Hoe worden Graphene Quantum Dots gesynthetiseerd en welke methoden bepalen hun eigenschappen?

De synthese van Graphene Quantum Dots (GQDs) is een complex proces dat verschillende chemische en fysische methoden omvat, die de uiteindelijke grootte, structuur en optische eigenschappen van deze nanodeeltjes bepalen. Een van de meest gebruikte benaderingen is de oxidatieve kniptechniek, waarbij bijvoorbeeld fullereen wordt behandeld met sterke zuren en chemische oxidanten. Dit veroorzaakt het openen van de fullereenkooi en fragmentatie, wat resulteert in watergedispergeerde GQDs met uitgesproken luminescentie, doorgaans met een piekintensiteit rond 460 nm bij excitatie op 340 nm. Door verdere chemische modificaties zoals behandeling met hydrazine of hydroxylamine kunnen verschuivingen in luminescentie worden gerealiseerd, wat de veelzijdigheid van deze methode benadrukt.

Hoewel oxidatieve knipmethoden effectief zijn, brengen ze ook nadelen met zich mee: het gebruik van sterke oxidanten kan gevaarlijk zijn door risico op verbranding of explosies, en de nabehandeling is vaak complex. Om deze problemen te vermijden, zijn alternatieve methoden ontwikkeld, zoals het gebruik van waterstofperoxide (H2O2) als milde oxidant en zwarte koolstof als uitgangsmateriaal. Hierbij ontstaan vrije radicalen (zoals OH en O) die met hoge reactiviteit het koolstofstructuur effectief knippen zonder de noodzaak van geconcentreerde zuren of metalen die vervuiling kunnen veroorzaken. Dit resulteert in GQDs met diameters van 3 tot 4,5 nm, die zich kenmerken door photostabiliteit, zoutresistentie en lage toxiciteit, wat hun toepasbaarheid in diverse velden vergroot.

Hydrothermische methoden, die aanvankelijk werden ontwikkeld om grotere grafenen vellen in kleine deeltjes van 5–13 nm te knippen, combineren zuurbehandeling en hoge-temperatuur waterige condities. De initiële zuurbehandeling introduceert zuurstofhoudende functionele groepen, zoals carbonyl-, hydroxyl- en epoxygroepen, die onder hydrothermale omstandigheden worden omgezet, waardoor de grafenen vellen worden gespleten tot fijne GQDs met een afmeting kleiner dan 5 nm. Deze methode benadrukt het belang van functionalisatie en gecontroleerde cleaving, wat resulteert in hoogzuivere GQDs.

Solvothermische synthese onderscheidt zich doordat het een bottom-up benadering is, waarbij kleine organische bouwstenen condenseren tot een GQD-skelet. Het gebruik van organische oplosmiddelen in combinatie met katalytische zuren maakt het mogelijk om de vorm en grootte nauwkeurig te controleren. Bijvoorbeeld, de solvothermische condensatie van phloroglucinol in ethanol onder zure katalyse leidt tot driehoekige GQDs van minder dan 5 nm, die een hoge kleurzuiverheid en smalle emissiebandsbreedte vertonen. Naast deze organische benaderingen kan solvothermische behandeling ook voor top-down etsing worden toegepast, zoals het gebruik van dimethylformamide (DMF) om grafenen vellen te disperseren en te knippen, waarbij lichte stikstofdopering kan optreden. Het combineren van oplosmiddelen zoals methanol en methyleenchloride verbetert vervolgens zowel de opbrengst als de optische eigenschappen.

De ultrasone methode maakt gebruik van hoge frequentie geluidsgolven die in vloeistoffen herhaaldelijk vacuümbellen creëren die imploderen en mechanische krachten genereren om grafenen vellen te disperseren en te knippen. In aanwezigheid van zure of basische media kan deze methode met name effectief GQDs produceren met afmetingen tussen 3 en 5 nm. Het activeren van grafenen met kaliumhydroxide (KOH) in combinatie met ultrasoonbehandeling leidt tot GQDs met betere optische en elektrochemische eigenschappen dan zonder activatie. Ultrasoonbehandeling kan ook bottom-up synthese stimuleren door wrijvingswarmte en uniformiteit in grootte te bevorderen.

