskaala temperatuurianduris. Anduri toime põhineb kvantpunkti ja aktseptori - fluorestsentskustutaja - seotava polümeeri molekuli kuju muutumisel. Temperatuuri muutudes muutub nii kustutaja ja fluorofoori vaheline kaugus kui ka fluorestsentsi intensiivsus, millest tehakse juba järeldus temperatuuri kohta.

Molekulaardiagnostika

Täpselt samamoodi saab registreerida doonori ja aktseptori vahelise sideme katkemise või tekkimise. Joonisel 7 on kujutatud registreerimise "sandwich" põhimõtet, mille puhul registreeritud objekt toimib lingina ("adapterina") doonori ja aktseptori vahel.

Joonis 7. FRET-vormingus registreerimise põhimõte. Konjugaadi (“vedel mikrokiip”) (salvestatud objekt) (signaalfluorofoor) moodustumine viib doonori (nanokristalli) aktseptorile (värv AlexaFluor) lähemale. Laserkiirgus iseenesest ei erguta värvaine fluorestsentsi; fluorestsentssignaal ilmub ainult tänu resonantsenergia ülekandele CdSe / ZnS nanokristallilt. Vasak: energiaülekande konjugeeritud struktuur. Paremal: värvaine ergastamise spektraalskeem.

Selle meetodi rakendamise näide on autoimmuunhaiguse diagnostika loomine süsteemne sklerodermia(sklerodermia). Siin toimisid doonori rollis kvantpunktid fluorestsentsi lainepikkusega 590 nm ja aktseptorina orgaaniline värvaine AlexaFluor 633. Mikroosakese pinnale "õmmeldi" autoantikeha antigeen, sklerodermia marker. mis sisaldavad kvantpunkte. Lahusesse viidi värvainega märgistatud sekundaarsed antikehad. Sihtmärgi puudumisel ei lähene värvaine mikroosakese pinnale, energiaülekanne puudub ja värvaine ei fluorestseeru. Aga kui proovis ilmuvad autoantikehad, siis moodustub see mikroosakeste-autoantikeha-värvi kompleksi. Energia ülekande tulemusena värvaine ergastub ja selle fluorestsentssignaal ilmub spektrisse lainepikkusega 633 nm.

Selle töö tähtsus seisneb ka selles, et autoantikehi saab kasutada diagnostiliste markeritena autoimmuunhaiguste kõige varasemas arengustaadiumis. "Vedelad mikrokiibid" võimaldavad luua testsüsteeme, milles antigeenid on palju loomulikumates tingimustes kui lennukis (nagu "tavalistes" mikrokiipides). Juba saadud tulemused avavad tee uut tüüpi kliiniliste diagnostiliste testide loomisele, mis põhinevad kvantpunktide kasutamisel. Ja spektraalselt kodeeritud vedelate mikrokiipide kasutamisel põhinevate lähenemisviiside rakendamine võimaldab üheaegselt määrata paljude markerite sisaldust korraga, mis on aluseks diagnostiliste tulemuste usaldusväärsuse olulisele suurenemisele ja varajase diagnoosimise meetodite väljatöötamisele. .

Hübriidmolekulaarsed seadmed

Kvantpunktide spektraalomaduste paindliku juhtimise võimalus avab tee nanoskaala spektriseadmetele. Eelkõige võimaldasid kaadmium-telluuriumil (CdTe) põhinevad QD-d spektraalset tundlikkust laiendada bakteriorodopsiin(bR), mis on tuntud oma võime poolest kasutada valgusenergiat prootonite "pumbamiseks" läbi membraani. (Saadud elektrokeemilist gradienti kasutavad bakterid ATP sünteesimiseks.)

Tegelikult saadi uus hübriidmaterjal: kvantpunktide kinnitamine lilla membraan- lipiidmembraan, mis sisaldab tihedalt pakitud bakteriorodopsiini molekule - laiendab valgustundlikkuse ulatust spektri UV- ja sinise piirkonna suhtes, kus "tavaline" bR ei neela valgust (joonis 8) . Energia ülekandemehhanism bakteriorodopsiinile UV- ja sinises piirkonnas valgust neelavast kvantpunktist on endiselt sama: see on FRET; Sel juhul on kiirguse aktseptor võrkkesta- sama pigment, mis töötab fotoretseptoris rodopsiinis.

Joonis 8. Bakteriorodopsiini "uuendamine" kvantpunktide abil. Vasak: proteoliposoom, mis sisaldab bakteriorodopsiini (trimeeride kujul), millele on “õmmeldud” CdTe-põhised kvantpunktid (näidatud oranžide sfääridena). Paremal: skeem bR spektraalse tundlikkuse laiendamiseks QD tõttu: spektril piirkond ülevõtmised CT on spektri UV- ja sinises osas; ulatus heitkogused saab "kohandada", valides nanokristalli suuruse. Selles süsteemis aga kvantpunktide kaudu energiaemissiooni ei toimu: energia migreerub mittekiirguslikult bakteriorodopsiiniks, mis toimib (pumpab H + ioone liposoomi).

Selle materjali baasil loodud proteoliposoomid (bR-CT hübriidi sisaldavad lipiidide vesiikulid) pumpavad valgustuse all endasse prootoneid, alandades efektiivselt pH-d (joonis 8). See esmapilgul tähtsusetu leiutis võib tulevikus olla optoelektrooniliste ja fotooniliste seadmete aluseks ning leida rakendust elektrienergiatööstuses ja muud tüüpi fotoelektriliste muundamise valdkonnas.

Kokkuvõtvalt tuleb rõhutada, et nano-, bionano- ja biovask-nanotehnoloogiate kõige lootustandvamad objektid on kolloidsete nanokristallide kujul olevad kvantpunktid. Pärast kvantpunktide kui fluorofooride võimaluste esmakordset demonstreerimist 1998. aastal valitses mitu aastat tuulevaikus, mis oli seotud uute originaalsete lähenemisviiside kujunemisega nanokristallide kasutamisel ja nende ainulaadsete objektide potentsiaali realiseerimisega. Kuid viimastel aastatel on toimunud järsk tõus: ideede kuhjumine ja nende elluviimine on määranud läbimurde uute seadmete ja tööriistade loomisel, mis põhinevad pooljuhtide nanokristalliliste kvantpunktide kasutamisel bioloogias, meditsiinis, elektroonikas ja päikeseenergias. tehnoloogia ja paljud teised. Muidugi on sellel teel veel palju lahendamata probleeme, kuid kasvav huvi, nende probleemidega tegelevate meeskondade kasvav arv, sellele valdkonnale pühendatud publikatsioonide kasvav arv lubavad meil loota, et kvantpunktid muutuvad järgmise põlvkonna tehnoloogia ja tehnoloogia aluseks.

Videosalvestus V.A. Oleinikov 17. mail 2012 toimunud IBCh RAS noorte teadlaste nõukogu teisel seminaril.

Kirjandus

1. Oleinikov V.A. (2010). Kvantpunktid bioloogias ja meditsiinis. Loodus. 3 , 22;
2. Oleinikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. (2007). Fluorestseeruvad pooljuhtide nanokristallid bioloogias ja meditsiinis. Venemaa nanotehnoloogiad. 2 , 160–173;
3. Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Mihhail Artemjev, Vladimir Oleinikov jt. al. (2002). Väga stabiilsed fluorestseeruvad nanokristallid kui uudne märgiste klass parafiiniga manustatud koelõikude immunohistokeemiliseks analüüsiks. Labi investeerimine. 82 , 1259-1261;
4. C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Peaaegu monodisperssete CdE (E = väävel, seleen, telluur) pooljuhtide nanokristallitide süntees ja iseloomustus. J. Am. Chem. soc.. 115 , 8706-8715;
5. Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Heledad UV-sinised luminestseeruvad kolloidsed ZnSe nanokristallid. J Phys. Chem. B. 102 , 3655-3657;
6. Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Kolloidsete pooljuhtide nanokristallide kuju reguleerimine. J. Clust. sci. 13 , 521–532;
7. Fluorestseeruv Nobeli keemiaauhind;
8. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher jt. al. (2007). Funktsionaliseerimata nanokristallid saavad ära kasutada raku aktiivset transpordimasinat, toimetades need konkreetsetesse tuuma- ja tsütoplasmaatilistesse sektsioonidesse. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
9. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅ‚gorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell jt. al. (2009). Rakutüübispetsiifiliste intratsellulaarsete nanoskaala barjääride uurimine, kasutades suuruse järgi häälestatud kvantpunkte, nano-pH-meeter ;
10. Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach jt. al. (2007). Nanokristallidega kodeeritud fluorestseeruvad mikrohelmed proteoomika jaoks: antikehade profileerimine ja autoimmuunhaiguste diagnostika. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
11. Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov jt. al. (2010). Resonantsenergia ülekanne parandab bakteriorodopsiini bioloogilist funktsiooni lilladest membraanidest ja pooljuhtide kvantpunktidest valmistatud hübriidmaterjalis. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;

, kvantpunktid

Mõne nanomeetri suurused pooljuhtkristallid, mis on sünteesitud kolloidmeetodil. Kvantpunktid on saadaval nii tuumade kui ka südamiku ja kesta heterostruktuuridena. Väikese suuruse tõttu on QD-del omadused, mis erinevad puistepooljuhtide omadustest. Laengukandjate liikumise ruumiline piiratus toob kaasa kvantsuuruse efekti, mis väljendub elektrooniliste tasandite diskreetses struktuuris, mistõttu QD-sid nimetatakse mõnikord ka "tehisaatomiteks".

Kvantpunktid, olenevalt nende suurusest ja keemilisest koostisest, avaldavad fotoluminestsentsi nähtavas ja infrapuna lähedal. Suure suuruse ühtluse tõttu (üle 95%) on kavandatavatel nanokristallidel kitsad emissioonispektrid (fluorestsentsi piigi poollaius 20-30 nm), mis tagab fenomenaalse värvipuhtuse.

Kvantpunkte saab tarnida lahustena mittepolaarsetes orgaanilistes lahustites, nagu heksaan, tolueen, kloroform, või kuivpulbritena.

Lisainformatsioon

Eriti huvitavad on fotoluminestseeruvad kvantpunktid, milles footoni neeldumisel tekivad elektron-augu paarid ning elektronide ja aukude rekombinatsioon põhjustab fluorestsentsi. Sellistel kvantpunktidel on kitsas ja sümmeetriline fluorestsentsi tipp, mille asukoha määrab nende suurus. Seega võivad QD-d olenevalt suurusest ja koostisest fluorestseeruda UV-, nähtava- või IR-spektripiirkonnas.

Kaadmiumkalkogeniididel põhinevad kvantpunktid fluorestseerivad olenevalt nende suurusest erinevates värvides

Näiteks ZnS, CdS ja ZnSe QD-d fluorestseerivad UV-piirkonnas, CdSe ja CdTe nähtavas piirkonnas ning PbS, PbSe ja PbTe lähis-IR piirkonnas (700-3000 nm). Lisaks saab ülaltoodud ühenditest luua heterostruktuure, mille optilised omadused võivad erineda algsete ühendite omadest. Kõige populaarsem on laiema vahega pooljuhi kesta kasvatamine südamikule kitsa vahega, näiteks ZnS kest kasvatatakse CdSe südamikule:

CdSe tuumast koosneva kvantpunkti struktuuri mudel, mis on kaetud ZnS (sfaleriidi struktuurne tüüp) epitaksiaalse kestaga

See lähenemine võimaldab oluliselt suurendada QD-de vastupidavust oksüdatsioonile, aga ka suurendada fluorestsentsi kvantsaagist mitu korda tänu tuuma pinnal esinevate defektide arvu vähenemisele. QD-de eripäraks on pidev neeldumisspekter (fluorestsentsi ergastus) laias lainepikkuste vahemikus, mis sõltub ka QD suurusest. See võimaldab samaaegselt ergutada erinevaid kvantpunkte samal lainepikkusel. Lisaks on QD-del suurem heledus ja parem fotostabiilsus võrreldes traditsiooniliste fluorofooridega.

