Chấm lượng tử trong chất bán dẫn. Các chấm lượng tử dạng keo. Xử lý các dung dịch thải

Nhiều phương pháp quang phổ xuất hiện trong nửa sau của thế kỷ 20 - hiển vi lực nguyên tử và điện tử, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, phổ khối - dường như đã đưa phương pháp hiển vi quang học truyền thống vào cuộc từ lâu. Tuy nhiên, việc sử dụng khéo léo hiện tượng huỳnh quang đã hơn một lần kéo dài tuổi thọ của “lão tướng”. Bài viết này sẽ nói về chấm lượng tử(tinh thể nano bán dẫn huỳnh quang), mang sức mạnh mới vào kính hiển vi quang học và giúp nó có thể nhìn xa hơn giới hạn nhiễu xạ khét tiếng. Các đặc tính vật lý độc đáo của các chấm lượng tử khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc đăng ký nhiều màu siêu nhạy của các đối tượng sinh học, cũng như cho chẩn đoán y tế.

Bài báo đưa ra ý tưởng về các nguyên tắc vật lý xác định các đặc tính độc đáo của chấm lượng tử, các ý tưởng chính và triển vọng cho việc sử dụng các tinh thể nano và nói về những thành công đã đạt được trong ứng dụng của chúng trong sinh học và y học. Bài báo dựa trên kết quả nghiên cứu được thực hiện trong những năm gần đây tại Phòng thí nghiệm Lý sinh phân tử của Viện Hóa tổ chức sinh học. MM. Shemyakin và Yu.A. Ovchinnikov, cùng với Đại học Reims và Đại học Bang Belarus, nhằm phát triển công nghệ dấu ấn sinh học thế hệ mới cho các lĩnh vực chẩn đoán lâm sàng khác nhau, bao gồm ung thư và các bệnh tự miễn, cũng như tạo ra các loại cảm biến nano mới để đăng ký đồng thời nhiều thông số y sinh. Phiên bản gốc của tác phẩm đã được đăng trên tạp chí The Nature; Ở một mức độ nào đó, bài báo dựa trên cuộc hội thảo lần thứ hai của Hội đồng các nhà khoa học trẻ của IBCh RAS. - Ed.

Phần I, lý thuyết

Hình 1. Các mức năng lượng rời rạc trong tinh thể nano. chất bán dẫn "rắn" ( để lại) có vùng hóa trị và vùng dẫn cách nhau bởi một vùng cấm Ví dụ. Tinh thể nano bán dẫn ( ở bên phải) được đặc trưng bởi các mức năng lượng rời rạc tương tự như các mức năng lượng của một nguyên tử. Trong một tinh thể nano Ví dụ là một hàm của kích thước: tăng kích thước của tinh thể nano dẫn đến giảm Ví dụ.

Giảm kích thước hạt dẫn đến biểu hiện của các đặc tính rất khác thường của vật liệu mà từ đó nó được tạo ra. Lý do cho điều này là các hiệu ứng cơ lượng tử phát sinh khi chuyển động của các hạt tải điện bị giới hạn về mặt không gian: năng lượng của các hạt tải điện trong trường hợp này trở nên rời rạc. Và số lượng các mức năng lượng, như cơ học lượng tử đã dạy, phụ thuộc vào kích thước của "giếng thế", chiều cao của hàng rào thế năng và khối lượng của hạt mang điện tích. Tăng kích thước của "giếng" dẫn đến tăng số lượng các mức năng lượng, đồng thời trở nên gần nhau hơn cho đến khi chúng hợp nhất, và phổ năng lượng trở nên "liên tục" (Hình 1). Sự chuyển động của các hạt tải điện có thể bị giới hạn dọc theo một tọa độ (tạo thành màng lượng tử), dọc theo hai tọa độ (dây lượng tử hoặc dây tóc), hoặc dọc theo cả ba hướng - chúng sẽ chấm lượng tử(CT).

Tinh thể nano bán dẫn là cấu trúc trung gian giữa các cụm phân tử và vật liệu "rắn". Ranh giới giữa vật liệu phân tử, tinh thể nano và vật liệu rắn không được xác định rõ ràng; tuy nhiên, phạm vi 100 ÷ 10.000 nguyên tử mỗi hạt có thể được coi là "giới hạn trên" của tinh thể nano. Giới hạn trên tương ứng với các kích thước mà khoảng thời gian giữa các mức năng lượng vượt quá năng lượng của dao động nhiệt kT (k là hằng số Boltzmann, T- nhiệt độ), khi các vật mang điện tích trở nên di động.

Thang đo chiều dài tự nhiên cho các vùng được kích thích điện tử trong chất bán dẫn "liên tục" được xác định bởi bán kính kích thích Bohr cây rìu, phụ thuộc vào độ mạnh của tương tác Coulomb giữa electron ( e) Và hố (h). Trong tinh thể nano, thứ tự độ lớn kích thước bản thân x bắt đầu ảnh hưởng đến cấu hình của cặp Hở và do đó kích thước của exciton. Hóa ra là trong trường hợp này, năng lượng điện tử được xác định trực tiếp bởi kích thước của tinh thể nano - hiện tượng này được gọi là "hiệu ứng giam giữ lượng tử". Sử dụng hiệu ứng này, người ta có thể kiểm soát khoảng cách vùng cấm tinh thể nano ( Ví dụ), đơn giản bằng cách thay đổi kích thước hạt (Bảng 1).

Các đặc tính độc đáo của chấm lượng tử

Là một đối tượng vật lý, chấm lượng tử đã được biết đến từ lâu, là một trong những dạng được phát triển mạnh mẽ ngày nay. dị cấu trúc. Một đặc điểm của chấm lượng tử ở dạng tinh thể nano keo là mỗi chấm là một vật thể cô lập và di động trong dung môi. Các tinh thể nano như vậy có thể được sử dụng để xây dựng các liên kết khác nhau, lai, các lớp có thứ tự, v.v., trên cơ sở đó các phần tử của thiết bị điện tử và quang điện tử, các đầu dò và cảm biến để phân tích các vi điện tử của một chất, các cảm biến kích thước nano huỳnh quang, phát quang hóa học và quang điện hóa khác nhau. Được xây dựng.

Lý do cho sự xâm nhập nhanh chóng của các tinh thể nano bán dẫn vào các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau là do các đặc điểm quang học độc đáo của chúng:

đỉnh huỳnh quang đối xứng hẹp (trái ngược với thuốc nhuộm hữu cơ, được đặc trưng bởi sự hiện diện của “đuôi” bước sóng dài; Hình 2, để lại), có vị trí được kiểm soát bởi sự lựa chọn kích thước tinh thể nano và thành phần của nó (Hình 3);
một dải kích thích rộng, có thể kích thích các tinh thể nano có màu sắc khác nhau bằng một nguồn bức xạ (Hình 2, để lại). Ưu điểm này là cơ bản khi tạo ra các hệ thống mã hóa đa màu sắc;
độ sáng huỳnh quang cao được xác định bởi giá trị tắt cao và hiệu suất lượng tử cao (lên đến 70% đối với tinh thể nano CdSe / ZnS);
khả năng quang ổn định cao độc đáo (Hình 2, ở bên phải), cho phép sử dụng các nguồn kích từ công suất lớn.

Hình 2. Tính chất quang phổ của chấm lượng tử cadmium-selen (CdSe). Để lại: Các tinh thể nano có màu sắc khác nhau có thể được kích thích bởi một nguồn duy nhất (mũi tên chỉ ra sự kích thích bởi một tia laze argon có bước sóng 488 nm). Mặt trong cho thấy sự phát huỳnh quang của các tinh thể nano CdSe / ZnS với các kích thước khác nhau (và theo đó, màu sắc) được kích thích bởi một nguồn sáng duy nhất (đèn UV). Ở bên phải: Các chấm lượng tử cực kỳ bền quang so với các loại thuốc nhuộm thông thường khác, chúng bị phá hủy nhanh chóng dưới chùm đèn thủy ngân trong kính hiển vi huỳnh quang.

Hình 3. Tính chất của các chấm lượng tử từ các vật liệu khác nhau. Ở trên: Phạm vi huỳnh quang của các tinh thể nano được làm từ các vật liệu khác nhau. Đáy: Các chấm lượng tử CdSe có nhiều kích thước khác nhau bao phủ toàn bộ phạm vi nhìn thấy được là 460–660 nm. Góc phải ở phía dưới: Sơ đồ chấm lượng tử ổn định, trong đó "lõi" được bao phủ bởi một lớp vỏ bán dẫn và một lớp polyme bảo vệ.

Kỹ thuật sản xuất

Tổng hợp tinh thể nano được thực hiện bằng cách tiêm nhanh các hợp chất tiền chất vào môi trường phản ứng ở nhiệt độ cao (300–350 ° C) và sau đó tăng trưởng chậm các tinh thể nano ở nhiệt độ tương đối thấp (250–300 ° C). Trong chế độ tổng hợp “tập trung”, tốc độ phát triển của các hạt nhỏ cao hơn tốc độ phát triển của các hạt lớn, do đó sự lan truyền trong kích thước tinh thể nano giảm.

Công nghệ tổng hợp có kiểm soát giúp kiểm soát hình dạng của các hạt nano bằng cách sử dụng tính dị hướng của các tinh thể nano. Cấu trúc tinh thể đặc trưng của một vật liệu cụ thể (ví dụ, CdSe được đặc trưng bởi sự đóng gói hình lục giác - wurtzite, Hình 3) làm trung gian cho các hướng tăng trưởng "đã chọn" xác định hình dạng của tinh thể nano. Đây là cách thu được các thanh nano hoặc tetrapod - các tinh thể nano kéo dài theo bốn hướng (Hình 4).

Hình 4. Các hình dạng khác nhau của tinh thể nano CdSe. Để lại: Tinh thể nano hình cầu CdSe / ZnS (chấm lượng tử); ở Trung tâm: hình que (thanh lượng tử). Ở bên phải:ở dạng tứ bội. (Kính hiển vi điện tử truyền qua. Dấu - 20 nm.)

Rào cản đối với ứng dụng thực tế

Một số hạn chế cản trở ứng dụng thực tế của tinh thể nano từ chất bán dẫn nhóm II – VI. Đầu tiên, năng suất lượng tử của sự phát quang của chúng phụ thuộc đáng kể vào các đặc tính của môi trường. Thứ hai, độ ổn định của "lõi" của các tinh thể nano trong dung dịch nước cũng thấp. Vấn đề nằm ở các "khuyết tật" bề mặt, chúng đóng vai trò là các trung tâm tái tổ hợp không chiếu xạ hoặc "bẫy" kích thích Hở hơi nước.

Để khắc phục những vấn đề này, các chấm lượng tử được bao bọc trong một lớp vỏ bao gồm nhiều lớp vật liệu có khe hở rộng. Điều này cho phép bạn cô lập Hở kết đôi trong hạt nhân, làm tăng thời gian sống của nó, giảm sự tái tổ hợp không phát xạ, và do đó tăng năng suất lượng tử huỳnh quang và tính ổn định quang.

Về vấn đề này, cho đến nay, các tinh thể nano huỳnh quang được sử dụng rộng rãi nhất có cấu trúc lõi / vỏ (Hình 3). Các quy trình tiên tiến để tổng hợp các tinh thể nano CdSe / ZnS giúp nó có thể đạt được hiệu suất lượng tử là 90%, gần với các thuốc nhuộm huỳnh quang hữu cơ tốt nhất.

Phần II: ứng dụng của chấm lượng tử ở dạng tinh thể keo nano

Fluorophores trong y học và sinh học

Các đặc tính độc đáo của QDs khiến nó có thể sử dụng chúng trong hầu hết các hệ thống ghi nhãn và hình dung các đối tượng sinh học (ngoại trừ chỉ nhãn nội bào huỳnh quang biểu hiện về mặt di truyền - các protein huỳnh quang được biết đến rộng rãi).

Để hình dung các đối tượng hoặc quá trình sinh học, QDs có thể được tiêm trực tiếp vào đối tượng hoặc với các phân tử nhận biết “gắn liền” (thường là kháng thể hoặc oligonucleotide). Các tinh thể nano thâm nhập và được phân bố khắp đối tượng phù hợp với các đặc tính của chúng. Ví dụ, các tinh thể nano có kích thước khác nhau xuyên qua màng sinh học theo những cách khác nhau, và vì kích thước quyết định màu sắc của huỳnh quang, các khu vực khác nhau của vật thể cũng có màu khác nhau (Hình 5) ,. Sự hiện diện của việc nhận biết các phân tử trên bề mặt của tinh thể nano làm cho nó có thể thực hiện liên kết có mục tiêu: vật thể mong muốn (ví dụ, một khối u) được nhuộm bằng một màu nhất định!

Hình 5. Tô màu các đối tượng. Để lại: hình ảnh huỳnh quang đồng màu nhiều màu về sự phân bố của các chấm lượng tử trên nền vi cấu trúc của bộ xương tế bào và nhân trong dòng tế bào THP-1 của thực bào người. Các tinh thể nano vẫn tồn tại trong tế bào ít nhất 24 giờ và không gây tổn hại đến cấu trúc và chức năng của tế bào. Ở bên phải: tích tụ các tinh thể nano "liên kết chéo" với peptide RGD trong khu vực khối u (mũi tên). Ở bên phải - đối chứng, giới thiệu các tinh thể nano không có peptit (tinh thể nano CdTe, 705 nm).

Mã hóa quang phổ và "vi mạch lỏng"

Như đã đề cập, đỉnh huỳnh quang của tinh thể nano hẹp và đối xứng, điều này có thể giúp cô lập một cách đáng tin cậy tín hiệu huỳnh quang của các tinh thể nano có màu sắc khác nhau (lên đến mười màu trong dải nhìn thấy được). Ngược lại, dải hấp thụ của các tinh thể nano rộng, tức là các tinh thể nano có tất cả các màu có thể bị kích thích bởi một nguồn sáng duy nhất. Những đặc tính này, cũng như khả năng quang ổn định cao của chúng, làm cho các chấm lượng tử fluorophores lý tưởng để mã hóa quang phổ nhiều màu của các đối tượng - tương tự như mã vạch, nhưng sử dụng mã nhiều màu và "vô hình" phát huỳnh quang trong vùng hồng ngoại.

Hiện tại, thuật ngữ “vi mạch lỏng” đang được sử dụng ngày càng nhiều, giống như các chip phẳng cổ điển, nơi các phần tử phát hiện nằm trên một mặt phẳng, có thể được sử dụng để phân tích nhiều tham số đồng thời bằng cách sử dụng các vi mạch mẫu. Nguyên tắc của mã hóa quang phổ sử dụng vi mạch lỏng được minh họa trong Hình 6. Mỗi phần tử của vi mạch chứa một số QD có màu nhất định, và số lượng các biến thể được mã hóa có thể rất lớn!