Elektrochemische oxidatie vormt een andere krachtige techniek waarbij onder hoge REDOX-spanningen (1,5–3 V) koolstofhoudende materialen zoals nanotubes, grafiet of grafenen elektrochemisch worden gespleten tot GQDs. Dit proces maakt gebruik van elektrische energie en kan nauwkeurig worden gecontroleerd om gewenste eigenschappen te verkrijgen.

De keuze van synthese methode bepaalt niet alleen de grootte en vorm van GQDs, maar ook hun functionalisatie, optische eigenschappen, toxiciteit en stabiliteit, wat van groot belang is voor hun toepassing in opto-elektronica, bio-labeling en andere geavanceerde technologieën. Het is cruciaal om te beseffen dat functionalisatie en zuiverheid naast de fysieke afmetingen een even grote rol spelen in de prestaties van GQDs. Bovendien beïnvloedt het productieproces in sterke mate de milieuvriendelijkheid en schaalbaarheid van de synthese, waardoor onderzoek naar mildere, veiligere en efficiëntere methoden essentieel blijft.

Wat zijn de belangrijkste ontwikkelingen in de elektronica van 2D halvemiconductor materialen?

De recente vooruitgangen in de elektronische en opto-elektronische eigenschappen van 2D halvemiconductoren, waaronder grafen en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), zijn opmerkelijk. Met de groeiende interesse in het manipuleren van de bandgap en de stabiliteit van deze materialen, heeft het begrijpen van de effecten van moleculaire orbitalen, deeltjeslokalisatie en stapelstructuren van cruciaal belang geworden voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën. De stapeling van twee-dimensionale materialen in zogenaamde van der Waals heterostructuren biedt een nieuwe weg om de elektronische eigenschappen van deze materialen te controleren, zonder dat ze chemisch met elkaar verbonden moeten zijn.

Van der Waals heterostructuren kunnen de basis vormen voor geavanceerde elektronica, fotonica en energietoepassingen door de interactie tussen verschillende 2D-materialen te benutten. Dit type stapeling maakt het mogelijk om materialen met verschillende elektronische en opto-elektronische eigenschappen met elkaar te combineren, wat resulteert in hybride systemen met unieke en gecontroleerde eigenschappen. De invloed van de stapeling op de elektronische structuur wordt momenteel uitgebreid bestudeerd. Onderzoek heeft aangetoond dat de richting van de stapeling (verticaal of lateraal) aanzienlijke invloed kan hebben op de prestaties van de resulterende heterostructuren. Zo wordt bijvoorbeeld in sommige gevallen de bandgap vergroot door de interactie tussen lagen, terwijl in andere gevallen de elektronische mobiliteit verbetert.

Bijvoorbeeld, de toepassing van grafen in dergelijke heterostructuren kan leiden tot veranderingen in de elektronische eigenschappen afhankelijk van de aard van de andere lagen waarmee het wordt gecombineerd. In bilayer grafen kan de elektronica worden aangepast door de relative stapelingsoriëntatie van de lagen, zoals bij de AB- en AA-stapeling van grafeenlagen. Door het inwerken van externe factoren zoals spanningen of defecten kan de bandgap verder worden aangepast, wat grafen een veelbelovende kandidaat maakt voor toepassingen in toekomstige elektronische apparaten.

Tegelijkertijd blijft de studie van de bandgap engineering van 2D materialen, zoals MoS2 en WSe2, essentieel voor de vooruitgang in halfgeleidertechnologieën. Door het toevoegen van specifieke verontreinigingen of door het creëren van nanostructuren in deze materialen kan men de elektronische eigenschappen afstemmen op specifieke toepassingen, zoals in fotodetectoren, zonnecellen, en transistors. Recent werk heeft aangetoond dat de vervorming van de kristalstructuur, bijvoorbeeld door lokale spanningen of defecten, de prestaties van de heterostructuren aanzienlijk kan verbeteren.

De belangrijkste uitdaging bij de fabricage van 2D halvemiconductor materialen ligt in het creëren van stabiele, gecontroleerde monolagen en het beheren van hun interacties op atomair niveau. Methoden zoals chemische dampdepositie (CVD) en mechanisch exfoliëren zijn al in gebruik om hoge kwaliteit materialen te produceren, maar het creëren van grotere gebieden met consistente eigenschappen blijft een technologische uitdaging. Het beheer van de interfaciale krachten tussen de lagen van 2D-materialen en hun stabiele integratie in samengestelde structuren is essentieel voor het verbeteren van de prestaties van deze materialen in verschillende toepassingen.