Sellised kvantpunktide ainulaadsed optilised omadused avavad laialdasi väljavaateid nende kasutamiseks optiliste andurite, fluorestsentsmarkerite, valgustundlikkuse tekitajatena meditsiinis, aga ka IR-piirkonna fotodetektorite, suure tõhususega päikesepatareide, subminiatuursete LED-ide, valge valgusallikate tootmiseks. , üheelektronilised transistorid ja mittelineaarsed - optilised seadmed.

Kvantpunktide saamine

Kvantpunktide saamiseks on kaks peamist meetodit: kolloidne süntees, mis viiakse läbi lähteainete segamisel “kolvis” ja epitakseerimine, s.o. orienteeritud kristallide kasv substraadi pinnal.

Esimest meetodit (kolloidset süntees) rakendatakse mitmes versioonis: kõrgel või toatemperatuuril, inertses atmosfääris orgaanilise lahusti keskkonnas või vesilahuses, metallorgaaniliste lähteainetega või ilma, tuuma moodustumist hõlbustavate molekulaarklastritega või ilma. Kvantpunktide saamiseks kasutame kõrge temperatuuriga keemilist sünteesi, mis viiakse läbi inertses atmosfääris, kuumutades kõrge keemistemperatuuriga orgaanilistes lahustites lahustatud anorgaanilisi metallilisi lähteaineid. See võimaldab saada ühtlase suurusega kvantpunkte kõrge fluorestsentsi kvantsaagisega.

Kolloidse sünteesi tulemusena saadakse nanokristallid, mis on kaetud adsorbeeritud pindaktiivsete molekulide kihiga:

Hüdrofoobse pinnaga kolloidse südamiku ja kesta kvantpunkti skemaatiline kujutis. Oranž näitab kitsa vahega pooljuhi südamikku (näiteks CdSe), punane näitab laia vahega pooljuhi kesta (näiteks ZnS) ja must näitab pindaktiivsete molekulide orgaanilist kesta.

Hüdrofoobse orgaanilise kesta tõttu saab kolloidseid kvantpunkte lahustada mis tahes mittepolaarsetes lahustites ning sobiva modifikatsiooniga vees ja alkoholides. Teine kolloidsünteesi eelis on võimalus saada kvantpunkte subkilogrammides kogustes.

Teine meetod (epitaksia) - nanostruktuuride moodustumine teise materjali pinnale on reeglina seotud ainulaadsete ja kallite seadmete kasutamisega ning lisaks viib maatriksi külge "kinnitatud" kvantpunktide tekkeni. . Epitaksia meetodit on raske tööstuslikule tasemele skaleerida, mis muudab selle kvantpunktide masstootmise jaoks vähem atraktiivseks.

abstraktne

WRC sisaldab:

Seletuskiri sisaldab 63 lehekülge, 18 joonist, 7 tabelit, 53 allikat;

Esitlus 25 slaidi.

HÜDROKEEMILISE SÜNTEESI MEETOD, KVANTPUNKTID, PLIISULFIID, KAADMIUMSULFIID, TAHKE LAHUS, FOTONIDE KORRELATSIOONI SPEKTROSKOPIA.

Antud töö uurimisobjektiks olid hüdrokeemilise sadestamise teel saadud CdS, PbS ja CdS-PbS tahke lahuse kvantpunktid.

Käesoleva lõpukvalifikatsioonitöö eesmärgiks on saada vesikeskkonnast hüdrokeemilise sünteesi teel kolloidseid kvantpunkte CdS, PbS ja CdS-PbS süsteemis, samuti uurida nende osakeste suurusi ja uurida luminestsentsi sõltuvust suurustest.

Selle eesmärgi saavutamiseks on vaja optimeerida reaktsioonisegu, uurida sünteesitud kolloidlahuste koostist, struktuuri, osakeste suurust ja omadusi.

Kvantpunktide põhjalikuks uurimiseks kasutati fomeetodit. Katseandmeid töödeldi arvutitehnoloogia abil ja analüüsiti.

Abstraktne 3

1.KIRJANDUSLIK ÜLEVAADE 7

1.1. Mõiste "kvantpunkt" 7

1.2 Kvantpunktide rakendamine 9

1.2.1.Laserite materjalid 10

1.2.2. LED-ide materjalid 11

1.2.3 Päikesepaneelide materjalid 11

1.2.4 Väljatransistoride materjalid 13

1.2.5 Kasutamine biomärgistena 14

1.3. Kvantpunktide õppimise meetodid 15

1.4 Kvantpunktide omadused 18

1.5 Osakeste suuruse määramise meetodid 21

1.5.1 Spektrofotomeeter Photocor Compact 21

2. Katseprotseduur 25

2.1 Hüdrokeemilise sünteesi meetod 25

2.2 Keemilised reaktiivid 27

2.3 Jäätmelahuste kõrvaldamine 27

2.4. Mõõtmistehnika osakeste analüsaatoril Photocor Compact 28

2.4.1 Dünaamilise valguse hajumise meetodi (footonite korrelatsioonspektroskoopia) alused 28

3.Katseosa 30

3.1 Kvantpunktide süntees kaadmiumsulfiidil 30

3.1.1 Kaadmiumisoola kontsentratsiooni mõju CdS 32 QD osakeste suurusele

3.2 Pliisulfiidil põhinevate kvantpunktide süntees 33

3.2.1 Pliisoola kontsentratsiooni mõju PbS 34 QD osakeste suurusele

3.3 CdS-PbS 35 tahke lahusel põhinevate kvantpunktide süntees

4. Eluohutus 39

4.1.Sissejuhatus eluohutust käsitlevasse jaotisesse 39

4.2. Kahjulikud ja ohtlikud tootmistegurid laboris 40

4.2.1 Kahjulikud ained 40

4.2.2. Mikrokliima parameetrid 42

4.2.3 Ventilatsioon 43

4.2.5.Valgustus 45

4.2.6 Elektriohutus 46

4.2.7 Tuleohutus 47

4.2.8 Hädaolukorrad 48

Järeldused jaotise BDZ 49 kohta

5.2.4. Kolmandate isikute teenuste kulude arvutamine 55

Üldised järeldused 59

Viited 60

Sissejuhatus

Kvantpunkt on juhi või pooljuhi fragment, mille laengukandjad (elektronid või augud) on ruumiliselt piiratud kõigis kolmes mõõtmes. Kvantpunkti suurus peab olema nii väike, et kvantefektid oleksid olulised. See saavutatakse, kui elektroni kineetiline energia on märgatavalt suurem kui kõik teised energiaskaalad: esiteks on see suurem kui energiaühikutes väljendatud temperatuur.

Kvantpunktid, olenevalt nende suurusest ja keemilisest koostisest, avaldavad fotoluminestsentsi nähtavas ja infrapuna lähedal. Suure suuruse ühtluse tõttu (üle 95%) on kavandatavatel nanokristallidel kitsad emissioonispektrid (fluorestsentsi piigi poollaius 20-30 nm), mis tagab fenomenaalse värvipuhtuse.

Eriti huvitavad on fotoluminestseeruvad kvantpunktid, milles footoni neeldumisel tekivad elektron-augu paarid ning elektronide ja aukude rekombinatsioon põhjustab fluorestsentsi. Sellistel kvantpunktidel on kitsas ja sümmeetriline fluorestsentsi tipp, mille asukoha määrab nende suurus. Seega võivad QD-d olenevalt suurusest ja koostisest fluorestseeruda UV-, nähtava- või IR-spektripiirkonnas.

KIRJANDUSE ARVUSTUS

1. Mõiste "kvantpunkt"

Kolloidsed kvantpunktid on pooljuhtnanokristallid, mille suurus on vahemikus 2-10 nanomeetrit, mis koosnevad 10 3 - 10 5 aatomist, mis on loodud anorgaaniliste pooljuhtmaterjalide baasil ja on kaetud stabilisaatori monokihiga (orgaaniliste molekulide "kate", joon. . 1). Kvantpunktid on suuremad kui keemia jaoks traditsioonilised molekulaarklastrid (~ 1 nm, mille sisaldus ei ületa 100 aatomit). Kolloidsed kvantpunktid ühendavad molekulide füüsikalised ja keemilised omadused pooljuhtide optoelektrooniliste omadustega.

Joonis 1.1 (a) Stabilisaatori "kattega" kaetud kvantpunkt, (b) pooljuhtriba struktuuri teisendus kahaneva suurusega.

Kvantsuuruse efektid mängivad kvantpunktide optoelektroonilistes omadustes võtmerolli. Kvantpunkti energiaspekter erineb oluliselt suuremahulise pooljuhi energiaspektrist. Nanokristallis olev elektron käitub nagu kolmemõõtmelises potentsiaalis “hästi”. Elektronil ja augul on mitu statsionaarset energiataset, mille vahel on iseloomulik vahemaa , kus d on nanokristalli (kvantpunkti) suurus (joonis 1b). Seega sõltub kvantpunkti energiaspekter selle suurusest. Sarnaselt üleminekuga aatomi energiatasemete vahel, kui laengukandjad liiguvad kvantpunktis energiatasemete vahel, võib footon kiirguda või neelduda. Üleminekusagedused, s.o. neeldumise või luminestsentsi lainepikkust, on seda lihtne kontrollida kvantpunkti suurust muutes (joonis 2). Seetõttu nimetatakse kvantpunkte mõnikord "kunstlikeks aatomiteks". Pooljuhtmaterjalide osas võib seda nimetada võimeks kontrollida efektiivset ribalaiust.

On veel üks fundamentaalne omadus, mis eristab kolloidseid kvantpunkte traditsioonilistest pooljuhtmaterjalidest – eksistentsi võimalus lahuste või täpsemalt soolide kujul. See omadus pakub laias valikus võimalusi selliste objektidega manipuleerimiseks ja muudab need tehnoloogia jaoks atraktiivseks.

Energiaspektri sõltuvus suurusest annab tohutu potentsiaali kvantpunktide praktiliseks rakendamiseks. Kvantpunktid võivad leida rakendusi optoelektrilistes süsteemides, nagu valgusdioodid ja lamedad valgust kiirgavad paneelid, laserid, päikesepatareid ja fotoelektrilised muundurid, bioloogiliste markeritena, st. kõikjal, kus on vaja muutuvaid, lainepikkusega häälestatavaid optilisi omadusi. Joonisel fig. Joonisel 2 on näidatud CdS-i kvantpunktinäidiste luminestsentsi näide:

Joonis 1.2 Soolide kujul valmistatud CdS kvantpunktide proovide luminestsents, mille suurus on vahemikus 2,0-5,5 nm. Üleval - ilma valgustuseta, all - valgustus ultraviolettkiirgusega.