Hình 6. Nguyên tắc mã hóa quang phổ. Để lại: vi mạch phẳng "thông thường". Ở bên phải:"vi mạch lỏng", mỗi phần tử chứa một số CT nhất định có màu sắc nhất định. Tại n mức cường độ huỳnh quang và m màu sắc, số lượng biến thể được mã hóa theo lý thuyết là nm-1. Vì vậy, đối với 5–6 màu và 6 mức cường độ, đây sẽ là 10.000–40.000 tùy chọn.

Các nguyên tố vi lượng được mã hóa như vậy có thể được sử dụng để ghi nhãn trực tiếp cho bất kỳ đối tượng nào (ví dụ: chứng khoán). Được nhúng trong ma trận polyme, chúng cực kỳ ổn định và bền. Một khía cạnh khác của ứng dụng là xác định các đối tượng sinh học trong việc phát triển các phương pháp chẩn đoán sớm. Phương pháp chỉ thị và nhận dạng bao gồm thực tế là một phân tử nhận dạng cụ thể, được gắn vào mỗi phần tử được mã hóa phổ của vi mạch. Dung dịch chứa một phân tử nhận biết thứ hai, mà tín hiệu florophore được "khâu". Sự xuất hiện đồng thời của huỳnh quang vi mạch và tín hiệu fluorophore cho thấy sự hiện diện của đối tượng nghiên cứu trong hỗn hợp được phân tích.

Phương pháp đo tế bào dòng chảy có thể được sử dụng để phân tích các vi hạt được mã hóa đang di chuyển. Một dung dịch chứa các vi hạt đi qua một kênh được chiếu xạ bằng tia laser, nơi mỗi hạt được đặc trưng về mặt quang phổ. Phần mềm của thiết bị cho phép bạn xác định và mô tả các sự kiện liên quan đến sự xuất hiện của một số hợp chất nhất định trong mẫu - ví dụ, dấu hiệu của bệnh ung thư hoặc bệnh tự miễn,.

Trong tương lai, dựa trên các tinh thể nano huỳnh quang bán dẫn, máy phân tích vi mô có thể được tạo ra để đăng ký đồng thời một số lượng lớn các đối tượng cùng một lúc.

Cảm biến phân tử

Việc sử dụng QDs làm đầu dò giúp có thể đo các thông số của môi trường tại các khu vực cục bộ, kích thước của môi trường này có thể so sánh với kích thước của đầu dò (quy mô nanomet). Hoạt động của các dụng cụ đo như vậy dựa trên việc sử dụng hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET). Bản chất của hiệu ứng FRET là khi hai đối tượng tiếp cận nhau (người cho và người nhận) và chồng lên nhau quang phổ huỳnh quangđầu tiên kể từ quang phổ hấp thụ thứ hai, năng lượng được truyền không phải là bức xạ - và nếu bộ nhận có thể phát huỳnh quang, nó sẽ phát sáng với một sự báo thù.

Chúng tôi đã viết về hiệu ứng FRET trong bài báo “ Thước dây cho máy quang phổ » .

Ba tham số của chấm lượng tử khiến chúng trở nên rất hấp dẫn trong các hệ thống định dạng FRET.

Khả năng lựa chọn bước sóng phát xạ với độ chính xác cao để thu được sự chồng chéo tối đa của phổ phát xạ của bộ cho và kích thích của bộ nhận.
Khả năng kích thích các QD khác nhau bởi một bước sóng của một nguồn sáng.
Khả năng bị kích thích ở vùng quang phổ xa bước sóng phát xạ (chênh lệch> 100 nm).

Có hai chiến lược để sử dụng hiệu ứng FRET:

đăng ký hành động tương tác của hai phân tử do những thay đổi về cấu trúc trong hệ thống cho-nhận và
đăng ký những thay đổi trong đặc tính quang học của chất cho hoặc chất nhận (ví dụ, phổ hấp thụ).

Cách tiếp cận này có thể thực hiện các cảm biến kích thước nano để đo pH và nồng độ của các ion kim loại trong một khu vực cục bộ của mẫu. Phần tử nhạy cảm trong một cảm biến như vậy là một lớp các phân tử chỉ thị thay đổi tính chất quang học của chúng khi liên kết với ion đã đăng ký. Kết quả của sự liên kết, sự xen phủ của phổ huỳnh quang của QDs và sự hấp thụ của chất chỉ thị thay đổi, điều này cũng làm thay đổi hiệu quả truyền năng lượng.

Một cách tiếp cận sử dụng những thay đổi về quy cách trong hệ thống tiếp nhận của nhà tài trợ được thực hiện trong một cảm biến nhiệt độ cỡ nano. Hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi nhiệt độ trong hình dạng của phân tử polyme liên kết chấm lượng tử và chất nhận - chất dập tắt huỳnh quang. Khi nhiệt độ thay đổi, cả khoảng cách giữa chất làm nguội và florophore cũng như cường độ huỳnh quang đều thay đổi, từ đó kết luận về nhiệt độ đã được đưa ra.

Chẩn đoán phân tử

Việc phá vỡ hoặc hình thành mối ràng buộc giữa người cho và người nhận có thể được đăng ký theo cùng một cách. Hình 7 trình bày nguyên tắc đăng ký "sandwich", trong đó đối tượng được đăng ký hoạt động như một liên kết ("bộ điều hợp") giữa người cho và người nhận.

Hình 7. Nguyên tắc đăng ký sử dụng định dạng FRET. Sự hình thành liên hợp (“vi mạch lỏng”) - (đối tượng được ghi lại) - (tín hiệu fluorophore) đưa chất cho (tinh thể nano) đến gần chất nhận (thuốc nhuộm AlexaFluor). Bản thân bức xạ laser không kích thích huỳnh quang của thuốc nhuộm; tín hiệu huỳnh quang chỉ xuất hiện do sự truyền năng lượng cộng hưởng từ tinh thể nano CdSe / ZnS. Để lại: cơ cấu liên hợp truyền năng lượng. Ở bên phải: giản đồ quang phổ của sự kích thích thuốc nhuộm.

Một ví dụ về việc thực hiện phương pháp này là việc tạo ra một chẩn đoán cho một bệnh tự miễn bệnh xơ cứng bì toàn thân(xơ cứng bì). Tại đây, các chấm lượng tử có bước sóng huỳnh quang 590 nm đóng vai trò là chất cho và thuốc nhuộm hữu cơ, AlexaFluor 633, đóng vai trò là chất nhận. Một kháng nguyên của tự kháng thể, dấu hiệu của bệnh xơ cứng bì, được "khâu" lên bề mặt của một vi hạt chứa các chấm lượng tử. Các kháng thể thứ cấp được đánh dấu bằng thuốc nhuộm được đưa vào dung dịch. Trong trường hợp không có mục tiêu, thuốc nhuộm không tiếp cận bề mặt của vi hạt, không có sự truyền năng lượng và thuốc nhuộm không phát huỳnh quang. Nhưng nếu các tự kháng thể xuất hiện trong mẫu, điều này dẫn đến sự hình thành phức hợp vi hạt-tự kháng thể-thuốc nhuộm. Kết quả của sự truyền năng lượng, thuốc nhuộm bị kích thích, và tín hiệu huỳnh quang của nó xuất hiện trong quang phổ có bước sóng 633 nm.

Tầm quan trọng của công việc này còn nằm ở chỗ, các tự kháng thể có thể được sử dụng làm dấu hiệu chẩn đoán ở giai đoạn phát triển sớm nhất của các bệnh tự miễn. "Vi mạch lỏng" cho phép bạn tạo hệ thống thử nghiệm trong đó kháng nguyên ở trong điều kiện tự nhiên hơn nhiều so với trên mặt phẳng (như trong vi mạch "thông thường"). Các kết quả thu được đã mở đường cho việc tạo ra một loại xét nghiệm chẩn đoán lâm sàng mới dựa trên việc sử dụng các chấm lượng tử. Và việc thực hiện các phương pháp tiếp cận dựa trên việc sử dụng vi mạch lỏng được mã hóa quang phổ sẽ giúp xác định đồng thời hàm lượng của nhiều điểm đánh dấu cùng một lúc, là cơ sở để tăng đáng kể độ tin cậy của kết quả chẩn đoán và phát triển các phương pháp chẩn đoán sớm. .

Thiết bị phân tử lai

Khả năng kiểm soát linh hoạt các đặc tính quang phổ của các chấm lượng tử mở ra con đường cho các thiết bị quang phổ kích thước nano. Đặc biệt, QDs dựa trên cadmium-tellurium (CdTe) làm cho nó có thể mở rộng độ nhạy quang phổ bacteriorhodopsin(bR), được biết đến với khả năng sử dụng năng lượng ánh sáng để "bơm" proton qua màng. (Gradient điện hóa tạo thành được vi khuẩn sử dụng để tổng hợp ATP.)

Trên thực tế, một vật liệu lai mới đã được thu được: sự gắn các chấm lượng tử vào màng màu tím- một màng lipid chứa các phân tử bacteriorhodopsin dày đặc - mở rộng phạm vi cảm quang đối với các vùng UV và xanh lam của quang phổ, nơi bR "thông thường" không hấp thụ ánh sáng (Hình 8). Cơ chế truyền năng lượng tới bacteriorhodopsin từ một chấm lượng tử hấp thụ ánh sáng trong vùng UV và vùng xanh lam vẫn giống nhau: đây là FRET; Trong trường hợp này, chất nhận bức xạ là võng mạc- cùng một sắc tố hoạt động trong tế bào cảm quang rhodopsin.

Hình 8. "Nâng cấp" bacteriorhodopsin bằng cách sử dụng các chấm lượng tử. Để lại: một proteoliposome có chứa bacteriorhodopsin (ở dạng trimers) với các chấm lượng tử dựa trên CdTe được “khâu” vào nó (được hiển thị dưới dạng hình cầu màu cam). Ở bên phải: sơ đồ mở rộng độ nhạy phổ của bR do QD: trên phổ, vùng tiếp quản CT nằm trong phần UV và màu xanh lam của quang phổ; phạm vi khí thải có thể được "tùy chỉnh" bằng cách chọn kích thước của tinh thể nano. Tuy nhiên, trong hệ thống này, sự phát xạ năng lượng bởi các chấm lượng tử không xảy ra: năng lượng di chuyển không theo thứ tự đến bacteriorhodopsin, hoạt động (bơm ion H + vào liposome).

Proteoliposomes được tạo ra trên cơ sở vật liệu này (“túi” lipid có chứa lai bR-CT) bơm proton vào chính chúng dưới ánh sáng, làm giảm độ pH một cách hiệu quả (Hình 8). Thoạt nhìn, phát minh này có vẻ không đáng kể, nhưng có thể tạo cơ sở cho các thiết bị quang điện tử và quang tử trong tương lai và được ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp năng lượng điện và các loại chuyển đổi quang điện khác.

Tóm lại, cần nhấn mạnh rằng các chấm lượng tử ở dạng tinh thể nano keo là những đối tượng hứa hẹn nhất của công nghệ nano nano, sinh học và máy photocopy sinh học. Sau lần đầu tiên chứng minh khả năng của các chấm lượng tử dưới dạng fluorophores vào năm 1998, đã có một khoảng thời gian tạm lắng trong vài năm liên quan đến việc hình thành các phương pháp tiếp cận ban đầu mới để sử dụng các tinh thể nano và nhận ra tiềm năng mà những vật thể độc đáo này sở hữu. Nhưng trong những năm gần đây, đã có một sự gia tăng mạnh mẽ: việc tích lũy các ý tưởng và việc thực hiện chúng đã xác định một bước đột phá trong việc tạo ra các thiết bị và công cụ mới dựa trên việc sử dụng các chấm lượng tử tinh thể nano bán dẫn trong sinh học, y học, kỹ thuật điện tử, năng lượng mặt trời. công nghệ và nhiều thứ khác. Tất nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết trong suốt chặng đường, nhưng sự quan tâm ngày càng tăng, số lượng ngày càng tăng của các nhóm nghiên cứu những vấn đề này, số lượng ngày càng tăng của các ấn phẩm dành cho lĩnh vực này, cho phép chúng ta hy vọng rằng các chấm lượng tử sẽ trở thành cơ sở của thế hệ kỹ thuật và công nghệ tiếp theo.

Đoạn video quay V.A. Oleinikov tại hội thảo lần thứ hai của Hội đồng các nhà khoa học trẻ của IBCh RAS, tổ chức ngày 17/5/2012.

Văn học

Oleinikov V.A. (2010). Chấm lượng tử trong Sinh học và Y học. Thiên nhiên. 3 , 22;
Oleinikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. (2007). Tinh thể nano bán dẫn huỳnh quang trong sinh học và y học. Công nghệ nano của Nga. 2 , 160–173;
Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Mikhail Artemyev, Vladimir Oleinikov, et. al. (2002). Tinh thể nano huỳnh quang có độ ổn định cao như một loại nhãn mới lạ để phân tích hóa mô miễn dịch của các phần mô được nhúng parafin. Đầu tư phòng thí nghiệm. 82 , 1259-1261;
C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Tổng hợp và xác định đặc tính của tinh thể nano bán dẫn gần như đơn phân cực CdE (E = lưu huỳnh, selen, Tellurium). Mứt. Chèm. soc.. 115 , 8706-8715;
Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Tinh thể nano ZnSe phát quang tia UV-Xanh lam sáng. J Thể chất. Chèm. B. 102 , 3655-3657;
Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (Năm 2002). Kiểm soát hình dạng của tinh thể nano bán dẫn dạng keo. J. Clust. khoa học. 13 , 521–532;
Giải Nobel Hóa học huỳnh quang;
Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al. (2007). Các tinh thể nano phi chức năng có thể khai thác máy móc vận chuyển tích cực của tế bào để cung cấp chúng tới các khoang hạt nhân và tế bào chất cụ thể. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅ‚gorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al. (2009). Thăm dò Rào cản kích thước nano nội bào cụ thể-loại tế bào bằng cách sử dụng máy đo pH Nano của chấm lượng tử được điều chỉnh kích thước;
Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach, et. al. (2007). Microbeads huỳnh quang được mã hóa nanocrystal cho Proteomics: Lập hồ sơ kháng thể và chẩn đoán các bệnh tự miễn dịch. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov, et. al. (2010). Truyền Năng lượng Cộng hưởng Cải thiện Chức năng Sinh học của Bacteriorhodopsin trong Vật liệu Lai tạo từ Màng Tím và Chấm Lượng tử Bán dẫn. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;

, chấm lượng tử

Tinh thể bán dẫn có kích thước vài nanomet, được tổng hợp bằng phương pháp tạo keo. Các chấm lượng tử có sẵn cả ở dạng lõi và dạng dị cấu trúc lõi-vỏ. Do kích thước nhỏ của chúng, QDs có các đặc tính khác với các đặc tính của chất bán dẫn số lượng lớn. Giới hạn không gian của chuyển động của các hạt tải điện dẫn đến hiệu ứng kích thước lượng tử, được thể hiện trong cấu trúc rời rạc của các mức điện tử, đó là lý do tại sao QDs đôi khi được gọi là "nguyên tử nhân tạo".