In veel gevallen kunnen de opto-elektronische eigenschappen van materialen zoals MoS2 en andere overgangsmetaaldichalcogeniden worden versterkt door het creëren van verticaal gestapelde of lateraal georiënteerde heterostructuren, waarbij het gedrag van excitonen, de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor optische reacties, cruciaal is. De mogelijkheid om de excitonenergie te transporteren binnen deze structuren biedt grote kansen voor de ontwikkeling van efficiënte lichtemitterende diodes en zonnecellen.

Naast de stabiliteit van de materialen, is de controle over de elektronische overdracht tussen de verschillende lagen van cruciaal belang voor het realiseren van efficiënt werkende apparaten. Experimenten met 2D heterostructuren hebben aangetoond dat het laden en de overdracht van elektronen tussen lagen kan worden afgesteld door het toevoegen van externe velden of door het wijzigen van de temperatuur, wat de mogelijkheden voor toekomstige opto-elektronische toepassingen verder uitbreidt.

Voor lezers die zich verder willen verdiepen in deze technologieën is het belangrijk om niet alleen te kijken naar de materiaalstructuur zelf, maar ook naar de technische uitdagingen die gepaard gaan met het schalen van deze technologieën naar praktische, op grotere schaal bruikbare apparaten. De vooruitgang in de synthesetechnieken en de mogelijkheden voor het nauwkeurig manipuleren van de materiaaleigenschappen zullen essentieel zijn voor de daadwerkelijke toepassing van deze geavanceerde materialen in de toekomst.

Hoe kunnen MOS-materialen biosensoren en gasdetectie verbeteren?

MOS-materialen (metaaloxide-halfspecifieke materialen) spelen een cruciale rol in talrijke toepassingen, zoals kwaliteitscontrole, screeningsmethoden, veiligheidsuitrusting en milieubeoordeling. Deze materialen vormen een bijzonder interessant onderzoeksgebied, aangezien ze veel uitdagende vraagstukken bevatten die moeten worden opgelost. Vanwege hun morfologische veelzijdigheid, chemische stabiliteit en fysisch-chemische eigenschappen aan de grensvlakken, evenals hun vermogen om in composietstructuren te combineren, hebben MOS-materialen een hoog potentieel om concurrerende materialen te worden op de markt voor biosensoren.

Een belangrijk kenmerk van MOS-materialen is hun elektrochemische gevoeligheid en de energiebandafstemming van verschillende materialen, zoals TiO2, WO3, SnO2 en ZnO. Deze materialen trekken aanzienlijke aandacht vanwege hun geschiktheid voor enzymgebaseerde biosensoren, die voordelen bieden zoals flexibiliteit in verschillende werkomstandigheden, uitstekende energie-efficiëntie, goede gevoeligheid en chemische stabiliteit in diverse omgevingen. In de biosensorenindustrie worden voornamelijk mono-component MOS-materialen gebruikt, maar er zijn ook voorbeelden van multi-component halfgeleiders of verbonden halfgeleiders (composieten, tandemstructuren, heterostructuren, enz.). Deze multi-component halfgeleiders zijn gedoteerd met andere metalen of gekoppeld met metalen nanodeeltjes om specifieke eigenschappen te verbeteren.

TiO2, SnO2, ZnO en WO3 zijn vier typische metaaloxiden die vaak worden gebruikt in biosensorapplicaties. Het gebruik van deze materialen is veelbelovend voor de ontwikkeling van geavanceerde biosensoren die snel, nauwkeurig en betrouwbaar verschillende biomoleculen kunnen detecteren, zoals microRNA of glucose.

TiO2-gebaseerde biosensoren
TiO2 is een n-type halfgeleider die bekendstaat om zijn uitstekende chemische stabiliteit, biocompatibiliteit en morfologische plasticiteit. Vanwege deze eigenschappen wordt TiO2 op grote schaal gebruikt in toepassingen zoals fotokatalyse, biosensoren, fotovoltaïsche cellen en energieopslag. Een opmerkelijke toepassing is het gebruik van TiO2-films, gedeponeerd op een indiumtinhoudsubstraat, voor het detecteren van microRNA en glucose. Deze sensoren worden vaak verbeterd door het gebruik van gouden nanodeeltjes, die de gevoeligheid en prestaties verhogen.