Kvantpunktide rakendused

Kvantpunktidel on suur potentsiaal praktilisteks rakendusteks. Esiteks on see tingitud võimalusest kontrollida efektiivset ribalaiust suuruse muutmisel. Sel juhul muutuvad süsteemi optilised omadused: luminestsentsi lainepikkus, neeldumispiirkond. Kvantpunktide teine ​​praktiliselt oluline omadus on võime eksisteerida soolide (lahuste) kujul. See muudab kvantpunktkilede kattematerjalide hankimise lihtsaks odavate meetoditega, nagu spin-coating, või kvantpunktide kandmise tindiprinteri abil mis tahes pinnale. Kõik need tehnoloogiad võimaldavad kvantpunktidel põhinevate seadmete loomisel vältida mikroelektroonika jaoks traditsioonilisi kalleid vaakumtehnoloogiaid. Samuti on tänu lahendustehnoloogiatele võimalik sisestada sobivatesse maatriksitesse kvantpunkte ja luua komposiitmaterjale. Analoogiaks võib tuua olukorra orgaaniliste luminestsentsmaterjalidega, mida kasutatakse valgust kiirgavate seadmete loomisel, mis tõi kaasa LED-tehnoloogia buumi ja nn OLED-i tekke.

Materjalid laserite jaoks

Luminestsentsi lainepikkuse muutmise võimalus on uute laserkandjate loomisel oluline eelis. Olemasolevates laserites on luminestsentsi lainepikkus meediumi põhiomadus ja selle muutmise võimalus on piiratud (häälestatava lainepikkusega laserid kasutavad omadusi

resonaatorid ja keerulisemad efektid). Kvantpunktide teine ​​eelis on nende kõrge fotoresistentsus võrreldes orgaaniliste värvainetega. Kvantpunktid näitavad anorgaaniliste süsteemide käitumist. CdSe kvantpunktide baasil laserkandjate loomise võimalust demonstreeris Viktor Klimovi juhitud uurimisrühm USA Los Alamose riiklikus laboris. Lisaks on näidatud muudel pooljuhtmaterjalidel, näiteks PbSe, põhinevate kvantpunktide stimuleeritud emissiooni võimalus. Peamine raskus on ergastatud oleku lühike eluiga kvantpunktides ja rekombinatsiooni kõrvalprotsess, mis nõuab suurt pumba intensiivsust. Hetkel on jälgitud nii stimuleeritud genereerimise protsessi kui ka difraktsioonvõrega substraadi abil loodud õhukese kilelaseri prototüüp.

Joon.1.3. Kvantpunktide kasutamine laserites.

Materjalid LED-ide jaoks

Luminestsentsi lainepikkuse muutmise võimalus ja õhukeste kihtide loomise lihtsus kvantpunktide põhjal pakuvad suurepäraseid võimalusi elektrilise ergastusega valgust kiirgavate seadmete – valgusdioodide – loomiseks. Lisaks pakub erilist huvi lameekraanpaneelide loomine, mis on kaasaegse elektroonika jaoks väga oluline. Tindiprinteri kasutamine tooks kaasa läbimurde

OLED tehnoloogia.

Valgusdioodi loomiseks asetatakse p- ja n-tüüpi juhtivusega kihtide vahele kvantpunktide monokiht. Need võivad olla juhtivad polümeersed materjalid, mis on OLED-tehnoloogiaga seoses suhteliselt hästi arenenud ja mida saab hõlpsasti kvantpunktidega ühendada. Valgust kiirgavate seadmete loomise tehnoloogia arendamisega tegeleb M. Bulovici (MIT) juhitud teadusrühm.

LED-idest rääkides ei saa mainimata jätta ka “valgeid” LED-e, millest võib saada alternatiiviks tavalistele hõõglampidele. Kvantpunkte saab kasutada pooljuht-LED-de valguse korrigeerimiseks. Sellised süsteemid kasutavad kvantpunkte sisaldava kihi optilist pumpamist, kasutades pooljuhtsinist LED-i. Kvantpunktide eeliseks on sel juhul kõrge kvantsaagis, kõrge fotostabiilsus ja võimalus koostada mitmekomponentne erineva emissioonipikkusega kvantpunktide komplekt, et saada “valgele” lähedasem kiirgusspekter.

Materjalid päikesepaneelide jaoks

Päikesepatareide loomine on üks paljutõotav kolloidsete kvantpunktide kasutusvaldkond. Praegu on traditsioonilistel räni akudel kõrgeim konversioonimäär (kuni 25%). Need on aga üsna kallid ja olemasolevad tehnoloogiad ei võimalda luua suure pindalaga akusid (või on selle tootmine liiga kallis). 1992. aastal pakkus M. Gratzel välja lähenemisviisi päikesepatareide loomisele, mis põhineb 30 suure eripinnaga materjali (näiteks nanokristalliline TiO2) kasutamisel. Spektri nähtavale vahemikule aktiveerimine saavutatakse fotosensibilisaatori (mõned orgaanilised värvained) lisamisega. Kvantpunktid võivad suurepäraselt toimida fotosensibilisaatorina, kuna need võimaldavad teil kontrollida neeldumisriba asendit. Teised olulised eelised on kõrge ekstinktsioonikoefitsient (võime absorbeerida õhukese kihina märkimisväärne osa footoneid) ja anorgaanilisele tuumale omane kõrge fotostabiilsus.

Joon.1.4. Kvantpunktide kasutamine päikesepatareides.

Kvantpunkti neeldunud footon viib fotoergastatud elektroni ja augu moodustumiseni, mis võivad liikuda elektronide ja aukude transpordikihtidesse, nagu on skemaatiliselt näidatud joonisel. Selliste transpordikihtidena võivad toimida juhtivad n- ja p-tüüpi juhtivusega polümeerid, elektronide transpordikihi puhul on analoogselt Gratzeli elemendiga võimalik kasutada metallioksiidide poorseid kihte. Sellistel päikesepatareidel on oluline eelis, näiteks võimalus luua paindlikke elemente, kandes kihte polümeersetele aluspindadele, samuti suhteline odavus ja valmistamise lihtsus. Publikatsioonid kvantpunktide võimalike rakenduste kohta päikesepatareide jaoks on leitavad P. Alivisatose ja A. Nozici töödest.

Materjalid FETide jaoks

Kvantpunktide massiivide kasutamine juhtivate kihtidena mikroelektroonikas on väga paljutõotav, kuna on võimalik kasutada lihtsaid ja odavaid „lahendus“ sadestamise tehnoloogiaid. Praegu piirab aga rakendatavust kvantpunktikihtide ülikõrge (~1012 Ohm*cm) takistus. Üks põhjusi on suur (mikroskoopiliste standardite järgi muidugi) üksikute kvantpunktide vaheline kaugus, mis standardsete stabilisaatorite (nt trioktüülfosfiinoksiid või oleiinhape) kasutamisel on 1–2 nm, mis on liiga suur, et tõhusalt tunneldada. laengukandjad. Kui aga stabilisaatoritena kasutatakse lühema ahelaga molekule, on võimalik vähendada osakestevahelisi kaugusi laengukandjate tunneldamiseks vastuvõetava tasemeni (püridiini või hüdrasiini kasutamisel ~0,2 nm.

Joon.1.5. Kvantpunktide kasutamine väljatransistorides.

2005. aastal teatasid K.Murray ja D.Talapin õhukese kilega väljatransistori loomisest, mis põhineb PbSe kvantpunktidel, kasutades pinna passiveerimiseks hüdrasiini molekule. Nagu näidatud, on pliikalkogeniidid juhtivate kihtide loomiseks paljutõotavad tänu nende kõrgele dielektrilisele konstandile ja olekute suurele tihedusele juhtivusribas.

Kasuta biomärgistena

Kvantpunktidel põhinevate fluorestseeruvate siltide loomine on väga paljutõotav. Eristada saab järgmisi kvantpunktide eeliseid orgaaniliste värvainete ees: luminestsentsi lainepikkuse reguleerimise võime, kõrge ekstinktsioonikoefitsient, lahustuvus paljudes lahustites, luminestsentsi stabiilsus keskkonnale ja kõrge fotostabiilsus. Samuti võime märkida kvantpunktide pinna keemilise (või veelgi enam bioloogilise) modifitseerimise võimalust, mis võimaldab valikuliselt seonduda bioloogiliste objektidega. Parempoolne joonis kujutab rakuelementide värvimist vees lahustuvate kvantpunktide abil, mis helendavad nähtavas vahemikus. Joonisel 1.6 on näide optilise tomograafia mittepurustava meetodi kasutamisest. Foto tehti lähis IR vahemikus, kasutades hiirt sisestatud kvantpunkte, mille luminestsents on vahemikus 800–900 nm (soojaverelise vere läbipaistvusaken).

Joonis 1.6 Kvantpunktide kasutamine biomärgistena.

Kvantpunktide õppimise meetodid

Praegu on välja töötatud meetodid nanomaterjalide saamiseks nii nanopulbrite kui ka poorsete või monoliitsete maatriksite inklusioonide kujul. Sel juhul võivad nanofaasina toimida ferro- ja ferrimagnetid, metallid, pooljuhid, dielektrikud jne. Kõik nanomaterjalide saamise meetodid võib nanostruktuuride moodustumise tüübi järgi jagada kahte suurde rühma: “Alt-üles” meetodeid iseloomustab nanoosakeste kasvatamine või nanoosakeste kokkupanek üksikutest aatomitest; ja “ülevalt alla” meetodid põhinevad osakeste “purustamisel” nanosuuruseni (joonis 1.7).

Joon.1.7. Nanomaterjalide saamise meetodid.

Teine klassifikatsioon hõlmab sünteesimeetodite jaotamist nanoosakeste saamise ja stabiliseerimise meetodi järgi. Esimesse rühma kuuluvad nn.

suure energiatarbega meetodid, mis põhinevad aurude kiirel kondenseerumisel

tingimused, mis välistavad moodustunud osakeste agregatsiooni ja kasvu. Peamine

erinevused selle rühma meetodite vahel on nanoosakeste aurustamise ja stabiliseerimise viisis. Aurutamist saab läbi viia plasma ergastusega (plasma-ark), kasutades laserkiirgust (laser ablatsioon),

volti kaar (süsiniku kaar) või termiline mõju. Kondensatsioon viiakse läbi pindaktiivse aine juuresolekul, mille adsorptsioon osakeste pinnale aeglustab kasvu (auru kinnipidamine), või kasvu ajal külmal substraadil.

osakesi piirab difusioonikiirus. Mõnel juhul kondenseerumine

viiakse läbi inertse komponendi juuresolekul, mis võimaldab sihipäraselt saada erineva mikrostruktuuriga nanokomposiitmaterjale. Kui

komponendid on vastastikku lahustumatud, saadud komposiitide osakeste suurust saab muuta kuumtöötlemise teel.

Teise rühma kuuluvad mehhaanokeemilised meetodid (kuuljahvatamine), mis võimaldavad saada nanosüsteeme, jahvatades planetaarveskides vastastikku lahustumatuid komponente või lagundades tahkeid lahuseid.

uute faaside moodustumine mehaaniliste pingete toimel. Kolmas meetodite rühm põhineb ruumiliselt piiratud süsteemide – nanoreaktorite (mitsellid, tilgad, kiled jne) kasutamisel. Need meetodid hõlmavad sünteesi pöördmitsellides, Langmuir-Blodgetti kiledes, adsorptsioonikihtides või tahkefaasilistes nanoreaktorites. Ilmselgelt ei saa sel juhul moodustunud osakeste suurus ületada

vastava nanoreaktori suurus ja seetõttu võimaldavad need meetodid saada monodispersseid süsteeme. Lisaks kasutamine

kolloidsed nanoreaktorid võimaldavad saada erineva kuju ja anisotroopsusega (ka väikeseid) nanoosakesi ning katetega osakesi.