Các chấm lượng tử, tùy thuộc vào kích thước và thành phần hóa học của chúng, thể hiện sự phát quang trong phạm vi nhìn thấy và hồng ngoại gần. Do độ đồng nhất về kích thước cao (hơn 95%), các tinh thể nano được đề xuất có phổ phát xạ hẹp (đỉnh huỳnh quang nửa chiều rộng 20-30 nm), đảm bảo độ tinh khiết của màu sắc hiện tượng.

Các chấm lượng tử có thể được cung cấp dưới dạng dung dịch trong dung môi hữu cơ không phân cực như hexan, toluen, cloroform hoặc dưới dạng bột khô.

thông tin thêm

Mối quan tâm đặc biệt là các chấm lượng tử phát quang, trong đó sự hấp thụ của một photon làm phát sinh các cặp điện tử-lỗ trống, và sự tái kết hợp của các điện tử và lỗ trống gây ra huỳnh quang. Các chấm lượng tử như vậy có đỉnh huỳnh quang hẹp và đối xứng, vị trí của đỉnh này được xác định bởi kích thước của chúng. Do đó, tùy thuộc vào kích thước và thành phần, QDs có thể phát huỳnh quang trong vùng quang phổ UV, khả kiến hoặc IR.

Các chấm lượng tử dựa trên chalcogenides cadmium phát huỳnh quang với nhiều màu sắc khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng

Ví dụ, ZnS, CdS và ZnSe QDs phát huỳnh quang trong vùng UV, CdSe và CdTe trong vùng khả kiến, và PbS, PbSe và PbTe trong vùng IR gần (700-3000 nm). Ngoài ra, các dị cấu trúc có thể được tạo ra từ các hợp chất trên, tính chất quang học của chúng có thể khác với tính chất quang học của các hợp chất ban đầu. Phổ biến nhất là sự phát triển của vỏ của chất bán dẫn có khe hở rộng hơn trên lõi từ khe hở hẹp, ví dụ, vỏ của ZnS được phát triển trên lõi CdSe:

Mô hình cấu trúc của một chấm lượng tử bao gồm một lõi CdSe được bao phủ bởi một lớp vỏ biểu mô của ZnS (kiểu cấu trúc của sphalerit)

Cách tiếp cận này làm cho nó có thể tăng đáng kể khả năng chống lại quá trình oxy hóa của QDs, cũng như tăng năng suất lượng tử huỳnh quang lên nhiều lần do giảm số lượng khuyết tật trên bề mặt của hạt nhân. Một tính chất đặc biệt của QDs là một phổ hấp thụ liên tục (kích thích huỳnh quang) trong một dải bước sóng rộng, cũng phụ thuộc vào kích thước QD. Điều này làm cho nó có thể kích thích đồng thời các chấm lượng tử khác nhau ở cùng bước sóng. Ngoài ra, QDs có độ sáng cao hơn và khả năng quang ổn tốt hơn so với các fluorophores truyền thống.

Các đặc tính quang học độc đáo như vậy của chấm lượng tử mở ra triển vọng rộng rãi cho việc sử dụng chúng làm cảm biến quang học, điểm đánh dấu huỳnh quang, chất cảm quang trong y học, cũng như để sản xuất bộ tách sóng quang trong vùng IR, pin mặt trời hiệu suất cao, đèn LED tiểu phân, nguồn ánh sáng trắng , bóng bán dẫn đơn điện tử, và thiết bị quang học phi tuyến.

Có được các chấm lượng tử

Có hai phương pháp chính để thu được các chấm lượng tử: tổng hợp keo, được thực hiện bằng cách trộn các tiền chất “trong một bình” và epitaxy, tức là sự phát triển tinh thể có định hướng trên bề mặt chất nền.

Phương pháp đầu tiên (tổng hợp keo) được thực hiện theo nhiều phiên bản: ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ phòng, trong môi trường trơ trong môi trường dung môi hữu cơ hoặc trong dung dịch nước, có hoặc không có tiền chất cơ kim, có hoặc không có các cụm phân tử tạo điều kiện tạo mầm. Để thu được các chấm lượng tử, chúng tôi sử dụng quá trình tổng hợp hóa học ở nhiệt độ cao được thực hiện trong môi trường trơ bằng cách đun nóng các tiền chất inorganometallic hòa tan trong dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi cao. Điều này làm cho nó có thể thu được các chấm lượng tử có kích thước đồng nhất với hiệu suất lượng tử huỳnh quang cao.

Kết quả của quá trình tổng hợp keo, các tinh thể nano thu được, được bao phủ bởi một lớp các phân tử hoạt động bề mặt được hấp phụ:

Biểu diễn giản đồ của một chấm lượng tử lõi-vỏ keo với bề mặt kỵ nước. Màu cam cho thấy lõi của chất bán dẫn khe hẹp (ví dụ, CdSe), màu đỏ cho thấy vỏ của chất bán dẫn khe rộng (ví dụ, ZnS) và màu đen cho thấy vỏ hữu cơ của các phân tử hoạt động bề mặt.

Do lớp vỏ hữu cơ kỵ nước, các chấm lượng tử dạng keo có thể được hòa tan trong bất kỳ dung môi không phân cực nào, và với sự thay đổi thích hợp của nó, trong nước và rượu. Một ưu điểm khác của tổng hợp keo là khả năng thu được các chấm lượng tử với số lượng biểu đồ con.

Phương pháp thứ hai (epitaxy) - sự hình thành cấu trúc nano trên bề mặt của vật liệu khác, theo quy luật, gắn liền với việc sử dụng các thiết bị độc đáo và đắt tiền, ngoài ra, dẫn đến việc sản xuất các chấm lượng tử "gắn liền" với ma trận. . Phương pháp epitaxy rất khó mở rộng quy mô đến cấp độ công nghiệp, điều này khiến nó kém hấp dẫn hơn đối với việc sản xuất hàng loạt chấm lượng tử.

trừu tượng

WRC bao gồm:

Thuyết minh gồm 63 trang, 18 hình, 7 bảng, 53 nguồn;

Bài thuyết trình 25 slide.

PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP THỦY LỰC, QUANTUM DOTS, LEAD SULFIDE, CADMIUM SULFIDE, SOLID SOLIDMENT, PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY.

Đối tượng nghiên cứu của công trình này là các chấm lượng tử của dung dịch rắn CdS, PbS và CdS-PbS thu được bằng phương pháp kết tủa thủy hóa.

Mục đích của công việc kiểm định cuối cùng này là thu được các chấm lượng tử dạng keo CdS, PbS và trong hệ CdS-PbS bằng cách tổng hợp thủy hóa từ môi trường nước, cũng như nghiên cứu kích thước hạt của chúng và nghiên cứu sự phụ thuộc của sự phát quang vào kích thước.

Để đạt được mục tiêu này đòi hỏi phải tối ưu hóa hỗn hợp phản ứng, nghiên cứu thành phần, cấu trúc, kích thước hạt và tính chất của các dung dịch keo tổng hợp được.

Để nghiên cứu toàn diện về chấm lượng tử, phương pháp quang phổ tương quan photon đã được sử dụng. Dữ liệu thí nghiệm được xử lý bằng công nghệ máy tính và phân tích.

Tóm tắt 3

1. ĐÁNH GIÁ TÓM TẮT 7

1.1. Khái niệm "chấm lượng tử" 7

1.2 Ứng dụng của chấm lượng tử 9

1.2.1 Vật liệu cho laser 10

1.2.2. Vật liệu cho đèn LED 11

1.2.3 Vật liệu cho pin mặt trời 11

1.2.4 Vật liệu cho bóng bán dẫn hiệu ứng trường 13

1.2.5 Sử dụng làm thẻ sinh học 14

1.3. Phương pháp học chấm lượng tử 15

1.4 Tính chất của chấm lượng tử 18

1.5 Phương pháp xác định kích thước hạt 21

1.5.1 Máy quang phổ Photocor Compact 21

2. Quy trình thí nghiệm 25

2.1 Phương pháp tổng hợp thủy hóa 25

2.2 Thuốc thử hóa học 27

2.3 Xử lý các dung dịch thải 27

2.4 Kỹ thuật đo trên máy phân tích hạt Photocor Compact 28

2.4.1 Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp tán xạ ánh sáng động (quang phổ tương quan photon) 28

3. phần trải nghiệm 30

3.1 Tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên cadmium sulfide 30

3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối cadimi đến kích thước hạt của CdS 32 QDs

3.2 Tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên chì sulfua 33

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối chì đến kích thước hạt của PbS 34 QDs

3.3 Tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên dung dịch rắn CdS-PbS 35

4. An toàn tính mạng 39

4.1.Giới thiệu phần về an toàn sinh mạng 39

4.2. Các yếu tố sản xuất có hại và nguy hiểm trong phòng thí nghiệm 40

4.2.1 Các chất có hại 40

4.2.2 Các thông số vi khí hậu 42

4.2.3 Thông gió 43

4.2.5 Sự kết tụ 45

4.2.6 An toàn điện 46

4.2.7 An toàn cháy nổ 47

4.2.8 Trường hợp khẩn cấp 48

Kết luận về phần BDZ 49

5.2.4. Tính toán chi phí cho các dịch vụ của bên thứ ba 55

Kết luận chung 59

Tài liệu tham khảo 60

Giới thiệu

Chấm lượng tử là một mảnh của vật dẫn hoặc chất bán dẫn mà hạt mang điện (electron hoặc lỗ trống) bị giới hạn trong không gian theo cả ba chiều. Kích thước của một chấm lượng tử phải nhỏ đến mức các hiệu ứng lượng tử là đáng kể. Điều này đạt được nếu động năng của electron lớn hơn đáng kể so với tất cả các thang năng lượng khác: trước hết, nó lớn hơn nhiệt độ được biểu thị bằng đơn vị năng lượng.

ĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH

Khái niệm "chấm lượng tử"

Các chấm lượng tử keo là các tinh thể nano bán dẫn có kích thước trong khoảng 2-10 nanomet, bao gồm 10 nguyên tử 3 - 10 5, được tạo ra trên cơ sở vật liệu bán dẫn vô cơ, được phủ một lớp đơn lớp ổn định ("áo khoác" của các phân tử hữu cơ, Hình . 1). Các chấm lượng tử có kích thước lớn hơn các cụm phân tử truyền thống cho hóa học (~ 1 nm với hàm lượng không quá 100 nguyên tử). Các chấm lượng tử dạng keo kết hợp các đặc tính vật lý và hóa học của phân tử với các đặc tính quang điện tử của chất bán dẫn.

Hình.1.1 (a) Chấm lượng tử được bao phủ bởi một “lớp áo” của chất ổn định, (b) sự biến đổi cấu trúc dải bán dẫn với kích thước giảm dần.

Hiệu ứng kích thước lượng tử đóng một vai trò quan trọng trong các đặc tính quang điện tử của các chấm lượng tử. Phổ năng lượng của một chấm lượng tử về cơ bản khác với phổ năng lượng của một chất bán dẫn số lượng lớn. Một electron trong tinh thể nano hoạt động giống như trong một “giếng” tiềm năng ba chiều. Có một số mức năng lượng tĩnh cho một điện tử và một lỗ trống với khoảng cách đặc trưng giữa chúng, trong đó d là kích thước của tinh thể nano (chấm lượng tử) (Hình 1b). Do đó, phổ năng lượng của một chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước của nó. Tương tự như sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng trong nguyên tử, khi các hạt tải điện đi qua giữa các mức năng lượng trong một chấm lượng tử, một photon có thể được phát ra hoặc hấp thụ. Các tần số chuyển đổi, tức là bước sóng hấp thụ hoặc phát quang, có thể dễ dàng kiểm soát bằng cách thay đổi kích thước của chấm lượng tử (Hình 2). Do đó, các chấm lượng tử đôi khi được coi là "nguyên tử nhân tạo". Về mặt vật liệu bán dẫn, đây có thể gọi là khả năng kiểm soát độ rộng vùng cấm hiệu quả.

Có một tính chất cơ bản khác giúp phân biệt các chấm lượng tử dạng keo với các vật liệu bán dẫn truyền thống - khả năng tồn tại ở dạng dung dịch, hay chính xác hơn là ở dạng sols. Thuộc tính này cung cấp nhiều khả năng để thao tác các đối tượng như vậy và làm cho chúng trở nên hấp dẫn đối với công nghệ.

Sự phụ thuộc của phổ năng lượng vào kích thước cung cấp một tiềm năng rất lớn cho ứng dụng thực tế của chấm lượng tử. Các chấm lượng tử có thể tìm thấy các ứng dụng trong các hệ thống quang điện như điốt phát sáng và tấm phát sáng phẳng, laser, pin mặt trời và bộ chuyển đổi quang điện, làm chất đánh dấu sinh học, tức là bất cứ nơi nào có thể thay đổi, các đặc tính quang học có thể điều chỉnh bước sóng được yêu cầu. Trên hình. Hình 2 cho thấy một ví dụ về sự phát quang của các mẫu chấm lượng tử CdS:

Hình.1.2 Sự phát quang của các mẫu chấm lượng tử CdS có kích thước trong khoảng 2,0-5,5 nm, được chuẩn bị ở dạng sols. Bên trên - không chiếu sáng, bên dưới - chiếu sáng bằng bức xạ cực tím.