SnO2-gebaseerde biosensoren
SnO2 wordt gebruikt in diverse toepassingen, zoals energieconversie, biosensoren en elektrochemie. Het heeft uitstekende eigenschappen zoals een hoog oppervlak, sterke biocompatibiliteit, nontoxiciteit en chemische stabiliteit. SnO2 nanodraden, die zijn gesynthetiseerd via een thermische verdampingsmethode, zijn gebruikt voor het ontwikkelen van sensoren die H2O2 kunnen detecteren, wat nuttig is voor medische diagnostiek en andere chemische toepassingen.

ZnO-gebaseerde biosensoren
ZnO is een breed-bandgap halfgeleider die n-type geleidbaarheid vertoont wanneer hij wordt blootgesteld aan UV-licht. Het vormt een hexagonale wurtzietstructuur en vertoont piezo-elektrische eigenschappen, wat het een geschikt materiaal maakt voor biosensoren die in medische toepassingen kunnen worden gebruikt. Een belangrijk voordeel van ZnO is dat het veilig is voor menselijk gebruik en goed compatibel is met menselijke huid, wat het ideaal maakt voor het monitoren van chronische aandoeningen zoals diabetes. ZnO wordt vaak gebruikt in nanovormen zoals nanosterren, die via chemische baddepositie worden geproduceerd voor het detecteren van microRNA-21 in kankercellen.

WO3-gebaseerde biosensoren
WO3 heeft verschillende kristalstructuren die kunnen variëren van kubisch tot octahedraal, afhankelijk van de syntheseomstandigheden. Het wordt gebruikt in biosensoren voor de detectie van verschillende biomoleculen, waaronder aflatoxine B1, bisfenol A en het hartbiomarker TroponinI. WO3-sensoren hebben bewezen effectief te zijn in het identificeren van deze stoffen, wat cruciaal is voor medische diagnostiek.

Gasdetectie met MOS-materialen
MOS-materialen zijn niet alleen van belang voor biosensoren, maar spelen ook een cruciale rol in gasdetectie. Ze worden gebruikt in chemiresistoren die toxische gassen zoals H2S, NO2 en CO, evenals omgevingsgassen zoals O2, NH3, CO2 en O3, kunnen detecteren. De gevoeligheid, stabiliteit, lage kosten, eenvoud van synthese, lage energieverbruik, hoge temperatuurbestendigheid en katalytische activiteit maken MOS-materialen ideaal voor gasdetectie. Het principe van gasdetectie met MOS-materialen is gebaseerd op de verandering in de weerstand van de sensor wanneer deze in contact komt met doelgassen. De interactie tussen het gas en het oppervlak van het MOS-materialen veroorzaakt een verandering in de weerstand, die als een signaal wordt gedetecteerd. Dit maakt het mogelijk om de concentratie van het gas in de lucht te meten.

MOS als fotokatalysator
MOS-materialen spelen ook een belangrijke rol als fotokatalysatoren, vooral in de afbraak van kleurstoffen en organische vervuilende stoffen door middel van zonne-energie. De fotokatalytische processen vinden voornamelijk plaats op de oppervlakken van halfgeleiders, waarbij MOS-fotokatalysatoren helpen om complexe radicale ketenreacties te versnellen. Vanwege hun lage toxiciteit, betaalbaarheid, af te stemmen fysisch-chemische eigenschappen en uitstekende fotokatalytische levensduur zonder significante afname in prestaties, worden MOS-materialen steeds meer gebruikt voor de afbraak van kleurstoffen in waterverwerkingsprocessen. De efficiënte afbraak van kleurstoffen door MOS-materialen maakt ze tot een veelbelovende technologie voor milieuvervuiling en waterbehandeling.

MOS-materialen bieden dus niet alleen veelbelovende vooruitzichten in biosensoren en gasdetectie, maar kunnen ook bijdragen aan milieuvriendelijke technologieën, zoals fotokatalyse voor het afbreken van organische vervuilers. De veelzijdigheid van deze materialen biedt talrijke mogelijkheden voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën die zowel efficiënt als milieuvriendelijk zijn.