Seda meetodit kasutatakse peaaegu kõigi nanostruktuuride klasside saamiseks, alates ühekomponendilisest metallist kuni mitmekomponendilise oksiidini. See hõlmab ka meetodeid, mis põhinevad ultramikrodisperssete ja kolloidsete osakeste moodustumisel lahustes polükondensatsiooni käigus pindaktiivsete ainete juuresolekul, mis takistavad agregatsiooni. On oluline, et metsloomad kasutaksid seda konkreetset meetodit, mis põhineb moodustunud struktuuri komplementaarsusel algse malliga, elussüsteemide paljundamiseks ja toimimiseks (näiteks valgusüntees, DNA, RNA replikatsioon jne). rühma kuuluvad keemilised meetodid väga poorsete ja peendisperssete struktuuride (Rieke metallid, Raney nikkel) saamiseks, mis põhinevad mikroheterogeense süsteemi ühe komponendi eemaldamisel keemilise reaktsiooni või anoodse lahustumise tulemusena. Need meetodid hõlmavad ka traditsioonilist nanokomposiitide saamise meetodit klaasi- või soolamaatriksi kustutamisel lahustunud ainega, mille tulemusena vabanevad maatriksis selle aine nanosulgumised (klaasi kristallisatsiooni meetod). Sel juhul saab aktiivse komponendi maatriksisse viia kahel viisil: lisades selle sulatisse, millele järgneb kustutamine ja otse tahkesse maatriksisse ioonimplantatsiooni abil.

Kvantpunktide omadused

Kvantpunktide (QD) ainulaadsed optilised omadused muudavad need paljulubavaks materjaliks erinevates valdkondades kasutamiseks. Eelkõige on käimas arendused QD-de kasutamisel valgusdioodides, kuvarites, laserites ja päikesepatareides. Lisaks saab neid konjugeerida biomolekulidega kovalentse sideme kaudu QD-sid katvate ligandide rühmade ja biomolekulide funktsionaalrühmade vahel. Sellisena kasutatakse neid fluorestseeruvate märgistena mitmesugustes biotesti rakendustes, alates immuunanalüüsidest kuni kudede kuvamise ja ravimite jälgimiseni kehas. QD-de kasutamine bioanalüüsis on praegu üks paljulubavamaid luminestseeruvate nanokristallide kasutusvaldkondi. QD-de ainulaadsed omadused, nagu emissioonivärvi sõltuvus suurusest, kõrge fotostabiilsus ja laiad neeldumisspektrid, muudavad need ideaalseteks fluorofoorideks bioloogiliste objektide ultratundlikuks mitmevärviliseks tuvastamiseks ja meditsiiniliseks diagnostikaks, mis nõuab mitme parameetri samaaegset registreerimist.

Pooljuhtide QD-d on nanokristallid, mille mõõtmed on kõigis kolmes suunas väiksemad kui antud materjali Bohri eksitoni raadius. Sellistel objektidel täheldatakse suurusefekti: optilised omadused, eelkõige riba vahe (ja vastavalt ka emissiooni lainepikkus) ja ekstinktsioonikoefitsient, sõltuvad nanoosakeste suurusest ja kujust. Tänu sellisele olulisele ruumilisele piirangule , QD-del on ainulaadsed optilised ja keemilised omadused:

Kõrge fotostabiilsus, mis võimaldab mitmekordistada ergastatud kiirguse võimsust ja jälgida fluorestseeruva märgise käitumist reaalajas pikka aega.

Lai neeldumisspekter – tänu sellele saab erineva läbimõõduga QD-sid üheaegselt ergutada valgusallikaga, mille lainepikkus on 400 nm (või muu), samas kui nende proovide emissioonilainepikkus varieerub vahemikus 490-590 nm (fluorestsentsi värvus alates sinine kuni oranžikaspunane) .

Sümmeetriline ja kitsas (piigi laius poole maksimumi juures ei ületa 30 nm) QD fluorestsentsi piik lihtsustab mitmevärviliste märgiste saamise protsessi.

QD-de heledus on nii suur, et neid saab fluorestsentsmikroskoobi abil tuvastada üksikute objektidena.

QD-de kasutamiseks bioanalüüsis kehtivad neile vees lahustuvuse ja bioloogilise ühilduvusega seotud nõuded (kuna anorgaaniline tuum on vees lahustumatu), samuti selge osakeste suuruse jaotus ja säilivusstabiilsus. Vees lahustuvate omaduste andmiseks QD-dele on sünteesil mitu lähenemisviisi: kas QD-d sünteesitakse otse vesifaasis; või orgaanilistes lahustites saadud QD-d viiakse seejärel vesilahustesse, modifitseerides QD-sid katvat ligandikihti.

Süntees vesilahustes võimaldab saada hüdrofiilseid QD-sid, kuid mitmete omaduste poolest, nagu fluorestsentsi kvantsaagis, osakeste suuruse jaotus ja stabiilsus ajas, on need oluliselt halvemad kui orgaanilistes faasides saadud pooljuhtide QD-d. Seega sünteesitakse biomärgistena kasutamiseks QD-sid kõige sagedamini kõrgel temperatuuril orgaanilistes lahustites vastavalt meetodile, mida Murray jt teadusrühm esmakordselt rakendas 1993. aastal. Sünteesi põhiprintsiibiks on metalli Cd prekursorite ja Se kalkogeeni lahuste süstimine kõrge temperatuurini kuumutatud koordinatsioonilahustisse. Protsessi aja pikenemisega nihkub neeldumisspekter pika lainepikkuse piirkonda, mis näitab CdSe kristallide kasvu.

CdSe tuumadel on madal fluorestsentsi heledus - nende kvantsaagis (QE) ei ületa reeglina 5%. CV ja fotostabiilsuse suurendamiseks kaetakse fluorestseeruvad CdSe südamikud sarnase struktuuri ja koostisega laiema vahega pooljuhi kihiga, mis passiveerib südamiku pinda, suurendades seeläbi oluliselt fluorestsentsi CV-d. Korpuse ja südamiku sarnane kristallstruktuur on vajalik tingimus, vastasel juhul ei toimu ühtlast kasvu ja struktuuride erinevus võib põhjustada defekte faasipiiril. Kaadmiumseleniidsüdamike katmiseks kasutatakse laiema vahega pooljuhte, nagu tsinksulfiid, kaadmiumsulfiid ja tsinkseleniid. Kuid tsinksulfiid kasvab reeglina ainult väikestel kaadmiumseleniidi tuumadel (at d(CdSe)< 3 нм). Согласно , наращивание оболочки ZnS на ядрах CdSe большего диаметра затруднительно из-за большой разницы в параметрах кристаллических решёток CdSe и ZnS. Поэтому при наращивании ZnS непосредственно на ядрах CdSe диаметром более ~3 нм между ядром и сульфидом цинка помещают промежуточный слой – наращивают оболочку селенида цинка или сульфида кадмия, которые имеют промежуточные между CdSe и ZnS параметры кристаллической решётки и величину запрещённой зоны .

Hüdrofoobsete QD-de muutmiseks vesilahusteks on kaks peamist lähenemisviisi: ligandi asendamise meetod ja katmine amfifiilsete molekulidega. Lisaks eristatakse sageli eraldi kategooriana QD-de katmist ränioksiidi kestaga.

Osakeste suuruse määramise meetodid

Ülaltoodud kolloidsete kvantpunktide omadused avalduvad suurusefekti olemasolul, seetõttu on vaja mõõta osakeste suurust.

Selles WRC-s viidi mõõtmised läbi Photocor Compact seadmega, mis oli paigaldatud Uurali föderaalülikooli füüsikalise ja kolloidkeemia osakonda, samuti seadmega Zetasizer Nano Z Uurali filiaali Tahkiskeemia Instituudis. Venemaa Teaduste Akadeemia.

SpektrofotomeeterPhotocor Compact

Laboratoorse spektromeetri Photocor Compact paigutus on näidatud joonisel 1.8:

Joon.1.8. Spektromeetri Photocor Compact skeem.

Seade kasutab termiliselt stabiliseeritud dioodlaserit, mille lainepikkus on λ = 653,6 nm. Laserkiir läbib 90 mm fookuskaugusega fokusseerivat läätse L1, mis kogutakse uuritavale proovile, kus see hajub nanoosakeste mikroskoopiliste kõikumiste mõjul. Hajunud valgust mõõdetakse täisnurga all, see läbib diafragmat d = 0,7 mm, teravustab lääts L2 teisele diafragmale 100 μm, seejärel jagatakse poolläbipaistva peegliga pooleks ja langeb kahele PMT-le. Kogumise sidususe säilitamiseks peaks PMT ees oleva nööpnõela suurus olema esimese Fresneli tsooni suurusjärgus. Väiksemate suuruste korral signaali-müra suhe väheneb, suuruse suurenemisel koherentsus väheneb ja korrelatsioonifunktsiooni amplituud väheneb. Spektromeeter Photocor-Compact kasutab kahte PMT-d, mõõdetakse nende signaalide ristkorrelatsiooni funktsiooni, mis võimaldab teil eemaldada PMT-müra, kuna need ei ole korrelatsioonis ja PMT-de signaalide ristkorrelatsioonifunktsioon on samaväärne korrelatsiooniga. hajutatud valguse funktsioon. Kasutatakse mitmekanalilist (288 kanalit) korrelaatorit, mille signaale loeb arvuti. See juhib seadet, mõõtmisprotsessi ja mõõtmistulemuste töötlemist.

Saadud lahuseid mõõdeti korrelatsioonispektromeetriga. Tarkvara Photocor abil saate jälgida mõõtmiste kulgu ja juhtida korrelaatorit. Mõõtmiste käigus kasutatakse kogu mõõtmisaja osadeks jagamist, analüüsitakse sellest tulenevaid korrelatsioonifunktsioone ja hajumise intensiivsust ning kui keskmine intensiivsus mõnes ajavahemikus on suurem kui teistes, siis selle intervalli mõõtmisi eiratakse. ülejäänud on keskmistatud. See võimaldab eemaldada korrelatsioonifunktsiooni moonutused haruldaste tolmuosakeste (mõne mikroni suuruse) poolt.

Joonis 1.9 näitab Photocori tarkvara korrelatsioonispektromeetri tarkvara:

Joonis 1.9 Photocori tarkvara korrelatsioonispektromeetri tarkvara.

Graafikud 1,2,4 - mõõdetud korrelatsioonifunktsioonid logaritmilisel skaalal: 1 - c.f., mõõdetuna antud ajahetkel, 2 - mõõdetud funktsioonid, 4 - kuvatakse summaarne korrelatsioonifunktsioon; 3 graafik - proovi temperatuur; 5 graafik – hajumise intensiivsus.

Programm võimaldab muuta laseri intensiivsust, temperatuuri (3), ühe mõõtmise aega ja mõõtmiste arvu. Mõõtmistäpsus sõltub muu hulgas nende parameetrite komplektist.