Các ứng dụng của chấm lượng tử

Các chấm lượng tử có tiềm năng lớn cho các ứng dụng thực tế. Trước hết, điều này là do khả năng kiểm soát độ rộng vùng cấm hiệu quả khi thay đổi kích thước. Trong trường hợp này, tính chất quang học của hệ sẽ thay đổi: bước sóng phát quang, vùng hấp thụ. Một tính năng thực tế quan trọng khác của chấm lượng tử là khả năng tồn tại ở dạng sols (dung dịch). Điều này giúp dễ dàng có được các lớp phủ từ màng chấm lượng tử bằng các phương pháp rẻ tiền, chẳng hạn như phủ spin hoặc áp dụng các chấm lượng tử bằng cách in phun trên bất kỳ bề mặt nào. Tất cả những công nghệ này giúp tránh được các công nghệ chân không đắt tiền truyền thống cho vi điện tử khi tạo ra các thiết bị dựa trên các chấm lượng tử. Ngoài ra, nhờ các công nghệ giải pháp, có thể đưa các chấm lượng tử vào các ma trận phù hợp và tạo ra các vật liệu composite. Một sự tương tự có thể là tình huống xảy ra với các vật liệu phát quang hữu cơ được sử dụng để tạo ra các thiết bị phát sáng, dẫn đến sự bùng nổ của công nghệ LED và sự xuất hiện của cái gọi là OLED.

Vật liệu cho laser

Khả năng thay đổi bước sóng phát quang là một lợi thế cơ bản để tạo ra phương tiện laser mới. Trong các laser hiện có, bước sóng phát quang là đặc tính cơ bản của môi trường và khả năng thay đổi nó bị hạn chế (laser có bước sóng điều chỉnh được sử dụng các đặc tính

bộ cộng hưởng và các hiệu ứng phức tạp hơn). Một ưu điểm khác của chấm lượng tử là độ phản quang cao của chúng so với thuốc nhuộm hữu cơ. Các chấm lượng tử thể hiện hành vi của các hệ thống vô cơ. Khả năng tạo ra phương tiện laser dựa trên các chấm lượng tử CdSe đã được chứng minh bởi một nhóm nghiên cứu do Viktor Klimov đứng đầu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, Mỹ. Hơn nữa, khả năng phát xạ kích thích đối với các chấm lượng tử dựa trên các vật liệu bán dẫn khác, chẳng hạn như PbSe, được chỉ ra. Khó khăn chính là thời gian tồn tại ngắn của trạng thái kích thích trong các chấm lượng tử và quá trình tái tổ hợp phụ, đòi hỏi cường độ bơm cao. Hiện tại, cả quá trình tạo ra kích thích đều đã được quan sát và một nguyên mẫu của laser màng mỏng đã được tạo ra bằng cách sử dụng chất nền có cách tử nhiễu xạ.

Hình 1.3. Sử dụng các chấm lượng tử trong laser.

Vật liệu cho đèn LED

Khả năng thay đổi bước sóng phát quang và dễ dàng tạo ra các lớp mỏng dựa trên các chấm lượng tử mang lại cơ hội tuyệt vời để tạo ra các thiết bị phát sáng với kích thích điện - điốt phát quang. Hơn nữa, việc tạo ra các tấm nền màn hình phẳng được quan tâm đặc biệt, điều này rất quan trọng đối với các thiết bị điện tử hiện đại. Việc sử dụng in phun sẽ dẫn đến một bước đột phá trong

Công nghệ OLED.

Để tạo ra một điốt phát sáng, người ta đặt một lớp chấm lượng tử đơn lớp giữa các lớp có độ dẫn điện loại p và n. Các vật liệu cao phân tử dẫn điện, được phát triển tương đối tốt trong mối liên hệ với công nghệ OLED, có thể hoạt động như vậy và có thể dễ dàng kết hợp với các chấm lượng tử. Việc phát triển công nghệ tạo ra các thiết bị phát sáng được thực hiện bởi một nhóm khoa học do M. Bulovic (MIT) đứng đầu.

Nói đến đèn LED, người ta không thể không nhắc đến đèn LED “trắng”, có thể trở thành một giải pháp thay thế cho đèn sợi đốt tiêu chuẩn. Các chấm lượng tử có thể được sử dụng để điều chỉnh ánh sáng các đèn LED bán dẫn. Các hệ thống như vậy sử dụng bơm quang học của một lớp chứa các chấm lượng tử bằng cách sử dụng đèn LED màu xanh bán dẫn. Ưu điểm của chấm lượng tử trong trường hợp này là năng suất lượng tử cao, khả năng quang ổn định cao và khả năng tạo tập hợp các chấm lượng tử đa thành phần với độ dài phát xạ khác nhau để thu được phổ bức xạ gần với "trắng" hơn.

Vật liệu cho pin mặt trời

Việc tạo ra pin năng lượng mặt trời là một trong những lĩnh vực ứng dụng đầy hứa hẹn của các chấm lượng tử dạng keo. Hiện tại, pin silicon truyền thống có tỷ lệ chuyển đổi cao nhất (lên đến 25%). Tuy nhiên, chúng khá đắt và các công nghệ hiện có không cho phép tạo ra các loại pin có diện tích lớn (hoặc loại này quá đắt để sản xuất). Năm 1992, M. Gratzel đề xuất một cách tiếp cận để tạo ra pin mặt trời dựa trên việc sử dụng 30 vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn (ví dụ, TiO2 tinh thể nano). Kích hoạt đến phạm vi nhìn thấy của quang phổ đạt được bằng cách thêm chất nhạy cảm quang (một số thuốc nhuộm hữu cơ). Các chấm lượng tử có thể hoạt động hoàn hảo như một chất cảm quang, vì chúng cho phép bạn kiểm soát vị trí của dải hấp thụ. Các ưu điểm quan trọng khác là hệ số tắt cao (khả năng hấp thụ một phần đáng kể các photon trong một lớp mỏng) và tính ổn định quang cao vốn có trong lõi vô cơ.

Hình 1.4. Việc sử dụng các chấm lượng tử trong pin mặt trời.

Một photon được hấp thụ bởi một chấm lượng tử dẫn đến sự hình thành của một điện tử và lỗ trống được kích thích bằng quang điện, có thể đi vào các lớp vận chuyển điện tử và lỗ trống, như được thể hiện trong sơ đồ trong hình. Các polyme dẫn điện của loại dẫn điện n và p có thể hoạt động như các lớp vận chuyển như vậy; trong trường hợp lớp vận chuyển điện tử, tương tự với nguyên tố Gratzel, có thể sử dụng các lớp ôxít kim loại xốp. Những loại pin năng lượng mặt trời như vậy có một lợi thế quan trọng, chẳng hạn như khả năng tạo ra các phần tử linh hoạt bằng cách áp dụng các lớp lên nền polyme, cũng như giá thành tương đối rẻ và dễ sản xuất. Các công bố về các ứng dụng khả thi của chấm lượng tử cho pin mặt trời có thể được tìm thấy trong công trình của P. Alivisatos và A. Nozic.

Tài liệu cho FETs

Việc sử dụng các mảng chấm lượng tử làm lớp dẫn điện trong vi điện tử là rất hứa hẹn, vì có thể sử dụng các công nghệ lắng đọng “giải pháp” đơn giản và rẻ tiền. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng hiện đang bị hạn chế bởi điện trở cực cao (~ 1012 Ohm * cm) của các lớp chấm lượng tử. Một trong những lý do là khoảng cách lớn (tất nhiên là theo tiêu chuẩn vi mô) giữa các chấm lượng tử riêng lẻ, mà khi sử dụng chất ổn định tiêu chuẩn như ôxit bactylphosphine hoặc axit oleic, là từ 1 đến 2 nm, quá lớn để đào hầm hiệu quả hạt mang điện. Tuy nhiên, khi các phân tử chuỗi ngắn hơn được sử dụng làm chất ổn định, có thể giảm khoảng cách giữa các hạt đến mức có thể chấp nhận được đối với việc đào hầm mang điện tích (~ 0,2 nm khi sử dụng pyridine hoặc hydrazine.

Hình 1.5. Việc sử dụng các chấm lượng tử trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường.

Năm 2005, K.Murray và D.Talapin đã báo cáo về việc tạo ra bóng bán dẫn hiệu ứng trường màng mỏng dựa trên các chấm lượng tử PbSe sử dụng các phân tử hydrazine để thụ động bề mặt. Như đã trình bày, chalcogenide chì có triển vọng tạo ra các lớp dẫn do hằng số điện môi cao và mật độ trạng thái cao trong vùng dẫn.

Sử dụng làm thẻ sinh học

Việc tạo ra các nhãn huỳnh quang dựa trên các chấm lượng tử là rất hứa hẹn. Có thể phân biệt các ưu điểm sau của chấm lượng tử so với thuốc nhuộm hữu cơ: khả năng kiểm soát bước sóng phát quang, hệ số tắt cao, khả năng hòa tan trong nhiều loại dung môi, tính ổn định của phát quang với môi trường và khả năng quang ổn định cao. Chúng ta cũng có thể lưu ý đến khả năng biến đổi hóa học (hoặc sinh học) trên bề mặt của các chấm lượng tử, giúp nó có thể liên kết có chọn lọc với các đối tượng sinh học. Hình bên phải cho thấy sự nhuộm màu của các phần tử tế bào bằng cách sử dụng các chấm lượng tử hòa tan trong nước phát quang trong phạm vi nhìn thấy được. Hình 1.6 cho thấy một ví dụ về việc sử dụng phương pháp chụp cắt lớp quang học không phá hủy. Ảnh được chụp trong phạm vi hồng ngoại gần bằng cách sử dụng các chấm lượng tử có khả năng phát quang trong phạm vi 800–900 nm (cửa sổ trong suốt của máu máu nóng) được đưa vào chuột.

Hình 6.1 Việc sử dụng các chấm lượng tử làm thẻ sinh học.

Phương pháp học chấm lượng tử

Hiện nay, các phương pháp đã được phát triển để thu được vật liệu nano cả ở dạng bột nano và ở dạng thể vùi trong ma trận xốp hoặc nguyên khối. Trong trường hợp này, sắt và sắt từ, kim loại, chất bán dẫn, chất điện môi, v.v. có thể hoạt động như một pha nano. Tất cả các phương pháp thu được vật liệu nano có thể được chia thành hai nhóm lớn theo kiểu hình thành cấu trúc nano: Phương pháp “từ dưới lên” được đặc trưng bởi sự phát triển của các hạt nano hoặc sự lắp ráp của các hạt nano từ các nguyên tử riêng lẻ; và phương pháp “Từ trên xuống” dựa trên việc “nghiền” các hạt đến kích thước nano (Hình 1.7).

Hình 1.7. Các phương pháp thu nhận vật liệu nano.

Một cách phân loại khác liên quan đến việc phân chia các phương pháp tổng hợp theo phương pháp thu nhận và ổn định hạt nano. Nhóm đầu tiên bao gồm cái gọi là.

phương pháp năng lượng cao dựa trên sự ngưng tụ nhanh chóng của hơi trong

các điều kiện ngăn cản sự kết tụ và phát triển của các hạt được hình thành. Chủ yếu

Sự khác biệt giữa các phương pháp của nhóm này là ở cách làm bay hơi và ổn định các hạt nano. Quá trình bay hơi có thể được thực hiện bằng cách kích thích plasma (thùng plasma), sử dụng bức xạ laser (cắt đốt bằng laser), trong

hồ quang vôn (hồ quang cacbon) hoặc tác động nhiệt. Quá trình ngưng tụ được thực hiện với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt, chất hấp phụ trên bề mặt hạt sẽ làm chậm sự phát triển (bẫy hơi), hoặc trên chất nền lạnh, khi sự phát triển

các hạt bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán. Trong một số trường hợp, sự ngưng tụ

được thực hiện với sự có mặt của thành phần trơ, giúp có thể thu được các vật liệu nanocompozit với các cấu trúc vi mô khác nhau theo cách có mục tiêu. Nếu

các thành phần không hòa tan lẫn nhau, kích thước hạt của vật liệu tổng hợp tạo thành có thể thay đổi bằng cách xử lý nhiệt.

Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp cơ khí hóa (phay bi), giúp có được hệ thống nano bằng cách nghiền các thành phần không hòa tan lẫn nhau trong các nhà máy hành tinh hoặc bằng cách phân hủy các dung dịch rắn với

sự hình thành các pha mới dưới tác dụng của ứng suất cơ học. Nhóm phương pháp thứ ba dựa trên việc sử dụng các hệ thống hạn chế về mặt không gian - phản ứng nano (micelle, giọt, màng, v.v.). Các phương pháp này bao gồm tổng hợp trong các mixen ngược, màng Langmuir-Blodgett, các lớp hấp phụ hoặc các lò phản ứng nano pha rắn. Rõ ràng, kích thước của các hạt được hình thành trong trường hợp này không thể vượt quá

kích thước của lò phản ứng nano tương ứng, và do đó các phương pháp này có thể thu được các hệ thống đơn phân tán. Ngoài ra, việc sử dụng

máy phản ứng nano dạng keo giúp có thể thu được các hạt nano có nhiều hình dạng và dị hướng (kể cả những hạt nhỏ), cũng như các hạt có lớp phủ.

Phương pháp này được sử dụng để thu được hầu hết các loại cấu trúc nano, từ kim loại một thành phần đến oxit nhiều thành phần. Điều này cũng bao gồm các phương pháp dựa trên sự hình thành các hạt siêu vi khuẩn và hạt keo trong dung dịch trong quá trình trùng ngưng với sự có mặt của các chất hoạt động bề mặt ngăn chặn sự kết tụ. Điều quan trọng là phương pháp cụ thể này, dựa trên sự bổ sung của cấu trúc đã hình thành với khuôn mẫu ban đầu, được sử dụng bởi động vật hoang dã để sinh sản và hoạt động của các hệ thống sống (ví dụ, tổng hợp protein, sao chép DNA, RNA, v.v.) nhóm bao gồm các phương pháp hóa học để thu được các cấu trúc có độ xốp và phân tán mịn cao (kim loại Rieke, Niken Raney), dựa trên việc loại bỏ một trong các thành phần của hệ thống vi đồng nhất do phản ứng hóa học hoặc sự hòa tan anốt. Các phương pháp này cũng bao gồm phương pháp truyền thống để thu được nanocompozit bằng cách dập tắt chất nền thủy tinh hoặc muối bằng một chất hòa tan, dẫn đến giải phóng các hạt nano của chất này trong chất nền (phương pháp kết tinh thủy tinh). Trong trường hợp này, việc đưa thành phần hoạt động vào chất nền có thể được thực hiện theo hai cách: bằng cách thêm nó vào chất nóng chảy, tiếp theo là làm nguội và bằng cách đưa trực tiếp vào nền rắn bằng cách sử dụng phương pháp cấy ion.

