Hvordan kan CdSe–CdTe kjerne-skall kvanteprikker karakteriseres og anvendes?

XRD-analyser av CdSe–CdTe kjerne-skall kvanteprikker (CSQDs) viser tydelig syntesen av hexagonal CdSe og kubisk CdTe polykrystallinske forbindelser. De karakteristiske toppene ved 24,19° (002-plan), 27,62° (101-plan), 42,28° (112-plan) og 56,95° (002-plan) bekrefter CdSe sin hexagonale fase, mens toppene ved 13,70°, 24,19°, 35,38° og 39,87° tilhører CdTe sin kubiske fase (100, 111, 211 og 220 plan). Selv når CdSe er omsluttet av CdTe, lar det seg fortsatt identifisere diffraksjonstopper som tilhører CdSe sin kubiske struktur, noe som tyder på en klar krystallinsk separasjon mellom kjernen og skallet. Ved hjelp av Williamson-Hall-metoden kan partikkelstørrelsen og indusert strain estimeres, hvor en partikkelstørrelse på omtrent 12,6 nm bekrefter kvanteprikkens nanoskala.

SEM- og TEM-analyser viser monodisperse, sfæriske nanopartikler uten agglomerasjon, med en jevn partikkelstørrelse i området 10–20 nm. EDX-spektret bekrefter tilstedeværelsen av Cd, Se og Te, med en høy andel Cd som indikerer en stabil binding mellom Cd og både Se og Te. TEM-bilder ved høy oppløsning avslører en sammensmelting av to krystallinske strukturer, hvor CdSe-kjernen er dekket av CdTe-skall. Dette skaper en heterojunksjon med viktige egenskaper for elektron- og hullfangst, noe som forbedrer separasjon av ladningsbærere og dermed den optiske og elektroniske effektiviteten.

Optisk absorpsjon og fotoluminescensstudier viser en eksitonisk absorpsjonstopp ved 560 nm og en fotoluminescens-toppp ved cirka 585 nm. Når emisjonstoppene nærmer seg absorpsjonsstarten, indikerer dette direkte rekombinasjon av elektronhullparene (HOMO og LUMO). CdSe–CdTe CSQDs oppfører seg som type II materialer, hvor elektroner og hull er spatialt separert, noe som reduserer rekombinasjonstap og øker levetiden til ladningsbærerne. Den observerte emisjonen innen 560–590 nm-området skyldes strukturelle defekter som mellomrom og vakansplasser som oppstår på grunn av den høye overflate-til-volum-ratioen i kvanteprikkene. Dette fører til feller for ladningsbærere og påvirker fotoluminescensintensiteten.

Disse kjerne-skall kvanteprikkene har i dag viktige bruksområder, spesielt innen solcelleindustrien. Type II materialer med kontrollert båndgap og stabil fotoluminescens egner seg svært godt for å øke effektiviteten i solceller. Gjennom heterojunksjonsdesignet kan flere elektroner produseres per sollysfoton, noe som kan forbedre konverteringseffektiviteten med opptil 10 prosentpoeng sammenlignet med tradisjonelle celler. I tillegg muliggjør den enkle integreringen i mikroskopiske enheter som CCD- og CMOS-sensorer. Solceller med kvanteprikk-sensitisert fotoanode, ofte bygget opp av materialer som ZnO eller TiO2, viser at ladningsbærerne generert ved lysabsorpsjon effektivt kan transporteres gjennom strukturen takket være kjerne-skall-designen.

Det er viktig å forstå at kvanteprikker, spesielt i kjerne-skall-konfigurasjoner, ikke bare fungerer som lysabsorberende elementer, men også som komplekse heterostrukturer hvor elektroniske og optiske egenskaper kan skreddersys på atomnivå. Denne kontrollen over nanostrukturen muliggjør ikke bare bedre energieffektivitet, men også forbedret stabilitet og funksjonalitet i ulike optoelektroniske enheter. Samspillet mellom krystallstruktur, defektnivåer og ladningstransport er kritisk for å forstå og videreutvikle kvanteprikk-baserte teknologier.

Hvordan man håndterer vanskeligheter ved XAFS og XANES: En realistisk vurdering

Tilpasningsbetingelser

Mens den forrige seksjonen skisserer de grunnleggende algoritmene for tilpasning, hviler suksessen med tilpasningen i siste instans på analytikerens skjønn. Dette omfatter (i) valg av pålitelig datarange (kmin − kmax); (ii) skille ekte topper fra artefakter i $|\chi(R)|$; (iii) valg av tilpasningsområde [Rmin − Rmax] over ekte og analyserbare topper; (iv) valg av $k_w$ for oppløsning av overlappende topper; (v) korrekt startmodell (feffnnnn.dat), veiledet av fordelingen av topper i $|\chi(R)|$; (vi) reduksjon av usikkerheter ($\Delta x$) for tilpasningsparametere med strategisk tilpasning; (vii) løsning av degenerasjon av løsninger ($x$) med strategisk tilpasning, fysisk intuisjon eller teoretisk modellbasert analyse; (viii) realistisk vurdering av løsningen. En tilpasning med $R$-faktor < 0,02 anses som god, men dette er en matematisk konklusjon og ikke nødvendigvis fysisk. Derfor må løsningen vurderes for faktisk fysisk troverdighet; (ix) parallell vurdering av flere rimelige modeller.