Akumuleeritud korrelatsioonifunktsiooni töötles programm DynaLS, selle tarkvara on näidatud joonisel 1.10:

Riis. 1.10. Korrelatsioonifunktsioonide töötlemise tarkvara, DynaLC.

1 – mõõdetud korrelatsioonifunktsioon, lähendatuna teoreetilisele; 2 – erinevus saadud teoreetiliste ja mõõdetud eksponentsiaalfunktsioonide vahel; 3 - saadud suurusjaotus, mis leitakse teoreetilise funktsiooni lähendamisel eksperimentaalsele funktsioonile; 4 - tulemuste tabel. Tabelis: esimene veerg on leitud lahenduste arv; teine ​​on nende lahenduste “ala”; kolmas on keskmine väärtus; neljas on maksimaalne väärtus; viimane on lahenduse (vea) hajuvus. Samuti on antud kriteerium, mis näitab, kui hästi kattub teoreetiline kõver eksperimentaalsega.

Eksperimentaalne tehnika

Hüdrokeemilise sünteesi meetod

Vesilahustest keemiline sadestamine on lõpptulemuste seisukohalt eriti atraktiivne ja laiaulatuslik. Hüdrokeemilise sadestamise meetod eristub kõrge tootlikkuse ja ökonoomsuse, tehnoloogilise disaini lihtsuse, osakeste sadestamise võimalusega keeruka kuju ja erineva iseloomuga pinnale, samuti kihi dopeerimisega orgaaniliste ioonide või molekulidega, mis ei võimalda kõrget temperatuuri. kuumutamine ja "pehme keemilise" sünteesi võimalus. Viimane võimaldab pidada seda meetodit loomupäraselt metastabiilsete keerulise struktuuriga metallkalkogeniidühendite valmistamiseks kõige lootustandvamaks. Hüdrokeemiline süntees on paljutõotav meetod metallsulfiid-kvantpunktide valmistamiseks, mis võib potentsiaalselt pakkuda laia valikut nende omadusi. Süntees viiakse läbi reaktsioonivannis, mis sisaldab metallisoola, leelist, kalkogenisaatorit ja kompleksimoodustajat.

Lisaks peamistele tahket faasi moodustavatele reagentidele viiakse lahusesse ligandid, mis on võimelised metalliioone siduma stabiilseteks kompleksideks. Kalkogenisaatori lagunemiseks on vajalik aluseline keskkond. Kompleksi moodustavate ainete roll hüdrokeemilises sünteesis on väga oluline, kuna selle sisseviimine vähendab oluliselt vabade metalliioonide kontsentratsiooni lahuses ja seega aeglustab sünteesiprotsessi, takistab tahke faasi kiiret sadenemist, tagades selle moodustumise ja kasvu. kvantpunktidest. Komplekssete metalliioonide moodustumise tugevus, samuti ligandi füüsikalis-keemiline olemus omavad otsustavat mõju hüdrokeemilise sünteesi protsessile.

Alusena kasutatakse KOH, NaOH, NH 4 OH või etüleendiamiin. Erinevat tüüpi kalkogenisaatoritel on teatav mõju ka hüdrokeemilisele sadestamisele ja sünteesi kõrvalsaaduste olemasolule. Sõltuvalt kalkogenisaatori tüübist põhineb süntees kahel keemilisel reaktsioonil:

(2.1)

, (2.2)

Kus on kompleksne metalliioon.

Lahustumatu metallikalkogeniidi faasi moodustumise kriteeriumiks on üleküllastus, mis on määratletud kui kvantpunkte moodustavate ioonide ioonsaaduse suhe tahke faasi lahustuvusprodukti. Protsessi algfaasis suureneb tuumade moodustumine lahuses ja osakeste suurus üsna kiiresti, mis on seotud ioonide kõrge kontsentratsiooniga reaktsioonisegus. Kui lahusest need ioonid ammenduvad, väheneb tahke aine moodustumise kiirus, kuni süsteemis saavutatakse tasakaal.

Töölahuse valmistamise reaktiivide tühjendamise protseduur on rangelt fikseeritud. Vajadus selle järele tuleneb asjaolust, et kalkogeniidide sadenemise protsess on heterogeenne ja selle kiirus sõltub uue faasi moodustumise algtingimustest.

Töölahus valmistatakse lähteainete arvestuslike koguste segamisel. Kvantpunktide süntees viiakse läbi klaasreaktoris, mille maht on 50 ml. Esiteks sisestatakse reaktorisse arvutatud kogus kaadmiumisoola, seejärel naatriumtsitraat ja lisatakse destilleeritud vesi. Pärast lahuse leelistamist lisatakse sellele tiouurea. Sünteesi stabiliseerimiseks viiakse reaktsioonisegusse arvutatud maht Trilon B. Saadud kvantpunktid aktiveeritakse ultraviolettvalguses.

See meetod töötati välja Uurali föderaalülikooli füüsikalise ja kolloidkeemia osakonnas ning seda kasutati peamiselt metallikalkogeniidide õhukeste kilede ja nendel põhinevate tahkete lahuste saamiseks. Käesolevas töös tehtud uuringud on aga näidanud selle rakendatavust metallisulfiididel põhinevate kvantpunktide ja nendel põhinevate tahkete lahuste sünteesil.

Keemilised reaktiivid

Kvantpunktide CdS, PbS, Cd x Pb 1- x S hüdrokeemiliseks sünteesiks,

Kasutati järgmisi kemikaale:

kaadmiumkloriid CdCl 2, h, 1 M;

pliatsetaat Pb(CH 3 COO) 2 ZH 2 0, h, 1 M;

tiouurea (NH2)2CS, h, 1,5 M;

naatriumtsitraat Na 3 C 6 H 5 O 7, 1 M;

naatriumhüdroksiid NaOH, analüütiline puhastus, 5 M;

Pindaktiivne aine Praestol 655 eKr;

Pindaktiivne aine ATM 10-16 (alküül-C10-16-trimetüülammooniumkloriid Cl, R=C10-C16);

Etüleendiamiintetraäädikhappe dinaatriumsool

C10H14O8N2Na22H2 0,1 M.

Stabilisaatorite CMC määramine viidi läbi ANION konduktomeetri abil.

Jäätmelahuste kõrvaldamine

Pärast hüdrokeemilist sadestamist filtreeritud lahus, mis sisaldas kaadmiumi, plii, kompleksi moodustavate ainete ja tiouurea lahustuvaid sooli, kuumutati temperatuurini 353 K, sellele lisati vasksulfaati (105 g 1 liitri reaktsioonisegu kohta, 1 g lisati kuni violetse värvuseni. värv ilmus), kuumutati keemiseni ja pidas vastu sisse 10 minuti jooksul. Seejärel jäeti segu 30-40 minutiks toatemperatuurile seisma ja tekkinud sade filtriti välja, mis seejärel ühendati eelmises etapis filtreeritud sademega. Filtraat, mis sisaldas kompleksühendeid kontsentratsiooniga alla maksimaalse lubatud kontsentratsiooni, lahjendati kraaniveega ja valati linna kanalisatsiooni.

Osakeste analüsaatori mõõtmise protseduurPhotocorKompaktne

Photocor Compact osakeste suuruse analüsaator on mõeldud osakeste suuruse, difusioonikoefitsiendi ja polümeeride molekulmassi mõõtmiseks. Seade on mõeldud traditsioonilisteks füüsikalisteks ja keemilisteks uuringuteks, samuti uuteks rakendusteks nanotehnoloogias, biokeemias ja biofüüsikas.

Osakeste suuruse analüsaatori tööpõhimõte põhineb dünaamilise valguse hajumise nähtusel (fmeetod). Hajutatud valguse intensiivsuse kõikumiste ja integreeritud hajumise intensiivsuse korrelatsioonifunktsiooni mõõtmine võimaldab leida vedelikus hajutatud osakeste suuruse ja polümeeri molekulide molekulmassi. Mõõdetud suuruste vahemik on vahemikus nm murdosa kuni 6 µm.

Dünaamilise valguse hajumise meetodi alused (footoni korrelatsioonspektroskoopia)

Correlator Photocor-FC on universaalne instrument ajakorrelatsiooni funktsioonide mõõtmiseks. Kahe signaali l 1 (t) ja l 2 (t) ristkorrelatsioonifunktsioon G 12 (näiteks valguse hajumise intensiivsus) kirjeldab kahe signaali suhet (sarnasust) ajapiirkonnas ja on defineeritud järgmiselt:

kus on viivitusaeg. Nurksulud tähistavad aja keskmistamist t. Autokorrelatsiooni funktsioon kirjeldab korrelatsiooni signaali I 1 (t) ja sama signaali hilinenud versiooni 1 2 (t+) vahel:

Vastavalt korrelatsioonifunktsiooni määratlusele sisaldab korrelaatori toimingute algoritm järgmisi toiminguid:

Photocor-FC korrelaator on loodud spetsiaalselt f(PCS) signaalide analüüsimiseks. PCS-meetodi olemus on järgmine: kui laserkiir läbib hõljuvaid dispergeeritud osakesi sisaldavat testvedelikku, hajub osa valgust osakeste arvu kontsentratsiooni kõikumiste tõttu. Need osakesed teostavad Browni liikumist, mida saab kirjeldada difusioonivõrrandiga. Selle võrrandi lahendusest saadakse avaldis, mis seob hajutatud valguse spektri poollaiuse Г (või kõikumiste iseloomuliku relaksatsiooniaja Тс) difusioonikoefitsiendiga D:

Kus q on valguse hajutamise kõikumiste lainevektori moodul. Difusioonikoefitsient D on seotud hüdrodünaamilise osakese raadiusega R Einsteini-Stokesi võrrandi abil:

kus k on Boltzmanni konstant, T on absoluutne temperatuur, - lahusti nihkeviskoossus.

Eksperimentaalne osa

1. Kvantpunktide süntees kaadmiumsulfiidi baasil

CdS-i kvantpunktide uurimine koos PbS-i QD-dega on selle WRC põhisuund. See on peamiselt tingitud asjaolust, et selle materjali omadused hüdrokeemilises sünteesis on hästi uuritud ja samal ajal kasutatakse seda vähe QD-de sünteesiks. Kvantpunktide saamiseks järgmise koostisega reaktsioonisegus viidi läbi rida katseid, mol/l: =0,01; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Sel juhul on reaktiivide valamise järjekord rangelt määratletud: kaadmiumkloriidi lahusele lisatakse naatriumtsitraadi lahus, segu segatakse põhjalikult, kuni moodustunud sade lahustub, ja lahjendatakse destilleeritud veega. Seejärel leelitatakse lahus naatriumhüdroksiidiga ja sellele lisatakse tiouurea, sellest hetkest algab reaktsiooniaeg. Viimasena lisatakse stabiliseeriva lisandina sobivaim stabilisaator, antud juhul Trilon B (0,1 M). Vajalik maht määrati katseliselt. Katsed viidi läbi temperatuuril 298 K, aktiveerimine viidi läbi UV-valguses.

Lisatud reaktiivide mahud arvutati vastavalt ekvivalentide seadusele, kasutades lähteainete algkontsentratsioonide väärtusi. Reaktsioonianum valiti mahuga 50 ml.

Reaktsioonimehhanism sarnaneb õhukeste kilede moodustumise mehhanismiga, kuid erinevalt sellest kasutatakse QD-de sünteesiks leeliselisemat keskkonda (pH=13,0) ja stabilisaatorit Trilon B, mis aeglustab reaktsiooni. CdS-osakeste ümbritsemine ja võimaldab saada väikese suurusega osakesi (alates 3 nm).