Tính chất của chấm lượng tử

Các đặc tính quang học độc đáo của chấm lượng tử (QDs) khiến chúng trở thành vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt, những phát triển đang được tiến hành về việc sử dụng QDs trong điốt phát quang, màn hình, la-de và pin mặt trời. Ngoài ra, chúng có thể được liên hợp với các phân tử sinh học thông qua liên kết cộng hóa trị giữa các nhóm phối tử bao phủ QDs và các nhóm chức năng của các phân tử sinh học. Do đó, chúng được sử dụng làm nhãn huỳnh quang trong nhiều ứng dụng xét nghiệm sinh học, từ xét nghiệm miễn dịch đến hình ảnh mô và theo dõi thuốc trong cơ thể. Việc sử dụng QDs trong phân tích sinh học hiện là một trong những lĩnh vực ứng dụng đầy hứa hẹn của các tinh thể nano phát quang. Các đặc điểm độc đáo của QDs, chẳng hạn như sự phụ thuộc của màu sắc phát xạ vào kích thước, khả năng quang ổn định cao và phổ hấp thụ rộng, làm cho chúng trở thành các fluorophores lý tưởng để phát hiện siêu nhạy, đa màu sắc của các đối tượng sinh học và chẩn đoán y tế yêu cầu đăng ký một số thông số đồng thời.

Bán dẫn QDs là các tinh thể nano có kích thước theo cả ba hướng đều nhỏ hơn bán kính kích thích Bohr đối với một vật liệu nhất định. Trong các vật thể như vậy, hiệu ứng kích thước được quan sát thấy: đặc tính quang học, cụ thể là độ rộng vùng cấm (và theo đó là bước sóng phát xạ) và hệ số tắt, phụ thuộc vào kích thước của các hạt nano và hình dạng của chúng. Do giới hạn không gian đáng kể như vậy , QDs có các đặc điểm quang học và hóa học độc đáo:

Tính ổn định quang cao, giúp nhân công suất của bức xạ kích thích và quan sát hoạt động của nhãn huỳnh quang trong thời gian thực trong thời gian dài.

Phổ hấp thụ rộng - do đó các QD có đường kính khác nhau có thể bị kích thích đồng thời bởi nguồn sáng có bước sóng 400 nm (hoặc khác), trong khi bước sóng phát xạ của các mẫu này thay đổi trong khoảng 490 - 590 nm (màu huỳnh quang từ xanh lam đến đỏ cam).

Đối xứng và hẹp (chiều rộng pic ở một nửa cực đại không vượt quá 30 nm) pic huỳnh quang QD đơn giản hóa quá trình thu được các nhãn nhiều màu.

Độ sáng của QDs cao đến mức chúng có thể được phát hiện như những vật thể đơn lẻ bằng kính hiển vi huỳnh quang.

Để sử dụng QDs trong phân tích sinh học, chúng phải tuân theo các yêu cầu liên quan đến khả năng hòa tan trong nước và tính tương thích sinh học (vì lõi vô cơ không hòa tan trong nước), cũng như sự phân bố kích thước hạt rõ ràng và độ ổn định lưu trữ. Để truyền các đặc tính hòa tan trong nước cho QDs, có một số cách tiếp cận để tổng hợp: hoặc QDs được tổng hợp trực tiếp trong pha nước; hoặc QDs thu được trong dung môi hữu cơ sau đó được chuyển sang dung dịch nước bằng cách biến đổi lớp phối tử bao phủ QDs.

Tổng hợp trong dung dịch nước có thể thu được QDs ưa nước; tuy nhiên, về một số đặc điểm, chẳng hạn như hiệu suất lượng tử huỳnh quang, phân bố kích thước hạt và độ ổn định theo thời gian, chúng kém hơn đáng kể so với QD bán dẫn thu được trong pha hữu cơ. Do đó, để sử dụng làm nhãn sinh học, QDs thường được tổng hợp ở nhiệt độ cao trong dung môi hữu cơ theo phương pháp được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1993 bởi nhóm khoa học của Murray và cộng sự. Nguyên tắc chính của quá trình tổng hợp là tiêm các dung dịch của tiền chất kim loại Cd và chalcogen Se vào một dung môi phối trí được đun nóng đến nhiệt độ cao. Với sự gia tăng thời gian của quá trình, phổ hấp thụ dịch chuyển sang vùng bước sóng dài, điều này cho thấy sự phát triển của tinh thể CdSe.

Các hạt nhân CdSe có độ sáng huỳnh quang thấp - theo quy luật, năng suất lượng tử (QE) của chúng không vượt quá 5%. Để tăng CV và khả năng quang ổn định, lõi CdSe huỳnh quang được phủ một lớp bán dẫn có khe hở rộng hơn có cấu trúc và thành phần tương tự, lớp này sẽ thụ động bề mặt của lõi, do đó làm tăng đáng kể CV huỳnh quang. Một cấu trúc tinh thể tương tự của vỏ và lõi là điều kiện cần thiết, nếu không sẽ không có sự phát triển đồng đều, và sự khác biệt về cấu trúc có thể dẫn đến các khuyết tật ở ranh giới pha. Để phủ lên lõi cadmium selenua, người ta sử dụng các chất bán dẫn có khe hở rộng hơn như kẽm sulfua, cadimi sulfua và kẽm selen. Tuy nhiên, kẽm sulfua, theo quy luật, chỉ phát triển trên các hạt nhân cadimi selenua nhỏ (tại 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 .

Có hai cách tiếp cận chính để chuyển QDs kỵ nước thành dung dịch nước: phương pháp thay thế phối tử và phủ bằng các phân tử amphiphilic. Ngoài ra, lớp phủ của QDs với một lớp vỏ oxit silic thường được phân biệt thành một loại riêng biệt.

Phương pháp định cỡ hạt

Các tính chất trên của chấm lượng tử dạng keo được biểu hiện khi có hiệu ứng kích thước, do đó, cần phải đo kích thước hạt.

Trong WRC này, các phép đo được thực hiện trên một thiết bị Photocor Compact được lắp đặt tại Khoa Hóa lý và Hóa keo của Đại học Liên bang Ural, cũng như trên thiết bị Zetasizer Nano Z tại Viện Hóa học Trạng thái rắn, Chi nhánh Ural của Viện Hàn lâm Khoa học Nga.

Máy quang phổPhotocor Compact

Cách bố trí của máy quang phổ phòng thí nghiệm Photocor Compact được thể hiện trong Hình 1.8:

Hình 1.8. Sơ đồ của máy quang phổ kế nhỏ gọn Photocor.

Thiết bị này sử dụng một laser điốt ổn định nhiệt có bước sóng λ = 653,6 nm. Chùm tia laze đi qua thấu kính hội tụ L1, có tiêu cự 90 mm, được thu thập trên mẫu đang nghiên cứu, nơi nó bị phân tán bởi các dao động cực nhỏ của các hạt nano. Tia sáng tán xạ đo được ở góc vuông, đi qua màng chắn d = 0,7 mm, được thấu kính L2 hội tụ trên khẩu thứ hai 100 μm, sau đó bị gương mờ chia đôi và rơi vào hai PMT. Để duy trì tính nhất quán của bộ sưu tập, lỗ kim phía trước PMT phải có kích thước theo thứ tự của vùng Fresnel đầu tiên. Ở kích thước nhỏ hơn, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu giảm; khi kích thước tăng lên, tính liên kết giảm và biên độ của hàm tương quan giảm. Máy quang phổ kế nhỏ gọn sử dụng hai PMT, chức năng tương quan chéo của các tín hiệu của chúng được đo, điều này cho phép bạn loại bỏ nhiễu PMT, vì chúng không tương quan và chức năng tương quan chéo của tín hiệu từ các PMT sẽ tương đương với tương quan chức năng của ánh sáng tán xạ. Bộ tương quan đa kênh (288 kênh) được sử dụng, các tín hiệu từ đó được máy tính đọc. Nó điều khiển thiết bị, quá trình đo và xử lý kết quả đo.

Các dung dịch thu được được đo trên một máy quang phổ tương quan. Sử dụng Phần mềm Photocor, bạn có thể theo dõi tiến trình của các phép đo và kiểm soát bộ tương quan. Trong quá trình đo, phép chia thành các phần của tổng thời gian đo được sử dụng, các hàm tương quan kết quả và cường độ tán xạ được phân tích, và nếu cường độ trung bình trong một khoảng thời gian nào đó lớn hơn các khoảng thời gian khác, thì các phép đo cho khoảng thời gian này sẽ bị bỏ qua, phần còn lại được tính trung bình. Điều này làm cho nó có thể loại bỏ các biến dạng của hàm tương quan bởi các hạt bụi hiếm (kích thước vài micromet).

Hình 1.9 mô tả phần mềm của quang phổ kế tương quan Phần mềm Photocor:

Hình.1.9 Phần mềm quang phổ kế tương quan phần mềm Photocor.

Đồ thị 1,2,4 - các hàm tương quan được đo trên thang logarit: 1 - kf, được đo tại một thời điểm nhất định, 2 - các hàm được đo, 4 - hàm tương quan tổng được hiển thị; 3 đồ thị - nhiệt độ mẫu; Đồ thị 5 - cường độ tán xạ.

Chương trình cho phép bạn thay đổi cường độ laser, nhiệt độ (3), thời gian của một lần đo và số lần đo. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào tập hợp các thông số này, trong số những thứ khác.

Hàm tương quan tích lũy được xử lý bởi chương trình DynaLS, phần mềm của nó được hiển thị trong Hình 1.10:

Cơm. 1.10. Phần mềm xử lý chức năng tương quan, DynaLC.

1 - hàm tương quan đo được, xấp xỉ bởi hàm tương quan; 2 - sự khác biệt giữa hàm mũ lý thuyết và hàm mũ đo được; 3 - phân bố kích thước kết quả, được tìm thấy bằng cách xấp xỉ hàm lý thuyết với hàm thực nghiệm; 4 - bảng kết quả. Trong bảng: cột đầu tiên là số nghiệm tìm được; thứ hai là “khu vực” của các giải pháp này; thứ ba là giá trị trung bình; thứ tư là giá trị lớn nhất; cái sau là sự phân tán của giải pháp (lỗi). Một tiêu chí cũng được đưa ra cho thấy đường cong lý thuyết trùng khớp với đường thực nghiệm như thế nào.

Kỹ thuật thực nghiệm

Phương pháp tổng hợp thủy hóa

Kết tủa hóa học từ các dung dịch nước có tính hấp dẫn đặc biệt và có triển vọng rộng, về mặt kết quả cuối cùng. Phương pháp lắng đọng thủy hóa được phân biệt bởi năng suất và tính kinh tế cao, thiết kế công nghệ đơn giản, khả năng lắng đọng các hạt trên bề mặt có hình dạng phức tạp và bản chất khác nhau, cũng như pha tạp lớp với các ion hoặc phân tử hữu cơ không cho phép ở nhiệt độ cao gia nhiệt, và khả năng tổng hợp "hóa chất mềm". Phương pháp thứ hai cho phép chúng tôi coi phương pháp này là phương pháp có triển vọng nhất để thu được các hợp chất chalcogenides kim loại có cấu trúc phức tạp có tính bền trong tự nhiên. Tổng hợp thủy hóa là một phương pháp đầy hứa hẹn để chế tạo các chấm lượng tử sunfua kim loại, có khả năng cung cấp nhiều đặc tính khác nhau của chúng. Quá trình tổng hợp được thực hiện trong bể phản ứng có chứa một muối kim loại, một chất kiềm, một chất tạo chalcogenizer và một chất tạo phức.

Ngoài các thuốc thử chính tạo thành pha rắn, các phối tử được đưa vào dung dịch có khả năng liên kết các ion kim loại thành phức chất bền. Môi trường kiềm là cần thiết để phân hủy chalcogenizer. Vai trò của các chất tạo phức trong tổng hợp thủy hóa là rất quan trọng, vì sự ra đời của nó làm giảm đáng kể nồng độ của các ion kim loại tự do trong dung dịch và do đó, làm chậm quá trình tổng hợp, ngăn cản sự kết tủa nhanh chóng của pha rắn, đảm bảo sự hình thành và phát triển của các chấm lượng tử. Độ bền của sự hình thành các ion kim loại phức tạp, cũng như bản chất hóa lý của phối tử, có ảnh hưởng quyết định đến quá trình tổng hợp thủy hóa.

KOH, NaOH, NH được dùng làm kiềm 4 OH hoặc etylenglycol. Các loại chalcogenizers khác nhau cũng có ảnh hưởng nhất định đến sự kết tủa thủy hóa và sự hiện diện của các sản phẩm phụ tổng hợp. Tùy thuộc vào loại chalcogenizer, quá trình tổng hợp dựa trên hai phản ứng hóa học:

(2.1)

, (2.2)

Đâu là ion kim loại phức tạp.

Tiêu chí để hình thành pha chalcogenide kim loại không hòa tan là siêu bão hòa, được định nghĩa là tỷ lệ giữa tích số ion của các ion tạo thành chấm lượng tử với tích số hòa tan của pha rắn. Ở giai đoạn đầu của quá trình, sự hình thành hạt nhân trong dung dịch và kích thước hạt tăng lên khá nhanh, điều này liên quan đến nồng độ cao của các ion trong hỗn hợp phản ứng. Khi dung dịch trở nên cạn kiệt các ion này, tốc độ hình thành chất rắn giảm cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng trong hệ.

Quy trình rút nước thuốc thử để chuẩn bị dung dịch làm việc được cố định nghiêm ngặt. Sự cần thiết của điều này là do quá trình kết tủa của chalcogenides là không đồng nhất, và tốc độ của nó phụ thuộc vào các điều kiện ban đầu để hình thành pha mới.

Dung dịch làm việc được chuẩn bị bằng cách trộn các thể tích đã tính toán của nguyên liệu ban đầu. Tổng hợp các chấm lượng tử được thực hiện trong một bình phản ứng thủy tinh có thể tích 50 ml. Đầu tiên, khối lượng muối cadimi tính toán được đưa vào lò phản ứng, sau đó natri xitrat được đưa vào và thêm nước cất. Sau khi dung dịch được kiềm hóa, và thiourea được thêm vào nó. Để ổn định quá trình tổng hợp, thể tích Trilon B đã tính toán được đưa vào hỗn hợp phản ứng, các chấm lượng tử thu được được kích hoạt trong ánh sáng tử ngoại.

Phương pháp này được phát triển tại Khoa Hóa lý và Hóa keo của Đại học Liên bang Ural và chủ yếu được sử dụng để thu được các màng mỏng của chalcogenides kim loại và các dung dịch rắn dựa trên chúng. Tuy nhiên, các nghiên cứu được thực hiện trong công trình này đã cho thấy khả năng ứng dụng của nó trong việc tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên các sulfua kim loại và các dung dịch rắn dựa trên chúng.

