La incorporación de nanocristales individuales (NC) en un dispositivo de estado sólido requiere el ensamblaje de nanocristales controlados. Además, el método de ensamblaje debe tener características tales como posicionamiento preciso, escalabilidad, alta capacidad de control del proceso y universalidad.

​​​​​​estancia: Método general para el ensamblaje directo de nanocristales individuales.. Haber de imagen: Georgy Shafeev/Shutterstock.com

En un artículo publicado recientemente en materiales ópticos avanzadoslos autores demostraron la deposición electroforética superficial (STED) como un posible método de ensamblaje para una variedad de nanocristales.

Aunque los métodos físicos y químicos de deposición de vapor ayudan en la fabricación de una matriz de NC sobre un sustrato sólido, la gama de materiales que se pueden depositar aún es limitada. Además, estos métodos de deposición no son bien aplicables a NC con formas complejas. El ensamblaje de NC puede iniciarse mediante reacciones químicas que conducen al autoensamblaje o mediante fuerzas externas aplicadas que conducen al ensamblaje dirigido. Sin embargo, el agrupamiento de NC basado en soluciones es el enfoque más prometedor.

Ha habido un progreso significativo en la autocristalización ensamblada de NC en superredes bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D). En el autoensamblaje causado por una reacción química, cambiar la temperatura o el pH, agregar un no solvente, evaporar un solvente o agregar un electrolito puede exceder las fuerzas intermoleculares de repulsivo a débilmente atractivo. Además, el contraste en el espacio entre partículas ajusta las propiedades de las redes metálicas resultantes. Sin embargo, la naturaleza de las fuerzas presentes entre los NC determina la geometría de la estructura final de los materiales compuestos.

El ensamblaje directo es ventajoso sobre el autoensamblaje químico porque el NC es estable bajo una fuerza externa, sintonizado en el espacio y el tiempo. A menos que se utilicen fuerzas externas aplicadas para guiar a los NC individuales a ubicaciones bien definidas, esta fuerza generalmente impulsa al NC a ensamblar la superestructura.

Con este fin, las plantillas de superficie orientan la deposición de NC individual en una posición predeterminada. Otro método de ensamblaje es el ensamblaje electrostático basado en la interacción partícula-sustrato, en el que el sustrato preoperado genera anisotropía electrostática, lo que permite la adsorción selectiva de NC con carga opuesta. La fotolitografía es otro método efectivo que generalmente se usa para construir nanoestructuras complejas.

En este estudio, los investigadores se centraron en STED como un método alternativo para el ensamblaje de NC que se basa en la deposición electroforética cargada (EPD) convencional en NC bajo un campo eléctrico aplicado. Sin embargo, la deposición de NC se ve afectada por el sustrato preconductor, la nanoescala. La distribución uniforme de carga en las partículas fue un requisito previo para la deposición exitosa de NC individuales.

Dado que la precipitación NC era adecuada para partículas en solución con alta movilidad electrostática, era esencial una sola dispersión de partículas. Además, la electroforesis se realiza bien en solventes con alta constante dieléctrica. STED se puede aplicar a todo tipo de NC con tamaño, forma y carga superficial bien definidos que duran mucho tiempo.

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de oro (Au) NC mostraron una sola matriz de partículas de 3 × 3 con una distancia entre partículas de 5 μm.

Se usó una plantilla con cavidades rectangulares para ensamblar las nanovarillas de oro en matrices, y la orientación de la plantilla controlaba la orientación final de la varilla única. Los investigadores observaron que los nanotubos de oro también se pueden organizar en una serie de cavidades cuadradas y las imágenes SEM revelaron que la orientación de estos nanotubos dentro de la cavidad coincide con la de las cavidades cuadradas. Las cavidades eran solo 6 nm más anchas que el diámetro medio del cubo. Aunque el desajuste fue pequeño, la sedimentación fue muy efectiva.

El Panel observó que los factores rígidos determinan el llenado de las comunicaciones nacionales. Ellos plantearon la hipótesis de que las fuerzas electrostáticas también jugaron un papel vital en la movilización de NC. Las partículas cargadas y los electrolitos generaron una distribución de campo eléctrico compleja dentro de la cavidad. La presencia de grupos carboxilo en la superficie del poli(metacrilato de metilo) (PMMA) también puede inducir una carga en las paredes de la cavidad a base de PMMA, lo que indica que las fuerzas eléctricas determinaron la orientación final de la partícula y desempeñaron un papel en la restricción de la sedimentación. de cada cavidad a una sola partícula.

Los autores demostraron el potencial de agregar STED en diferentes tipos de NC. Las partículas pueden ser aislantes o conductoras, no ferromagnéticas o magnéticas, o adoptar diferentes formas. Además, el equipo observó que las partículas con tamaños más pequeños requerían mayores potenciales de aplicación para inducir el proceso de agregación. Sin embargo, puede ocurrir un aumento no específico en el potencial aplicado de la electrólisis del solvente, corrosión del molde o daño al NC. Por lo tanto, los NC individuales cuyo tamaño de partícula es inferior a 10 nm experimentan un aumento de tamaño artificial antes del ensamblaje STED.

En conclusión, el equipo demostró el potencial de STED para proporcionar un mecanismo versátil para posicionar sitios NC individuales en grandes cantidades con resolución nanométrica. STED es un método rápido y escalable que puede funcionar con una variedad de materiales. Debido a que el movimiento browniano es difícil de superar, las NC alcanzan un límite de volumen más bajo. Sin embargo, el uso de un revestimiento de polielectrolito o sílice (SiO .)2) El caparazón puede aumentar el tamaño de la NC y superar el problema que dificulta el ensamblaje de matrices de una sola molécula.

Zhang, H., Liu, Y., Ashokan, A., Gao, C., Dong, Y., Kinnear, C. y Mulvaney, P. (2022). Un método general para el ensamblaje directo de nanocristales individuales. materiales ópticos avanzados. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202200179

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