Algsel ajahetkel on lahus läbipaistev, minuti pärast hakkab see kollaselt helendama. Ultraviolettvalguses aktiveerimisel on lahus ereroheline. Optimaalsete kontsentratsioonide, aga ka stabilisaatorite (antud juhul Trilon B) valimisel säilitab lahus oma mõõtmed kuni 1 tund, misjärel moodustuvad aglomeraadid ja hakkab sadestuma sade.

Mõõtmised viidi läbi Photocor Compact osakeste suuruse analüsaatoriga, tulemuste töötlemiseks kasutati programmi DynaLS, mis analüüsib korrelatsioonifunktsiooni ja arvutab ümber osakeste keskmise raadiuse lahuses. Joonisel fig. Joonistel 3.1 ja 3.2 on näidatud programmi DynaLS liides, samuti CdS QD osakeste suuruse mõõtmise korrelatsioonifunktsiooni töötlemise tulemused:

Joon.3.1. Programmi DynaLS liides CdS QD lahenduse korrelatsioonifunktsiooni eemaldamisel.

Joon.3.2. CdS QD lahenduse korrelatsioonifunktsiooni töötlemise tulemused.

Vastavalt joonisele fig. 3.2 näitab, et lahus sisaldab osakesi raadiusega 2 nm (piik nr 2), samuti suuri aglomeraate. Tipud 4 kuni 6 kuvatakse veaga, kuna lahuses ei esine ainult osakeste Browni liikumist.

Kaadmiumisoola kontsentratsiooni mõju QD osakeste suuruseleCDS

Kvantpunktide suuruse efekti saavutamiseks on vaja valida algreaktiivide optimaalsed kontsentratsioonid. Sel juhul mängib olulist rolli kaadmiumisoola kontsentratsioon, mistõttu on vaja arvestada CdS osakeste suuruse muutumisega CdCl 2 kontsentratsiooni muutumisel.

Kaadmiumisoola kontsentratsiooni muutmise tulemusena saadi järgmised sõltuvused:

Joon.3.3. Kaadmiumisoola kontsentratsiooni mõju CdS QD osakeste suurusele =0,005M (1), =0.01M (2), =0.02M.

Joonisel 11 on näha, et CdCl2 kontsentratsiooni muutumisel toimub CdS osakeste suuruse muutus ebaoluliselt. Kuid katse tulemusena selgus, et tuleb jääda optimaalsesse kontsentratsioonivahemikku, kus tekivad osakesed, mis võivad tekitada suuruseefekti.

Kvantpunktide süntees pliisulfiidi baasil

Selle WRC teine ​​huvitav suund oli pliisulfiidil põhinevate kvantpunktide uurimine. Selle materjali omadused hüdrokeemilises sünteesis ja ka CdS on hästi uuritud, lisaks on pliisulfiid vähem toksiline, mis laiendab selle ulatust meditsiinis. PbS QD sünteesiks kasutati järgmisi reagente, mol/L: [PbAc 2 ] = 0,05; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Valamise järjekord on sama, mis CdS preparaadi puhul: atsetaadi lahusele lisatakse naatriumtsitraadi lahus, segu segatakse põhjalikult, kuni moodustunud sade on lahustunud ja lahjendatakse destilleeritud veega. Seejärel leelitatakse lahus naatriumhüdroksiidiga ja sellele lisatakse tiouurea, sellest hetkest algab reaktsiooniaeg. Viimane stabiliseeriva lisandina on pindaktiivne aine praestol. Katsed viidi läbi temperatuuril 298 K, aktiveerimine viidi läbi UV-valguses.

Algsel ajahetkel on reaktsioonisegu läbipaistev, kuid 30 minuti pärast hakkab see aeglaselt hägunema, lahus muutub helebeežiks. Pärast praestoli lisamist ja segamist ei muuda lahus värvi. 3 minuti pärast omandab lahus UV-valguses erkkollakasrohelise helendav kuma, möödudes, nagu CdS puhul, spektri rohelisest osast.

Mõõtmised viidi läbi Photocor Compact suuruse analüsaatoriga. Korrelatsioonifunktsioon ja mõõtmistulemused on näidatud joonistel fig. 3,4 ja 3,5 vastavalt:

Joon.3.4. Programmi DynaLS liides PbS QD lahenduse korrelatsioonifunktsiooni eemaldamisel.

Riis. 3.5 PbS QD lahenduse korrelatsioonifunktsiooni töötlemise tulemused.

Vastavalt joonisele fig. 13 on näidatud, et lahus sisaldab osakesi raadiusega 7,5 nm, aga ka aglomeraate raadiusega 133,2 nm. Piigid numbritega 2 ja 3 kuvatakse veaga, mis on tingitud mitte ainult Browni liikumisest lahuses, vaid ka reaktsiooni kulgemisest.

Plii soola kontsentratsiooni mõju QD osakeste suuruselePbS

Nagu CdS kolloidlahuste sünteesil, nii ka PbS lahuste sünteesil, tuleks suurusefekti saavutamiseks valida algreaktiivide kontsentratsioonid. Vaatleme pliisoola kontsentratsiooni mõju PbS QD mõõtmetele.

Pliisoola kontsentratsiooni muutmise tulemusena saadi järgmised sõltuvused:

Riis. 3.6. Pliisoola kontsentratsiooni mõju PbS QD osakeste suurusele [PbAc2]=0,05M (1), [PbAc2]=0,01M (2), [PbAc2]=0,02M.

Vastavalt joonisele fig. Jooniselt 14 on näha, et optimaalse pliisoola kontsentratsiooni (0,05 M) korral ei kipu osakeste suurused pidevalt kasvama, samas kui pliisoola kontsentratsioonidel 0,01 ja 0,02 M kasvavad osakesed peaaegu lineaarselt. Järelikult mõjutab algse pliisoola kontsentratsiooni muutus oluliselt PbS QD lahuste suuruse mõju.

Kvantpunktide süntees tahke lahuse baasilCDS- PbS

Asenduslikel tahketel lahustel põhinevate kvantpunktide süntees on äärmiselt paljutõotav, kuna võimaldab nende koostist ja funktsionaalseid omadusi laias vahemikus varieerida. Metallkalkogeniidide asenduslahustel põhinevad kvantpunktid võivad nende rakendusala märkimisväärselt laiendada. See kehtib eriti üleküllastunud tahkete lahuste kohta, mis on kineetiliste takistuste tõttu suhteliselt stabiilsed. Me ei ole kirjandusest leidnud kirjeldust metallikalkogeniidide tahketel lahustel põhinevate kvantpunktide sünteesi katsete kohta.

Käesolevas töös püüti esimest korda sünteesida ja uurida kvantpunkte, mis põhinevad üleküllastunud tahketel lahustel, mille CdS-PbS asendamine pliisulfiidiga. Materjali omaduste määramiseks viidi läbi rida katseid kvantpunktide saamiseks järgmise koostisega reaktsioonisegus, mol/l: = 0,01; [PbAc2] = 0,05; = 0,2; = 4; [TM] = 0,3. See preparaat võimaldab saada üleküllastunud asendustahke lahuseid, mille kaadmiumsulfiidi sisaldus nende koostises on 6 kuni 8 mooli%.

Sel juhul on reaktiivide valamise järjekord rangelt määratletud: pliatsetaadi lahusele lisatakse esimeses anumas naatriumtsitraat ja moodustub valge sade, mis lahustub kergesti, segu segatakse põhjalikult ja lahjendatakse destilleeritud veega. Teises anumas lisatakse kaadmiumkloriidi lahusele ammoniaagi vesilahus. Seejärel lahused segatakse ja neile lisatakse tiouurea, sellest hetkest algab reaktsiooniaeg. Viimane stabiliseeriva lisandina on pindaktiivne aine praestol. Katsed viidi läbi temperatuuril 298 K, aktiveerimine viidi läbi UV-valguses.

Peale Praestoli lisamist lahus enam värvi ei muuda, nähtaval kohal helendab pruunikalt. Sel juhul jääb lahendus läbipaistvaks. UV-valgusega aktiveerimisel hakkab lahus helendama erkkollaselt ja 5 minuti pärast erkroheliselt.

Mõne tunni pärast hakkab tekkima sade ja reaktori seintele tekib hall kile.

Osakeste suuruse uuringud viidi läbi Photocor Compact seadmega. Programmi DynaLS liides korrelatsioonifunktsiooniga ja selle töötlemise tulemused on näidatud joonisel fig. 3,7 ja 3,8 vastavalt:

Joon.3.7. Programmi DynaLS liides CdS-PbS HRT-l põhineva QD lahenduse korrelatsioonifunktsiooni eemaldamisel.

Riis. 3.8. Riis. 3.5.CdS-PbS TRZ-l põhineva QD lahenduse korrelatsioonifunktsiooni töötlemise tulemused.

Vastavalt joonisele fig. 3.8. On näha, et lahus sisaldab osakesi raadiusega 1,8 nm (piik nr 2), samuti aglomeraate raadiusega 21,18 nm. Piik nr 1 vastab uue faasi tuuma tekkele lahuses. See tähendab, et reaktsioon jätkub. Selle tulemusena kuvatakse piigid nr 4 ja 5 veaga, kuna peale Browni on ka teisi osakeste liikumistüüpe.

Saadud andmeid analüüsides võib kindlalt väita, et kvantpunktide sünteesi hüdrokeemiline meetod on nende tootmiseks paljulubav. Peamine raskus seisneb erinevate algreaktiivide stabilisaatori valimises. Sel juhul sobib pindaktiivne aine Praestol kõige paremini CdS-PbS-il põhineva TRZ ja pliisulfiidil põhineva CT kolloidlahuste jaoks, Trilon B aga kaadmiumsulfiidil põhineva CT jaoks.

Eluohutus

1. Sissejuhatus eluohutusesse

Eluohutus (BZD) on teaduslike ja tehniliste teadmiste valdkond, mis uurib nende mõju inimestele ja keskkonnaobjektidele ohtlikke ja soovimatuid tagajärgi, nende avaldumismustreid ja viise nende eest kaitsmiseks.

BZD eesmärk on vähendada esinemisohtu, samuti kaitset igasuguste ohtude eest (looduslikud, tehislikud, keskkonnaalased, inimtekkelised), mis ohustavad inimesi kodus, tööl, transpordis või hädaolukordades.

BJD põhivalem on inimese keskkonnaga suhtlemisel tekkiva võimaliku ohu ennetamine ja ennetamine.

Seega lahendab BZD järgmised põhiülesanded:

negatiivsete keskkonnamõjude liigi tuvastamine (tunnustamine ja kvantitatiivne hindamine);

kaitse ohtude eest või teatud negatiivsete tegurite mõju inimesele ja keskkonnale ärahoidmine, mis põhineb kulude ja tulude võrdlusel;

ohtlike ja kahjulike teguritega kokkupuute negatiivsete tagajärgede kõrvaldamine;

normaalse, see tähendab mugava inimkeskkonna seisundi loomine.

Kaasaegse inimese elus on järjest suuremal kohal eluohutusega seotud probleemid. Loodusliku päritoluga ohtlikele ja kahjulikele teguritele on lisandunud arvukalt inimtekkelise päritoluga negatiivseid tegureid (müra, vibratsioon, elektromagnetkiirgus jne). Selle teaduse tekkimine on kaasaegse ühiskonna objektiivne vajadus.