Thuốc thử hóa học

Để tổng hợp thủy hóa các chấm lượng tử CdS, PbS, Cd x Pb 1- x S,

Các hóa chất sau đã được sử dụng:

cadimi clorua CdCl 2, h, 1 M;

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

thiourea (NH 2) 2 CS, h, 1,5 M;

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

natri hydroxit NaOH, loại phân tích, 5 M;

Chất hoạt động bề mặt Praestol 655 trước Công nguyên;

Chất hoạt động bề mặt ATM 10-16 (Alkyl C10-16 trimethylammonium chloride Cl, R = C 10 -C 16);

Muối dinatri axit etylendiamintetraaxetic

C 10 H 14 O 8 N 2 Na 2 2H 2 0,1 M.

Việc xác định CMC của chất ổn định được thực hiện bằng máy đo độ dẫn ANION.

Xử lý các dung dịch thải

Đun nóng dung dịch sau lọc sau khi tạo kết tủa thủy phân, chứa các muối hòa tan của cadimi, chì, chất tạo phức và thiourea, được đun nóng đến 353 K, người ta thêm đồng sunfat vào (105 g trên 1 lít hỗn hợp phản ứng, thêm 1 g cho đến khi có màu tím màu sắc xuất hiện), đun nóng đến sôi và chịu đựng trong trong vòng 10 phút. Sau đó, hỗn hợp được để ở nhiệt độ phòng trong 30 - 40 phút và kết tủa tạo thành được lọc bỏ, sau đó được kết hợp với kết tủa đã lọc ở giai đoạn trước. Phần dịch lọc chứa các hợp chất phức tạp có nồng độ dưới nồng độ tối đa cho phép được pha loãng với nước máy và đổ vào hệ thống cống rãnh của thành phố.

Quy trình đo lường máy phân tích hạtBộ quang điệngọn nhẹ

Máy phân tích kích thước hạt Photocor Compact được thiết kế để đo kích thước hạt, hệ số khuếch tán và trọng lượng phân tử của polyme. Thiết bị này được thiết kế cho nghiên cứu vật lý và hóa học truyền thống, cũng như các ứng dụng mới trong công nghệ nano, hóa sinh và lý sinh.

Nguyên lý hoạt động của máy phân tích kích thước hạt dựa trên hiện tượng tán xạ ánh sáng động (phương pháp quang phổ tương quan photon). Đo hàm tương quan của dao động cường độ ánh sáng tán xạ và cường độ tán xạ tích hợp giúp tìm ra kích thước của các hạt phân tán trong chất lỏng và trọng lượng phân tử của các phân tử polyme. Phạm vi kích thước đo được nằm trong khoảng từ các phần nhỏ của nm đến 6 µm.

Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp tán xạ ánh sáng động (quang phổ tương quan photon)

Correlator Photocor-FC là một công cụ đa năng để đo các hàm tương quan thời gian. Hàm tương quan chéo G 12 của hai tín hiệu l 1 (t) và l 2 (t) (ví dụ, cường độ tán xạ ánh sáng) mô tả mối quan hệ (độ giống nhau) của hai tín hiệu trong miền thời gian và được xác định như sau:

thời gian trễ là đâu. Dấu ngoặc nhọn biểu thị thời gian lấy trung bình t. Hàm tự tương quan mô tả mối tương quan giữa tín hiệu I 1 (t) và phiên bản trễ của cùng một tín hiệu 1 2 (t +):

Phù hợp với định nghĩa của hàm tương quan, thuật toán hoạt động tương quan bao gồm các hoạt động sau:

Bộ tương quan Photocor-FC được thiết kế đặc biệt để phân tích tín hiệu quang phổ tương quan photon (PCS). Bản chất của phương pháp PCS như sau: khi một chùm tia laze đi qua chất lỏng thử nghiệm có chứa các hạt phân tán lơ lửng, một phần ánh sáng bị tán xạ bởi sự biến động nồng độ của số lượng hạt. Các hạt này thực hiện chuyển động Brown, có thể được mô tả bằng phương trình khuếch tán. Từ nghiệm của phương trình này, một biểu thức thu được liên hệ giữa nửa chiều rộng của quang phổ ánh sáng tán xạ Г (hoặc thời gian giãn đặc trưng của dao động Тс) với hệ số khuếch tán D:

Trong đó q là môđun của vectơ sóng của các dao động mà ánh sáng bị tán xạ. Hệ số khuếch tán D liên quan đến bán kính hạt thủy động R theo phương trình Einstein-Stokes:

trong đó k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, - độ nhớt cắt của dung môi.

Phần thử nghiệm

Tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên cadmium sulfide

Việc nghiên cứu các chấm lượng tử CdS, cùng với PbS QDs, là hướng chính của WRC này. Điều này chủ yếu là do các tính chất của vật liệu này trong tổng hợp thủy hóa đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, đồng thời, nó ít được sử dụng cho quá trình tổng hợp QDs. Người ta tiến hành hàng loạt thí nghiệm để thu được các chấm lượng tử trong hỗn hợp phản ứng có thành phần như sau, mol / l: = 0,01; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Trong trường hợp này, trình tự rót thuốc thử được xác định nghiêm ngặt: dung dịch natri xitrat được thêm vào dung dịch cadimi clorua, hỗn hợp được trộn kỹ cho đến khi kết tủa tạo thành hòa tan và pha loãng bằng nước cất. Tiếp theo, dung dịch được kiềm hóa bằng natri hydroxit và thêm thiourea vào đó, từ lúc này thời gian phản ứng bắt đầu. Cuối cùng, như một chất phụ gia ổn định, chất ổn định phù hợp nhất được thêm vào, trong trường hợp này là Trilon B (0,1 M). Khối lượng yêu cầu đã được xác định bằng thực nghiệm. Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 298 K, quá trình hoạt hóa được thực hiện dưới ánh sáng UV.

Thể tích của các thuốc thử thêm vào được tính theo quy luật tương đương bằng cách sử dụng các giá trị của nồng độ ban đầu của các chất ban đầu. Bình phản ứng được chọn có thể tích 50 ml.

Cơ chế phản ứng tương tự như cơ chế hình thành màng mỏng, nhưng ngược lại, môi trường kiềm hơn (pH = 13,0) và chất ổn định Trilon B được sử dụng để tổng hợp QDs, làm chậm phản ứng do bao bọc các hạt CdS và có thể thu được các hạt có kích thước nhỏ (từ 3 nm).

Tại thời điểm ban đầu, dung dịch trong suốt, sau một phút bắt đầu chuyển sang màu vàng. Khi được kích hoạt dưới ánh sáng cực tím, dung dịch có màu xanh lục sáng. Khi chọn nồng độ tối ưu, cũng như chất ổn định (trong trường hợp này là Trilon B), dung dịch giữ được kích thước của nó trong tối đa 1 giờ, sau đó các kết tụ được hình thành và bắt đầu kết tủa.

Các phép đo được thực hiện trên máy phân tích kích thước hạt Photocor Compact; kết quả được xử lý bằng chương trình DynaLS, chương trình này phân tích hàm tương quan và tính toán lại bán kính hạt trung bình trong dung dịch. Trên hình. Hình 3.1 và 3.2 cho thấy giao diện của chương trình DynaLS, cũng như kết quả xử lý hàm tương quan để đo kích thước hạt của CdS QDs:

Hình.3.1. Giao diện của chương trình DynaLS khi loại bỏ hàm tương quan của giải pháp CdS QD.

Hình.3.2. Kết quả xử lý hàm tương quan của giải pháp CdS QD.

Theo hình. 3.2 cho thấy dung dịch chứa các hạt có bán kính 2 nm (đỉnh số 2), cũng như các chất kết tụ lớn. Các đỉnh từ 4 đến 6 được hiển thị với một lỗi, vì không chỉ có chuyển động Brown của các hạt trong dung dịch.

Ảnh hưởng của nồng độ muối cadimi đến kích thước của hạt QDBĂNG ĐĨA

Để đạt được hiệu quả về kích thước của các chấm lượng tử, cần phải chọn nồng độ tối ưu của các thuốc thử ban đầu. Trong trường hợp này, nồng độ của muối cadimi đóng một vai trò quan trọng, do đó, cần phải xem xét sự thay đổi kích thước của các hạt CdS khi nồng độ CdCl 2 thay đổi.

Kết quả của việc thay đổi nồng độ của muối cadimi, các giá trị phụ thuộc sau thu được:

Hình.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ muối cadimi đến kích thước hạt của CdS QDs = 0,005M (1), = 0,01M (2), = 0,02M.

Hình 11 cho thấy với sự thay đổi nồng độ của CdCl 2, có sự thay đổi không đáng kể về kích thước của các hạt CdS. Nhưng kết quả của thí nghiệm, nó đã được chứng minh rằng cần phải ở trong phạm vi nồng độ tối ưu, nơi các hạt được hình thành có thể tạo ra hiệu ứng kích thước.

Tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên sunfua chì

Một hướng thú vị khác của WRC này là nghiên cứu các chấm lượng tử dựa trên sulfua chì. Các tính chất của vật liệu này trong tổng hợp thủy hóa, cũng như CdS, đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, ngoài ra, chì sunfua ít độc hơn nên mở rộng phạm vi của nó trong y học. Để tổng hợp PbS QDs, các thuốc thử sau đây đã được sử dụng, mol / L: [PbAc 2] = 0,05; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Trình tự rót tương tự như đối với công thức CdS: dung dịch natri xitrat được thêm vào dung dịch axetat, hỗn hợp được trộn kỹ cho đến khi kết tủa tạo thành được hòa tan và pha loãng bằng nước cất. Tiếp theo, dung dịch được kiềm hóa bằng natri hydroxit và thêm thiourea vào, từ lúc này thời gian phản ứng bắt đầu. Cuối cùng, như một chất phụ gia ổn định, là praestol chất hoạt động bề mặt. Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 298 K, quá trình hoạt hóa được thực hiện dưới ánh sáng UV.

Tại thời điểm ban đầu, hỗn hợp phản ứng trong suốt, nhưng sau 30 phút bắt đầu đục từ từ, dung dịch chuyển sang màu be nhạt. Sau khi thêm praestol và khuấy, dung dịch không đổi màu. Ở 3 phút, dung dịch thu được ánh sáng màu vàng lục phát sáng trong ánh sáng UV, đi qua, như trong trường hợp CdS, phần màu xanh lục của quang phổ.

Các phép đo được thực hiện trên máy phân tích kích thước nhỏ gọn Photocor. Hàm tương quan và kết quả đo được thể hiện trong Hình. 3,4 và 3,5 tương ứng:

Hình.3.4. Giao diện của chương trình DynaLS khi loại bỏ hàm tương quan của giải pháp PbS QD.

Cơm. 3.5.Kết quả xử lý hàm tương quan của giải pháp PbS QD.

Theo hình. 13 cho thấy rằng dung dịch chứa các hạt có bán kính 7,5 nm, cũng như các chất kết tụ có bán kính 133,2 nm. Các đỉnh được đánh số 2 và 3 được hiển thị với một lỗi, do sự hiện diện không chỉ của chuyển động Brown trong dung dịch mà còn cả quá trình của phản ứng.

Ảnh hưởng của nồng độ muối chì đến kích thước của hạt QDPbS

Như trong trường hợp tổng hợp các dung dịch keo CdS, vì vậy trong quá trình tổng hợp các dung dịch PbS, nồng độ của các thuốc thử ban đầu nên được lựa chọn để đạt được hiệu ứng kích thước. Chúng ta hãy xem xét ảnh hưởng của nồng độ muối chì đến kích thước của PbS QDs.

Kết quả của việc thay đổi nồng độ của muối chì, thu được các giá trị phụ thuộc sau:

Cơm. 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ muối chì đến kích thước hạt của PbS QDs tại [PbAc 2] = 0,05M (1), [PbAc 2] = 0,01M (2), [PbAc 2] = 0,02M.

Theo hình. Có thể thấy từ Hình 14 rằng, ở nồng độ muối chì tối ưu (0,05 M), các kích thước hạt không có xu hướng phát triển ổn định, trong khi ở nồng độ muối chì 0,01 và 0,02 M, các hạt phát triển gần như tuyến tính. Do đó, sự thay đổi nồng độ muối chì ban đầu ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng kích thước của dung dịch PbS QD.

Tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên dung dịch rắnBĂNG ĐĨA- PbS

Việc tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên các dung dịch rắn thay thế là cực kỳ hứa hẹn, vì nó cho phép người ta thay đổi thành phần và tính chất chức năng của chúng trong một phạm vi rộng. Các chấm lượng tử dựa trên các dung dịch rắn thay thế của chalcogenide kim loại có thể mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của chúng. Điều này đặc biệt đúng đối với các dung dịch rắn siêu bão hòa tương đối ổn định do cản trở động học. Chúng tôi chưa tìm thấy mô tả về các thí nghiệm tổng hợp các chấm lượng tử dựa trên các dung dịch rắn của chalcogenides kim loại trong tài liệu.

Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên người ta đã cố gắng tổng hợp và nghiên cứu các chấm lượng tử dựa trên các dung dịch rắn siêu bão hòa của sự thay thế CdS-PbS bằng chì sulfua. Để xác định tính chất của vật liệu, người ta tiến hành hàng loạt thí nghiệm để thu được các chấm lượng tử trong hỗn hợp phản ứng có thành phần như sau, mol / l: = 0,01; [PbAc 2] = 0,05; = 0,2; = 4; [TM] = 0,3. Công thức này có thể tạo ra các dung dịch rắn thay thế siêu bão hòa với hàm lượng cadimi sulfua trong thành phần của chúng từ 6 đến 8% mol.

Trong trường hợp này, trình tự đổ thuốc thử được xác định nghiêm ngặt: natri xitrat được thêm vào dung dịch chì axetat trong bình thứ nhất, kết tủa trắng được tạo thành, dễ tan, hỗn hợp được trộn kỹ và pha loãng bằng nước cất. Trong bình thứ hai, một dung dịch amoniac trong nước được thêm vào dung dịch cadimi clorua. Tiếp theo, các dung dịch được trộn đều và thêm thiourea vào chúng, từ lúc này thời gian phản ứng bắt đầu. Cuối cùng, như một chất phụ gia ổn định, là praestol chất hoạt động bề mặt. Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 298 K, quá trình hoạt hóa được thực hiện dưới ánh sáng UV.

Sau khi thêm Praestol, dung dịch không còn thay đổi màu sắc, ở vùng có thể nhìn thấy ánh sáng màu nâu. Trong trường hợp này, dung dịch vẫn trong suốt. Khi được kích hoạt bằng đèn UV, dung dịch bắt đầu phát quang màu vàng sáng, và sau 5 phút - màu xanh lục sáng.

Sau một vài giờ, kết tủa bắt đầu hình thành và một lớp màng màu xám hình thành trên thành của lò phản ứng.

Các nghiên cứu về kích thước hạt được thực hiện trên thiết bị Photocor Compact. Giao diện của chương trình DynaLS với chức năng tương quan và kết quả xử lý của nó được thể hiện trong hình. 3,7 và 3,8 tương ứng:

Hình.3.7. Giao diện của chương trình DynaLS khi loại bỏ hàm tương quan của một giải pháp QĐ dựa trên CdS-PbS HRT.

Cơm. 3.8. Cơm. 3.5 Kết quả xử lý hàm tương quan của giải pháp QD dựa trên CdS-PbS TRZ.

Theo hình. 3.8. Có thể thấy rằng dung dịch chứa các hạt có bán kính 1,8 nm (đỉnh số 2), cũng như các chất kết tụ có bán kính 21,18 nm. Đỉnh số 1 tương ứng với sự tạo mầm của pha mới trong dung dịch. Điều này có nghĩa là phản ứng tiếp tục diễn ra. Do đó, các đỉnh số 4 và 5 được hiển thị với lỗi, vì còn có các dạng chuyển động của hạt khác ngoài Brown.

Phân tích dữ liệu thu được, có thể nói một cách tự tin rằng phương pháp thủy hóa để tổng hợp các chấm lượng tử có triển vọng cho việc sản xuất của họ. Khó khăn chính nằm ở việc lựa chọn chất ổn định cho các thuốc thử ban đầu khác nhau. Trong trường hợp này, chất hoạt động bề mặt Praestol thích hợp nhất cho dung dịch keo TRZ dựa trên CdS-PbS và CT dựa trên sulfua chì, trong khi Trilon B thích hợp nhất cho CT dựa trên cadmium sulfua.

An toàn cuộc sống

Giới thiệu về An toàn Cuộc sống

An toàn tính mạng (BZD) là một lĩnh vực kiến thức khoa học và kỹ thuật nghiên cứu sự nguy hiểm và hậu quả không mong muốn do tác động của chúng đối với con người và các đối tượng của môi trường, các dạng biểu hiện của chúng và cách bảo vệ chống lại chúng.

Mục đích của BZD là giảm thiểu rủi ro xảy ra, cũng như bảo vệ khỏi bất kỳ loại nguy cơ nào (tự nhiên, nhân tạo, môi trường, con người) đe dọa mọi người ở nhà, nơi làm việc, phương tiện giao thông, trong các tình huống khẩn cấp.

Công thức cơ bản của BJD là phòng ngừa và lường trước nguy cơ tiềm ẩn khi một người tương tác với môi trường.

Do đó, BZD giải quyết các nhiệm vụ chính sau:

xác định (ghi nhận và đánh giá định lượng) loại tác động tiêu cực đến môi trường;

bảo vệ khỏi các mối nguy hoặc ngăn ngừa tác động của các yếu tố tiêu cực nhất định đến con người và môi trường, dựa trên sự so sánh giữa chi phí và lợi ích;

loại bỏ các hậu quả tiêu cực của việc tiếp xúc với các yếu tố nguy hiểm và có hại;

tạo ra một trạng thái bình thường, tức là, một trạng thái thoải mái của môi trường con người.

Trong cuộc sống của con người hiện đại ngày càng chiếm chỗ bởi những vấn đề liên quan đến an toàn tính mạng. Nhiều yếu tố tiêu cực có nguồn gốc con người (tiếng ồn, độ rung, bức xạ điện từ, v.v.) đã được thêm vào các yếu tố nguy hiểm và có hại có nguồn gốc tự nhiên. Sự xuất hiện của khoa học này là một nhu cầu khách quan của xã hội hiện đại.

Các yếu tố sản xuất có hại và nguy hiểm trong phòng thí nghiệm

Theo GOST 12.0.002-80 SSBT, yếu tố sản xuất có hại là yếu tố tác động lên người lao động trong những điều kiện nhất định có thể dẫn đến bệnh tật, giảm hiệu suất và (hoặc) tác động tiêu cực đến sức khỏe của con cái. Trong những điều kiện nhất định, một yếu tố có hại có thể trở nên nguy hiểm.

Yếu tố sản xuất nguy hiểm là yếu tố mà tác động của nó đối với người lao động trong những điều kiện nhất định dẫn đến bị thương, ngộ độc cấp tính hoặc suy giảm sức khỏe đột ngột, nghiêm trọng hoặc tử vong.

Theo GOST 12.0.003-74, tất cả các yếu tố sản xuất nguy hiểm và có hại được chia thành các nhóm sau theo bản chất của hành động của chúng: vật lý; hóa chất; sinh học; tâm sinh lý. Trong phòng thí nghiệm nơi các nghiên cứu được thực hiện, có SanPiN vật lý và hóa học 2.2.4.548-96.

Những chất gây hại

Chất có hại là chất khi tiếp xúc với cơ thể con người có thể gây ra những tổn thương, bệnh tật hoặc sai lệch về tình trạng sức khỏe, được phát hiện bằng các phương pháp hiện đại cả trong quá trình tiếp xúc với nó và trong cuộc sống lâu dài của chất này. và các thế hệ tiếp theo. Theo GOST 12.1.007-76 SSBT, các chất có hại được chia thành bốn loại nguy hiểm theo mức độ tác động lên cơ thể:

I - chất cực kỳ nguy hiểm;

II - các chất độc hại cao;

III - chất độc hại vừa phải;

IV - các chất ít nguy hiểm.

Nồng độ tối đa cho phép (MAC) được hiểu là nồng độ của các nguyên tố hóa học và hợp chất của chúng trong môi trường, chịu tác động hàng ngày trong thời gian dài trên cơ thể người, không gây ra các biến đổi bệnh lý, bệnh tật được xác lập bằng các phương pháp nghiên cứu hiện đại tại bất kỳ thời gian sống nào của thế hệ hiện tại và tiếp theo.

Khi thực hiện công việc trong phòng thí nghiệm của hệ thống oxit, các chất có hại được sử dụng, được chỉ ra trong Bảng. 4.1, để giảm nồng độ hơi của chúng trong không khí, hệ thống thông gió được bật để giảm hàm lượng các chất độc hại xuống mức an toàn phù hợp với GOST 12.1.005-88 SSBT.

Bảng 4.1 - MPC của các chất có hại trong không khí của khu vực làm việc

trong đó: + - các hợp chất cần bảo vệ đặc biệt cho da và mắt;

Cadmium, bất kể loại hợp chất nào, tích tụ trong gan và thận, gây ra thiệt hại cho chúng. Làm giảm hoạt động của các men tiêu hóa.

Chì khi tích tụ trong cơ thể sẽ có tác động xấu đến thần kinh, huyết học, nội tiết và gây ung thư. Làm rối loạn hoạt động của thận.

Thiocarbamide gây kích ứng da, độc hại đối với hệ thống miễn dịch tim mạch, cũng như các cơ quan sinh sản.

Trilon B có thể gây kích ứng da, niêm mạc mắt và đường hô hấp.

Natri hydroxit ăn mòn mắt, da và đường hô hấp. Hành động ăn mòn nếu nuốt phải. Hít phải khí dung gây phù phổi.

Axit oleic là chất độc. Nó có tác dụng gây mê yếu. Có thể ngộ độc cấp tính và mãn tính với những thay đổi trong máu và các cơ quan tạo máu, các cơ quan của hệ tiêu hóa, phù phổi.

Quá trình tổng hợp bột được thực hiện trong tủ thông gió, do đó nồng độ của bất kỳ hạt nào trong không khí của không gian làm việc (có kích thước và tính chất bất kỳ) không thuộc không khí có xu hướng bằng không. Ngoài ra, các phương tiện bảo vệ cá nhân được sử dụng: quần áo đặc biệt; để bảo vệ đường hô hấp - mặt nạ phòng độc và băng gạc bông; để bảo vệ các cơ quan của thị giác - kính bảo hộ; để bảo vệ da tay - găng tay cao su.

Các thông số vi khí hậu

Vi khí hậu là một phức hợp các yếu tố vật lý của môi trường bên trong cơ sở, có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt của cơ thể và sức khỏe con người. Các chỉ số vi khí hậu bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc không khí, nhiệt độ của bề mặt của kết cấu bao quanh, vật thể, thiết bị, cũng như một số dẫn xuất của chúng: gradient nhiệt độ không khí dọc theo chiều dọc và chiều ngang của phòng, cường độ bức xạ nhiệt từ các bề mặt bên trong.

SanPiN 2.2.4.548-96 thiết lập các giá trị tối ưu và cho phép của nhiệt độ, độ ẩm tương đối và vận tốc không khí cho khu vực làm việc của cơ sở công nghiệp, tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của công việc được thực hiện, các mùa trong năm, có tính đến nhiệt thừa. Theo mức độ ảnh hưởng đến hạnh phúc của một người và kết quả hoạt động của họ, các điều kiện vi khí hậu được chia thành tối ưu, cho phép, có hại và nguy hiểm.

Theo SanPiN 2.2.4.548-96, các điều kiện trong phòng thí nghiệm thuộc loại công việc Ib (công việc với cường độ năng lượng 140-174 W), được thực hiện khi ngồi, đứng hoặc đi bộ và kèm theo một số căng thẳng về thể chất.

Diện tích trên mỗi lao động, thực tế / định mức, m 2 - 5 / 4,5

Khối lượng trên mỗi công nhân, thực tế / định mức, m 2 - 24/15

Giá trị của các chỉ tiêu vi khí hậu được đưa ra trong Bảng 4.2.

Trong phòng thí nghiệm làm việc, không có sai lệch so với các chỉ số vi khí hậu tối ưu. Việc duy trì các thông số vi khí hậu được cung cấp bởi hệ thống sưởi và thông gió.

Thông gió

Thông gió - trao đổi không khí trong phòng để loại bỏ nhiệt thừa, độ ẩm, chất độc hại và các chất khác nhằm đảm bảo các điều kiện khí tượng chấp nhận được và độ tinh khiết của không khí trong khu vực bảo dưỡng hoặc làm việc, theo GOST 12.4.021-75 SSBT.

Trong phòng thí nghiệm của Khoa Hóa lý và Keo, thông gió được thực hiện bằng cách tự nhiên (thông qua cửa sổ và cửa ra vào) và cơ học (máy hút mùi, tuân theo các quy tắc an toàn vệ sinh, môi trường và phòng cháy chữa cháy).

Vì tất cả các hoạt động với các chất độc hại diễn ra trong tủ hút, chúng tôi tính toán khả năng thông gió của nó. Để tính toán gần đúng, lượng không khí cần thiết được lấy theo tỷ lệ trao đổi không khí (K p) theo công thức 2.1:

với V là thể tích của căn phòng, m 3;

L - tổng năng suất, m 3 / h.

Tỷ lệ trao đổi không khí cho biết không khí trong phòng thay đổi bao nhiêu lần trong một giờ. Giá trị của K p thường là 1-10. Nhưng đối với khả năng thông gió của tủ hút, con số này còn cao hơn nhiều. Diện tích chiếm dụng của tủ là 1,12 m 2 (dài 1,6 m, rộng 0,7 m, cao (H) 2,0 m). Khi đó thể tích của một tủ, có tính đến ống dẫn khí (1,5), bằng:

V \ u003d 1,12 ∙ 2+ 1,5 \ u003d 3,74 m 3

Vì phòng thí nghiệm được trang bị 4 tủ hút nên tổng thể tích là 15m3.

Từ dữ liệu hộ chiếu, chúng tôi thấy rằng một quạt OSTBERG RFE 140 SKU có công suất 320 m 3 / h, điện áp 230V được sử dụng cho máy hút mùi. Biết được hiệu suất của nó, ta dễ dàng xác định được tỷ giá không khí bằng công thức 4.1:

h -1

Tỷ số trao đổi không khí của 1 tủ hút là 85,56.

Tiếng ồn là những dao động ngẫu nhiên có bản chất vật lý khác nhau, được đặc trưng bởi sự phức tạp của cấu trúc quang phổ và thời gian, một trong những dạng ô nhiễm vật lý của môi trường, không thể thích nghi được về mặt vật lý. Tiếng ồn trên một mức nhất định làm tăng giải phóng các hormone.

Mức ồn cho phép là mức không gây lo lắng và thay đổi đáng kể các chỉ số về trạng thái chức năng của các hệ thống và máy phân tích nhạy cảm với tiếng ồn.

Mức áp suất âm thanh cho phép tùy thuộc vào tần số âm thanh được lấy theo GOST 12.1.003-83 SSBT, được trình bày trong bảng 4.3.

Bảng 4.3 - Mức áp suất âm thanh cho phép trong dải tần số quãng tám và mức ồn tương đương tại nơi làm việc

Chống ồn, theo SNiP 23-03-2003, cần được cung cấp bằng cách phát triển thiết bị chống ồn, sử dụng các phương tiện và phương pháp bảo vệ tập thể, sử dụng các phương tiện và phương pháp bảo vệ tập thể, sử dụng thiết bị bảo vệ cá nhân , được phân loại chi tiết trong GOST 12.1.003-83 SSBT.

Nguồn gây ra tiếng ồn liên tục trong phòng thí nghiệm là vận hành tủ hút. Mức độ tiếng ồn được ước tính vào khoảng 45 dB, tức là không vượt quá các tiêu chuẩn đã thiết lập.

sự chiếu sáng

Độ rọi là đại lượng sáng bằng tỷ số giữa quang thông rơi trên một diện tích bề mặt nhỏ với diện tích của nó. Ánh sáng được quy định theo SP 52.13330.2011.

Chiếu sáng công nghiệp là:

tự nhiên(do ánh sáng mặt trời trực tiếp và ánh sáng tán xạ của bầu trời, thay đổi tùy thuộc vào vĩ độ địa lý, thời gian trong ngày, mức độ mây, độ trong suốt của khí quyển, mùa, lượng mưa, v.v.);

nhân tạo(do nguồn sáng nhân tạo tạo ra). Nó được sử dụng trong trường hợp không có hoặc thiếu ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng nhân tạo hợp lý phải cung cấp các điều kiện bình thường cho công việc với mức tiêu thụ kinh phí, vật liệu và điện có thể chấp nhận được;

sử dụng khi không có đủ ánh sáng tự nhiên kết hợp (kết hợp) ánh sáng. Loại thứ hai là chiếu sáng trong đó ánh sáng tự nhiên và nhân tạo được sử dụng đồng thời vào ban ngày.