Kahjulikud ja ohtlikud tootmistegurid laboris

Vastavalt standardile GOST 12.0.002-80 SSBT on kahjulik tootmistegur tegur, mille mõju töötajale võib teatud tingimustel põhjustada haigusi, töövõime langust ja (või) negatiivset mõju järglaste tervisele. Teatud tingimustel võib kahjulik tegur muutuda ohtlikuks.

Ohtlik tootmistegur on tegur, mille mõju töötajale teatud tingimustel põhjustab vigastuse, ägeda mürgistuse või muu äkilise, järsu tervise halvenemise või surma.

Vastavalt standardile GOST 12.0.003-74 jagatakse kõik ohtlikud ja kahjulikud tootmistegurid nende toime olemuse järgi järgmistesse rühmadesse: füüsikalised; keemiline; bioloogiline; psühhofüsioloogiline. Laboris, kus uuringud läbi viidi, on füüsikalised ja keemilised SanPiN 2.2.4.548-96.

Kahjulikud ained

Kahjulik aine on aine, mis inimkehaga kokkupuutel võib põhjustada vigastusi, haigusi või terviseseisundi kõrvalekaldeid, mis avastatakse tänapäevaste meetoditega nii sellega kokkupuutel kui ka selle pikaajalise eluea jooksul. ja järgnevad põlvkonnad. Vastavalt standardile GOST 12.1.007-76 SSBT jagatakse kahjulikud ained kehale avaldatava mõju astme järgi nelja ohuklassi:

I - ained on äärmiselt ohtlikud;

II - väga ohtlikud ained;

III – mõõdukalt ohtlikud ained;

IV - madala ohtlikkusega ained.

Maksimaalse lubatud kontsentratsiooni (MAC) all mõistetakse sellist keemiliste elementide ja nende ühendite kontsentratsiooni keskkonnas, mis igapäevasel pikaajalisel mõjul inimorganismile ei põhjusta patoloogilisi muutusi ega tänapäevaste uurimismeetoditega kindlaks tehtud haigusi. mis tahes praeguse ja järgnevate põlvkondade eluiga.

Oksiidsüsteemide laboris tööde tegemisel kasutatakse kahjulikke aineid, mis on näidatud tabelis. 4.1, et vähendada nende aurude kontsentratsiooni õhus, lülitatakse sisse väljatõmbeventilatsioon, mis vähendab kahjulike ainete sisaldust ohutule tasemele vastavalt standardile GOST 12.1.005-88 SSBT.

Tabel 4.1 – kahjulike ainete MPC tööpiirkonna õhus

kus: + - ühendid, mis nõuavad naha ja silmade erilist kaitset;

Kaadmium, sõltumata ühendi tüübist, koguneb maksa ja neerudesse, põhjustades nende kahjustusi. Vähendab seedeensüümide aktiivsust.

Organismi kogunemisel on pliil kahjulik neuroloogiline, hematoloogiline, endokriinne ja kantserogeenne toime. Häirib neerude tööd.

Tiokarbamiid põhjustab nahaärritust, on toksiline südame-veresoonkonna immuunsüsteemile ja ka suguelunditele.

Trilon B võib põhjustada naha, silmade limaskestade ja hingamisteede ärritust.

Naatriumhüdroksiid söövitab silmi, nahka ja hingamisteid. Allaneelamisel söövitav toime. Aerosooli sissehingamine põhjustab kopsuturset.

Oleiinhape on mürgine. Sellel on nõrk narkootiline toime. Võimalik äge ja krooniline mürgistus koos muutustega veres ja hematopoeetilistes organites, seedesüsteemi organites, kopsuturse.

Pulbrite süntees toimub ventilatsioonikappides, mille tulemusena kipub tööruumi õhus olevate (mis tahes suuruse ja iseloomuga) osakeste kontsentratsioon, mis ei kuulu õhu hulka, nulli. Lisaks kasutatakse isikukaitsevahendeid: eririietust; hingamisteede kaitseks - respiraatorid ja puuvillase marli sidemed; nägemisorganite kaitsmiseks - kaitseprillid; käte naha kaitsmiseks - latekskindad.

Mikrokliima parameetrid

Mikrokliima on ruumide sisekeskkonna füüsikaliste tegurite kompleks, mis mõjutab keha soojusvahetust ja inimese tervist. Mikroklimaatilised näitajad hõlmavad temperatuuri, niiskust ja õhu liikumiskiirust, ümbritsevate konstruktsioonide, objektide, seadmete pindade temperatuuri, aga ka mõningaid nende tuletisi: õhutemperatuuri gradient piki ruumi vertikaalset ja horisontaalset, soojuskiirguse intensiivsust ruumist. sisepinnad.

SanPiN 2.2.4.548-96 kehtestab tööstusruumide tööpiirkonna temperatuuri, suhtelise niiskuse ja õhukiiruse optimaalsed ja lubatud väärtused, sõltuvalt tehtud töö raskusastmest, aastaaegadest, võttes arvesse liigne kuumus. Vastavalt inimese heaolule ja tema töövõimele avaldatava mõju astmele jagunevad mikroklimaatilised tingimused optimaalseteks, lubatavateks, kahjulikeks ja ohtlikeks.

SanPiN 2.2.4.548-96 järgi kuuluvad laboratooriumi tingimused tööde kategooriasse Ib (töö energiaintensiivsusega 140-174 W), mida tehakse istudes, seistes või kõndides ning millega kaasneb mõningane füüsiline pinge.

Pindala töötaja kohta, fakt / normid, m 2 - 5 / 4,5

Maht töötaja kohta, fakt / normid, m 2 - 24/15

Mikrokliima näitajate väärtused on toodud tabelis 4.2.

Töötavas laboris optimaalsetest mikrokliima näitajatest kõrvalekaldeid ei esine. Mikrokliima parameetrite säilitamise tagavad kütte- ja ventilatsioonisüsteemid.

Ventilatsioon

Ventilatsioon - õhuvahetus ruumides liigse kuumuse, niiskuse, kahjulike ja muude ainete eemaldamiseks, et tagada vastuvõetavad meteoroloogilised tingimused ja õhu puhtus hooldatavas või tööpiirkonnas vastavalt standardile GOST 12.4.021-75 SSBT.

Füüsikalise ja kolloidkeemia osakonna laboris toimub ventilatsioon loomulikul (läbi akende ja uste) ja mehaanilistel viisidel (kubu, järgides sanitaar-, keskkonna- ja tuleohutuse eeskirju).

Kuna kogu töö kahjulike ainetega toimub tõmbekapis, siis arvutame selle ventilatsiooni. Ligikaudsete arvutuste jaoks võetakse vajalik õhukogus vastavalt õhuvahetuskursile (K p) vastavalt valemile 2.1:

kus V on ruumi maht, m ​​3;

L - kogutootlikkus, m 3 / h.

Õhuvahetuskurss näitab, mitu korda tunnis ruumis õhk vahetub. K p väärtus on tavaliselt 1-10. Kuid tõmbekapi ventilatsiooni puhul on see näitaja palju suurem. Kabineti pind on 1,12 m 2 (pikkus 1,6 m, laius 0,7 m, kõrgus (K) 2,0 m). Siis on ühe kapi maht, võttes arvesse õhukanalit (1,5), võrdne:

V = 1,12 ∙ 2+ 1,5 \u003d 3,74 m 3

Kuna labor on varustatud 4 tõmbekapiga, tuleb kogumahuks 15m3.

Passiandmetest leiame, et kapoti jaoks on kasutatud OSTBERG RFE 140 SKU ventilaatorit võimsusega 320 m 3 / h, pingega 230 V. Teades selle toimivust, on õhuvahetuskurssi lihtne määrata valemi 4.1 abil:

h -1

1 tõmbekapi õhuvahetussuhe on 85,56.

Müra on erineva füüsikalise iseloomuga juhuslikud kõikumised, mida iseloomustab ajalise ja spektraalse struktuuri keerukus, üks keskkonna füüsilise saastamise vorme, millega kohanemine on füüsiliselt võimatu. Müra üle teatud taseme suurendab hormoonide vabanemist.

Lubatud müratase on tase, mis ei põhjusta olulist ärevust ja olulisi muutusi müratundlike süsteemide ja analüsaatorite funktsionaalse seisundi näitajates.

Lubatud helirõhutasemed sõltuvalt helisagedusest on võetud vastavalt standardile GOST 12.1.003-83 SSBT, on esitatud tabelis 4.3.

Tabel 4.3 – Lubatud helirõhutasemed oktaavi sagedusalades ja ekvivalentsed müratasemed töökohtadel

SNiP 23-03-2003 kohaselt peaks mürakaitse tagama mürakindlate seadmete väljatöötamise, kollektiivse kaitse vahendite ja meetodite kasutamise, kollektiivse kaitse vahendite ja meetodite kasutamise, isikukaitsevahendite kasutamise. , mis on üksikasjalikult klassifitseeritud standardis GOST 12.1.003-83 SSBT.

Laboris on pideva müra allikaks töötav tõmbekapp. Müratase on hinnanguliselt umbes 45 dB, s.o. ei ületa kehtestatud norme.

valgustus

Valgustus on valgustugevus, mis võrdub väikesele pinnale langeva valgusvoo ja selle pindala suhtega. Valgustus on reguleeritud vastavalt standardile SP 52.13330.2011.

Tööstuslik valgustus on:

loomulik(otse päikesevalguse ja taeva hajutatud valguse tõttu varieerub sõltuvalt geograafilisest laiuskraadist, kellaajast, pilvisusastmest, atmosfääri läbipaistvusest, aastaajast, sademetest jne);

kunstlik(loodud tehisvalgusallikate abil). Seda kasutatakse loomuliku valguse puudumisel või puudumisel. Ratsionaalne kunstlik valgustus peaks tagama normaalsed tingimused tööks vastuvõetava raha, materjalide ja elektritarbimisega;

kasutada, kui loomulikku valgust pole piisavalt kombineeritud (kombineeritud) valgustus. Viimane on valgustus, milles päevavalgustundidel kasutatakse samaaegselt loomulikku ja kunstlikku valgust.

Keemialaboris tagab loomuliku valgustuse üks küljeaken. Loomulikust valgusest ei piisa, seetõttu kasutatakse kunstlikku valgustust. Selle tagavad 8 lampi OSRAM L 30. Optimaalne laborivalgustus saavutatakse segavalgustusega.

elektriohutus

Vastavalt standardile GOST 12.1.009-76 SSBT on elektriohutus organisatsiooniliste ja tehniliste meetmete ja vahendite süsteem, mis kaitseb inimesi elektrivoolu, elektrikaare, elektromagnetvälja ja staatilise elektri kahjulike ja ohtlike mõjude eest.

Keemialaboris on elektrilöögi allikaks elektriseadmed - destilleerija, termostaat, elektripliidid, elektroonilised kaalud, pistikupesad. Elektriseadmete, sealhulgas manustatud arvutiseadmete üldised ohutusnõuded on kehtestatud standardiga GOST R 52319-2005.

Inimkeha läbival elektrivoolul on sellele järgmised mõjud: termiline, elektrolüütiline, mehaaniline, bioloogiline. Elektripaigaldiste elektrilöögi eest kaitsmiseks tuleb kasutada tehnilisi meetodeid ja kaitsevahendeid vastavalt standardile GOST 12.1.030-81 SSBT.