Trong phòng thí nghiệm hóa học, ánh sáng tự nhiên được cung cấp bởi một cửa sổ bên. Ánh sáng tự nhiên là không đủ, vì vậy ánh sáng nhân tạo được sử dụng. Nó được cung cấp bởi 8 đèn OSRAM L 30. Khả năng chiếu sáng phòng thí nghiệm tối ưu đạt được với ánh sáng hỗn hợp.

an toàn điện

Theo GOST 12.1.009-76 SSBT, an toàn điện là một hệ thống các biện pháp tổ chức, kỹ thuật và phương tiện bảo vệ con người khỏi tác hại và nguy hiểm của dòng điện, hồ quang điện, điện từ trường và tĩnh điện.

Trong phòng thí nghiệm hóa học, nguồn gây điện giật là các thiết bị điện - máy chưng cất, máy điều nhiệt, bếp điện, cân điện tử, ổ cắm điện. Các yêu cầu chung về an toàn đối với thiết bị điện, bao gồm cả các thiết bị điện toán nhúng, được thiết lập bởi GOST R 52319-2005.

Dòng điện đi qua cơ thể con người có các dạng tác dụng sau: nhiệt, điện phân, cơ học, sinh học. Để đảm bảo chống điện giật trong lắp đặt điện, phải sử dụng các phương pháp kỹ thuật và phương tiện bảo vệ phù hợp với GOST 12.1.030-81 SSBT.

Theo các quy tắc lắp đặt hệ thống điện của PUE, tất cả các cơ sở liên quan đến nguy cơ điện giật cho con người được chia thành ba loại: không tăng nguy hiểm; với rủi ro gia tăng; đặc biệt nguy hiểm.

Phòng thí nghiệm thuộc loại - không tăng nguy hiểm. Để bảo đảm chống điện giật trong lắp đặt điện, phải áp dụng các phương pháp kỹ thuật và phương tiện bảo vệ.

an toàn cháy nổ

Theo GOST 12.1.004-91 SSBT, hỏa hoạn là một quá trình đốt cháy không kiểm soát được, được đặc trưng bởi thiệt hại về xã hội và / hoặc kinh tế do tiếp xúc với người và / hoặc tài sản vật chất của sự phân hủy nhiệt và / hoặc các yếu tố cháy, phát triển bên ngoài trọng tâm đặc biệt, cũng như các chất chữa cháy được áp dụng.

Các nguyên nhân có thể xảy ra hỏa hoạn trong phòng thí nghiệm là do vi phạm các quy định về an toàn, sự cố của thiết bị điện, hệ thống dây dẫn điện, v.v.

Theo NPB 105-03, cơ sở được phân loại là "B1", tức là cháy nổ nguy hiểm, nơi có chất lỏng cháy và cháy chậm, chất và vật liệu cháy chậm, chất dẻo chỉ cháy được. Theo SNiP 21-01-97, tòa nhà có khả năng chống cháy cấp độ II.

Trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn, các đường sơ tán được cung cấp để đảm bảo người dân sơ tán an toàn. Chiều cao mặt cắt ngang của các lối thoát nạn tối thiểu là 2 m, chiều rộng mặt cắt ngang của các lối thoát nạn tối thiểu là 1.0 m. Các lối thoát hiểm được chiếu sáng.

Phòng thí nghiệm đã tuân thủ tất cả các quy tắc an toàn cháy nổ theo các quy định hiện hành.

Các trường hợp khẩn cấp

Theo GOST R 22.0.05-97, tình huống khẩn cấp (ES) là một tình huống bất ngờ, đột ngột trong một vùng lãnh thổ hoặc cơ sở kinh tế nhất định do hậu quả của một vụ tai nạn, một thảm họa nhân tạo có thể dẫn đến thương vong về người, thiệt hại về sức khoẻ con người hoặc môi trường, thiệt hại vật chất và vi phạm các điều kiện sống của con người.

Trong phòng thí nghiệm hóa học, có thể xảy ra các nguyên nhân khẩn cấp sau:

vi phạm các quy định về an toàn;

đánh lửa các thiết bị điện;

vi phạm cách điện của thiết bị điện;

Liên quan đến các nguyên nhân có thể có của các trường hợp khẩn cấp trong phòng thí nghiệm, Bảng 4.4 về các trường hợp khẩn cấp có thể xảy ra đã được biên soạn.

Các cách để bảo vệ khỏi các trường hợp khẩn cấp có thể xảy ra là thường xuyên họp giao ban về an toàn và ứng xử trong trường hợp khẩn cấp; kiểm tra thường xuyên hệ thống dây điện; có một kế hoạch sơ tán.

Bảng 4.4 - Các tình huống khẩn cấp có thể xảy ra trong phòng thí nghiệm

Trường hợp khẩn cấp có thể xảy ra

Nguyên nhân

Các biện pháp để loại bỏ các trường hợp khẩn cấp

Điện giật

Vi phạm các quy định về an toàn làm việc với dòng điện;

Vi phạm tính toàn vẹn của vật liệu cách nhiệt, do sự lão hóa của vật liệu cách điện.

Tắt điện bằng công tắc thông thường; gọi xe cấp cứu nạn nhân; sơ cứu nếu cần thiết; báo sự cố cho nhân viên phụ trách thiết bị, để xác định nguyên nhân khẩn cấp.

Cháy trong phòng thí nghiệm.

Vi phạm trang thiết bị phòng cháy chữa cháy;

Ngắn mạch;

Khử nguồn điện cho các thiết bị hoạt động trong phòng thí nghiệm; gọi đội cứu hỏa, bắt đầu dập lửa bằng bình chữa cháy; báo sự cố cho nhân viên phụ trách thiết bị, để xác định nguyên nhân khẩn cấp.

Kết luận về phần BJD

Trong phần về an toàn tính mạng, các yếu tố sau được xem xét:

các thông số vi khí hậu tuân thủ các văn bản quy định và tạo điều kiện thoải mái trong phòng thí nghiệm hóa học;

nồng độ các chất độc hại trong không khí của phòng thí nghiệm khi nhận màng chalcogenide đạt tiêu chuẩn vệ sinh. Phòng thí nghiệm có tất cả các phương tiện bảo vệ cá nhân và tập thể cần thiết để chống lại ảnh hưởng của các chất độc hại;

tính toán hệ thống thông gió của tủ hút, dựa trên quạt OSTBERG RFE 140 SKU, công suất -320 m 3 / h, điện áp -230 V, đảm bảo khả năng giảm thiểu tác hại của hóa chất phản ứng trên con người và, theo dữ liệu được tính toán, cung cấp một tỷ lệ trao đổi không khí đủ - 86;

tiếng ồn tại nơi làm việc tuân theo quy chuẩn tiêu chuẩn;

đủ ánh sáng của phòng thí nghiệm được thực hiện chủ yếu do ánh sáng nhân tạo;

Theo tính nguy hiểm của điện giật, phòng thí nghiệm hóa học thuộc cơ sở không tăng nguy hiểm, tất cả các bộ phận mang dòng điện của các thiết bị được sử dụng là cách điện và nối đất.

Nguy cơ cháy của phòng thí nghiệm này cũng đã được xem xét. Trong trường hợp này, nó có thể được xếp vào loại "B1", mức độ chịu lửa là II.

Để đề phòng các trường hợp khẩn cấp, Đại học Liên bang Ural thường xuyên tiến hành các cuộc họp giao ban với những người chịu trách nhiệm đảm bảo an toàn cho nhân viên và sinh viên. Ví dụ về trường hợp khẩn cấp, điện giật được xem xét trong trường hợp thiết bị điện bị lỗi.

Thời gian tốt trong ngày, Khabrazhiteli! Tôi nghĩ rằng nhiều người đã nhận thấy rằng ngày càng có nhiều quảng cáo về màn hình dựa trên công nghệ chấm lượng tử, cái gọi là màn hình QD-LED (QLED), bắt đầu xuất hiện, mặc dù thực tế rằng hiện tại đây chỉ là tiếp thị. Tương tự như TV LED và Retina, đây là công nghệ màn hình LCD sử dụng đèn LED chấm lượng tử làm đèn nền.

Tuy nhiên, người hầu khiêm tốn của bạn đã quyết định tìm ra chấm lượng tử là gì và chúng được ăn bằng gì.

Thay cho lời giới thiệu

chấm lượng tử- một mảnh của vật dẫn hoặc chất bán dẫn mà hạt mang điện (điện tử hoặc lỗ trống) bị giới hạn trong không gian theo cả ba chiều. Kích thước của một chấm lượng tử phải nhỏ đến mức các hiệu ứng lượng tử là đáng kể. Điều này đạt được nếu động năng của electron lớn hơn đáng kể so với tất cả các thang năng lượng khác: trước hết, nó lớn hơn nhiệt độ được biểu thị bằng đơn vị năng lượng. Các chấm lượng tử lần đầu tiên được tổng hợp vào đầu những năm 1980 bởi Alexei Ekimov trong ma trận thủy tinh và Louis E. Brus trong dung dịch keo. Thuật ngữ "chấm lượng tử" được đặt ra bởi Mark Reed.

Phổ năng lượng của một chấm lượng tử là rời rạc và khoảng cách giữa các mức năng lượng đứng yên của hạt mang điện tích phụ thuộc vào kích thước của chính chấm lượng tử là - ħ / (2md ^ 2), trong đó:

ħ là hằng số Planck rút gọn;
d là kích thước điểm đặc trưng;
m là khối lượng hiệu dụng của êlectron tại một điểm

Nói một cách dễ hiểu, chấm lượng tử là một chất bán dẫn có đặc tính điện phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó.

Ví dụ, khi một điện tử di chuyển đến mức năng lượng thấp hơn, một phôtôn được phát ra; vì có thể kiểm soát kích thước của chấm lượng tử, nên cũng có thể thay đổi năng lượng của photon phát ra, nghĩa là thay đổi màu của ánh sáng do chấm lượng tử phát ra.

Các loại chấm lượng tử

Có hai loại:

chấm lượng tử biểu mô;
chấm lượng tử dạng keo.

Trên thực tế, chúng được đặt tên như vậy tùy theo phương pháp sản xuất của chúng. Tôi sẽ không nói chi tiết về chúng do số lượng lớn các thuật ngữ hóa học (Google sẽ trợ giúp). Tôi chỉ nói thêm rằng với sự trợ giúp của tổng hợp keo, có thể thu được các tinh thể nano được phủ một lớp các phân tử hoạt động bề mặt được hấp phụ. Do đó, chúng hòa tan trong dung môi hữu cơ, sau khi biến tính cũng trong dung môi phân cực.

Cấu tạo của các chấm lượng tử

Thông thường, một chấm lượng tử là một tinh thể bán dẫn trong đó các hiệu ứng lượng tử được thực hiện. Một electron trong một tinh thể như vậy có cảm giác như nó đang ở trong một giếng thế năng ba chiều và có nhiều mức năng lượng tĩnh. Theo đó, khi di chuyển từ mức này sang mức khác, một chấm lượng tử có thể phát ra một photon. Với tất cả những điều này, quá trình chuyển đổi dễ dàng kiểm soát bằng cách thay đổi kích thước của tinh thể. Cũng có thể ném một điện tử lên mức năng lượng cao và nhận bức xạ từ sự chuyển đổi giữa các mức thấp hơn và kết quả là chúng ta nhận được sự phát quang. Trên thực tế, việc quan sát hiện tượng này được coi là quan sát đầu tiên về các chấm lượng tử.

Bây giờ về màn hình

Lịch sử của màn hình chính thức bắt đầu vào tháng 2 năm 2011, khi Samsung Electronics trình bày sự phát triển của màn hình màu đầy đủ dựa trên các chấm lượng tử QLED. Đó là một màn hình 4 inch được điều khiển bởi một ma trận hoạt động, tức là mỗi điểm ảnh chấm lượng tử màu có thể được bật và tắt bằng bóng bán dẫn màng mỏng.

Để tạo ra một nguyên mẫu, một lớp dung dịch chấm lượng tử được bôi lên bảng silicon và một dung môi được phun lên. Sau đó, một con tem cao su có mặt lược được ép vào lớp chấm lượng tử, tách ra và dán lên thủy tinh hoặc nhựa dẻo. Đây là cách các dải chấm lượng tử được lắng đọng trên chất nền. Trong màn hình màu, mỗi pixel chứa một subpixel đỏ, lục hoặc lam. Theo đó, những màu này được sử dụng với các độ đậm nhạt khác nhau để thu được nhiều sắc độ nhất có thể.

Bước phát triển tiếp theo là việc xuất bản một bài báo của các nhà khoa học từ Viện Khoa học Ấn Độ ở Bangalore. Nơi các chấm lượng tử được mô tả rằng sự phát quang không chỉ ở màu cam, mà còn trong phạm vi từ màu xanh lá cây đậm đến màu đỏ.

Tại sao LCD tệ hơn?

Sự khác biệt chính giữa màn hình QLED và màn hình LCD là màn hình sau chỉ có thể bao phủ 20-30% dải màu. Ngoài ra, trong TV QLED, không cần sử dụng một lớp có bộ lọc ánh sáng, vì các tinh thể, khi đặt điện áp vào chúng, luôn phát ra ánh sáng có bước sóng xác định rõ và kết quả là có cùng giá trị màu sắc.

Cũng có tin tức về việc bán màn hình máy tính chấm lượng tử ở Trung Quốc. Tiếc là tôi chưa có cơ hội kiểm tra tận mắt, không như TV.

P.S.Điều đáng chú ý là phạm vi của các chấm lượng tử không chỉ giới hạn ở màn hình LED, trong số những thứ khác, chúng có thể được sử dụng trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, tế bào quang điện, điốt laze, chúng cũng đang được nghiên cứu về khả năng sử dụng chúng trong y học. và điện toán lượng tử.

P.P.S. Nếu chúng ta nói về quan điểm cá nhân của tôi, thì tôi tin rằng chúng sẽ không phổ biến trong mười năm tới, không phải vì chúng ít được biết đến, mà bởi vì giá của những màn hình này cao ngất trời, nhưng tôi vẫn hy vọng rằng các điểm lượng tử sẽ tìm thấy ứng dụng của chúng trong y học, và sẽ được sử dụng không chỉ để tăng lợi nhuận mà còn cho các mục đích tốt.