Vastavalt PUE elektripaigaldiste paigaldamise reeglitele on kõik ruumid jagatud kolme kategooriasse seoses elektrilöögi ohuga inimestele: ilma suurenenud ohuta; suurenenud riskiga; eriti ohtlik.

Laboriruum kuulub kategooriasse - ilma kõrgendatud ohuta. Elektripaigaldistes elektrilöögi eest kaitsmiseks tuleb rakendada tehnilisi meetodeid ja kaitsevahendeid.

tuleohutus

Vastavalt standardile GOST 12.1.004-91 SSBT on tulekahju kontrollimatu põlemisprotsess, mida iseloomustab sotsiaalne ja/või majanduslik kahju, mis tuleneb inimeste ja/või materiaalsete varade kokkupuutest termilise lagunemise ja/või põlemisteguritega, mis arenevad väljapoole erilist tähelepanu, samuti rakendatud tulekustutusaineid.

Võimaliku tulekahju põhjusteks laboris on ohutusnõuete rikkumine, elektriseadmete rike, elektrijuhtmestik jne.

Vastavalt NPB 105-03-le on ruumid klassifitseeritud "B1", st. tuleohtlikud, kus on kergestisüttivad ja aeglaselt põlevad vedelikud, aeglaselt põlevad ained ja materjalid, plast, mis võib ainult põleda. Vastavalt SNiP 21-01-97 on hoonel II tulepüsivusaste.

Tulekahju korral on inimeste ohutu evakueerimise tagamiseks ette nähtud evakuatsiooniteed. Evakuatsiooniteede horisontaalsete lõikude kõrgus peab olema vähemalt 2 m, evakuatsiooniteede horisontaalsete lõikude laius peab olema vähemalt 1,0 m. Evakuatsiooniteed on valgustatud.

Laboratoorium järgis kõiki tuleohutuseeskirju vastavalt kehtivatele eeskirjadele.

Hädaolukorrad

GOST R 22.0.05-97 järgi on hädaolukord (ES) ootamatu, äkiline olukord teatud territooriumil või majandusobjektis õnnetuse, inimtegevusest tingitud katastroofi tagajärjel, mis võib kaasa tuua inimohvreid, kahju tekitada. inimeste tervist või keskkonda, materiaalset kahju ja inimeste elutingimuste rikkumist.

Keemialaboris on võimalikud järgmised hädaolukordade põhjused:

ohutusnõuete rikkumine;

elektriseadmete süütamine;

elektriseadmete isolatsiooni rikkumine;

Seoses võimalike hädaolukordade põhjustega laboris on koostatud võimalike hädaolukordade tabel 4.4.

Võimalike hädaolukordade eest kaitsmise viisid on regulaarsed infotunnid ohutusest ja käitumisest hädaolukordades; elektrijuhtmete regulaarne kontroll; omama evakuatsiooniplaani.

Tabel 4.4 – Võimalikud hädaolukorrad laboris

Võimalik hädaolukord	Põhjus	Meetmed hädaolukordade kõrvaldamiseks
Elektri-šokk	Elektrivooluga töötamise ohutuseeskirjade rikkumine; Isolatsiooni terviklikkuse rikkumine isolatsioonimaterjalide vananemise tagajärjel.	Lülitage elekter välja ühise lülitiga; kutsuda kannatanule kiirabi; anda vajadusel esmaabi; teatage juhtunust seadme eest vastutavale töötajale, et selgitada välja hädaolukorra põhjus.
Tulekahju laboris.	Tuleohutusseadmete rikkumine; Lühis;	Lülita välja laboris töötavad seadmed; kutsuda välja tuletõrje, alustada tulekahju kustutamist tulekustutitega; teatage juhtunust seadme eest vastutavale töötajale, et selgitada välja hädaolukorra põhjus.

Järeldused BJD jaotise kohta

Eluohutust käsitlevas jaotises võetakse arvesse järgmisi tegureid:

mikrokliima parameetrid vastavad regulatiivsetele dokumentidele ja loovad keemialaboris mugavad tingimused;

kahjulike ainete kontsentratsioon labori õhus halkogeniidkilede saamisel vastab hügieeninormidele. Laboris on olemas kõik vajalikud individuaalsed ja kollektiivsed kaitsevahendid kahjulike ainete mõju eest;

tõmbekapi ventilatsioonisüsteemi arvutus, mis põhineb ventilaatoril OSTBERG RFE 140 SKU, võimsusega -320 m 3 / h, pingega -230 V, tagab võimaluse minimeerida keemiliste reaktiivide kahjulikku mõju. inimestele ja vastavalt arvutatud andmetele tagab piisava õhuvahetuskursi - 86;

müra töökohal vastab standardnormidele;

labori piisav valgustus saavutatakse peamiselt kunstliku valgustuse tõttu;

vastavalt elektrilöögi ohule kuulub keemialabor kõrgendatud ohuta ruumidesse, kasutatavate seadmete kõik voolu juhtivad osad on isoleeritud ja maandatud.

Kaaluti ka selle laboriruumi tuleohtu. Sel juhul võib selle klassifitseerida kategooriasse "B1", tulepüsivusaste on II.

Hädaolukordade vältimiseks korraldab Uurali föderaalülikool regulaarselt infotunde töötajate ja üliõpilaste ohutuse tagamise eest vastutavate isikutega. Hädaolukorra näitena käsitleti elektrilööki rikkis elektriseadmete korral.

Hea kellaaeg, Khabrazhiteli! Arvan, et paljud on märganud, et üha enam hakkas ilmuma reklaame kvantpunkttehnoloogial põhinevatele kuvaritele ehk nn QD - LED (QLED) ekraanidele, hoolimata sellest, et hetkel on tegemist vaid turundusega. Sarnaselt LED-teleri ja Retinaga on see LCD-ekraani tehnoloogia, mis kasutab taustvalgusena kvantpunkt-LED-sid.

Teie alandlik teenija otsustas siiski välja mõelda, mis on kvantpunktid ja millega neid süüakse.

Sissejuhatuse asemel

kvantpunkt- juhi või pooljuhi fragment, mille laengukandjad (elektronid või augud) on ruumiliselt piiratud kõigis kolmes mõõtmes. Kvantpunkti suurus peab olema nii väike, et kvantefektid oleksid olulised. See saavutatakse, kui elektroni kineetiline energia on märgatavalt suurem kui kõik teised energiaskaalad: esiteks on see suurem kui energiaühikutes väljendatud temperatuur. Kvantpunktid sünteesisid esmakordselt 1980. aastate alguses Aleksei Ekimov klaasmaatriksis ja Louis E. Brus kolloidsetes lahustes. Termini "kvantpunkt" võttis kasutusele Mark Reed.

Kvantpunkti energiaspekter on diskreetne ja laengukandja statsionaarsete energiatasemete vaheline kaugus sõltub kvantpunkti enda suurusest - ħ/(2md^2), kus:

1. ħ on vähendatud Plancki konstant;
2. d on iseloomulik punkti suurus;
3. m on elektroni efektiivne mass punktis

Lihtsamalt öeldes on kvantpunkt pooljuht, mille elektrilised omadused sõltuvad selle suurusest ja kujust.

Näiteks kui elektron liigub madalamale energiatasemele, kiirgub footon; kuna kvantpunkti suurust on võimalik juhtida, siis on võimalik muuta ka kiiratava footoni energiat, mis tähendab kvantpunkti poolt kiiratava valguse värvi muutmist.

Kvantpunktide tüübid

On kahte tüüpi:

• epitaksiaalsed kvantpunktid;
• kolloidsed kvantpunktid.

Tegelikult nimetatakse neid vastavalt nende tootmismeetoditele. Täpsemalt ma neist ei räägi keemiliste terminite rohkuse tõttu (Google abiks). Lisan vaid, et kolloidsünteesi abil on võimalik saada nanokristalle, mis on kaetud adsorbeerunud pindaktiivsete molekulide kihiga. Seega lahustuvad need orgaanilistes lahustites, peale modifitseerimist ka polaarsetes lahustites.

Kvantpunktide konstrueerimine

Tavaliselt on kvantpunkt pooljuhtkristall, milles realiseeruvad kvantefektid. Sellises kristallis olev elektron tunneb end olevat kolmemõõtmelises potentsiaaliaugus ja tal on palju statsionaarseid energiatasemeid. Sellest lähtuvalt võib kvantpunkt ühelt tasandilt teisele liikudes kiirata footoni. Kõige selle juures on üleminekuid lihtne juhtida, muutes kristalli suurust. Samuti on võimalik paisata elektron kõrgele energiatasemele ja saada kiirgust üleminekust madalamate tasemete vahel ning selle tulemusena saame luminestsentsi. Tegelikult oli just selle nähtuse vaatlemine esimene kvantpunktide vaatlus.

Nüüd kuvaritest

Täisväärtuslike kuvarite ajalugu sai alguse 2011. aasta veebruaris, kui Samsung Electronics esitles QLED-kvantpunktidel põhineva täisvärviekraani väljatöötamist. Tegemist oli 4-tollise ekraaniga, mida juhib aktiivmaatriks, st. iga värvilise kvantpunkti pikslit saab õhukese kilega transistori abil sisse ja välja lülitada.

Prototüübi loomiseks kantakse räniplaadile kiht kvantpunktilahust ja pihustatakse lahustit. Seejärel pressitakse kvantpunktide kihti kammipinnaga kummitempel, eraldatakse ja tembeldatakse klaasile või painduvale plastikule. Nii ladestuvad substraadile kvantpunktide ribad. Värvilistel kuvadel sisaldab iga piksel punast, rohelist või sinist alampikslit. Vastavalt sellele kasutatakse neid värve erineva intensiivsusega, et saada võimalikult palju toone.

Järgmine samm arenduses oli Bangalores asuva India teadusinstituudi teadlaste artikli avaldamine. Kus kirjeldati kvantpunkte, mis helendavad mitte ainult oranžina, vaid ka vahemikus tumerohelisest punaseni.

Miks LCD on halvem?

Peamine erinevus QLED-ekraani ja LCD vahel seisneb selles, et viimane suudab katta vaid 20-30% värvivahemikust. Samuti pole QLED-telerites vaja kasutada valgusfiltritega kihti, kuna kristallid kiirgavad neile pinge rakendamisel alati täpselt määratletud lainepikkusega ja sellest tulenevalt sama värviväärtusega valgust.

Samuti oli uudis Hiinas kvantpunktarvutiekraani müügist. Kahjuks pole mul erinevalt telekast olnud võimalust seda oma silmaga kontrollida.

P.S. Väärib märkimist, et kvantpunktide ulatus ei piirdu LED-idega – monitore saab muuhulgas kasutada väljatransistorides, fotoelementides, laserdioodides, samuti uuritakse nende kasutamise võimalust meditsiinis. ja kvantarvutus.

P.P.S. Kui me räägime minu isiklikust arvamusest, siis ma usun, et need ei ole järgmise kümne aasta jooksul populaarsed mitte sellepärast, et neid vähe teatakse, vaid sellepärast, et nende kuvarite hinnad on kõrged, kuid siiski tahaks loota, et kvantpunktid leiavad oma rakenduse meditsiinis ja neid kasutatakse mitte ainult kasumi suurendamiseks, vaid ka headel eesmärkidel.