Noen av de iboende problemene med tilpasning blir beskrevet i detalj. (i) Begrenset informasjonsinnhold: Informasjonsinnholdet er begrenset av antallet datapunkter i spektrene (Brillouin 1962): $N_{info} = 2(k_{max} - k_{min})(R_{max} - R_{min}) + 2$. Dette begrenser antallet variabler $N_{var}$ som må være lavere enn $N_{info}$. I eksemplet i Figur 20.8 er [k = 2,5 − 11 Å ; R = − 1 − 2,8Å], dvs. $( \Delta k \times \Delta R) = 1,8,5 Å \times 2,8Å$, som gir $N_{info} = 17$ datapunkter som kan romme maksimalt 17 variabler. Ved tilpasning av den enkelte Cu − Cu-toppen i Figur 20.8 er 4 variabler $(\delta R, N', \sigma^2, E_0)$ tilstrekkelige, slik at betingelsen $N_{var} < N_{info}$ er oppfylt.

(ii) Overlappende topper: Toppen av interesse kan ha bidrag fra halen til nærliggende topper, noe som er vanlig for høyere skall. Toppene kan adskilles ved manipulering av $k$-området eller $k_w$, eller alternativt kan de to nærliggende toppene tilpasses sammen.

Eksempel A: (Figur 20.9a, b) – Tett plasserte bånd, som for Jahn–Teller-distorsjonerte oktaedre: $[\chi_1(k), \chi_2(k)]$ i Figur 20.9a representerer bidrag fra $[Cu − O1, Cu − O2]$-båndene ved $(R_1, R_2)$; $R_2 - R_1 = 0,2$Å. $[\chi_1(k), \chi_2(k)]$ er lett ut av fase, og deres nettooscillasjon $\chi_{tot} = \chi_1 + \chi_2$ genererer topper i $|\chi_{tot}(R)|$ som har lavere amplitude og er forskjøvet relativt til $|\chi_1(R_1)|$ og $|\chi_2(R_2)|$ (Figur 20.9b). En modellering av $|\chi_{tot}(R)|$ basert på diskret koordinasjon og båndlengder kan gi feilaktige resultater.

(iv) Korrigering mellom forskjellige variabler: $(S^2_0 N e^{ -k^2 \sigma^2})$ er tilstede som et multipliserende produkt i XAFS-ligningen, slik at flere kombinasjoner av $(S^2_0, N, \sigma^2)$ kan potensielt reprodusere det samme spektrum. Av disse er $S^2_0$ forhåndsbestemt ved tilpasning av $\chi(k)$ for relevante standarder (Kelly et al. 2009). For eksempel tjener Cu-folie som standard for CuK-kantens XAFS-eksperimenter for Cu-baserte prøver. $\chi(k)$ for Cu-folie tilpasses ved å begrense $(N, \sigma^2, R)$ til krystallografiske verdier og variere $S^2_0$. Denne verdien av $S^2_0$ er fast under tilpasningen av $\chi(k)$ for prøver av interesse_

Hvordan Nanostrukturer og Optiske Materialer Revolusjonerer Teknologi og Vitenskap

Nanostrukturer representerer en av de mest spennende og lovende områdene innen materialvitenskap og optiske applikasjoner. Med deres unike fysiske og kjemiske egenskaper, som oppstår på grunn av den nanoskalaen de eksisterer på, åpner de dørene til innovasjoner på tvers av ulike vitenskapelige og teknologiske felt. I denne sammenhengen spiller nanostrukturer en sentral rolle i utviklingen av materialer med egenskaper som ikke finnes i tradisjonelle bulk-materialer. Dette gir rom for nye anvendelser, spesielt innen optoelektronikk, sensorer, medisinske diagnostiske verktøy og energilagringsteknologier.

En av de viktigste fordelene med nanostrukturer er at de tillater en ekstremt presis kontroll over materialenes egenskaper. For eksempel kan optiske egenskaper som fluorescens og lyseffekter manipuleres ved å modifisere nanostrukturens sammensetning og form. Denne kontrollen gjør det mulig å designe materialer som har spesifikke egenskaper som er nødvendige for avanserte applikasjoner, fra nye typer lyspærer til sensorer som kan oppdage enkeltmolekylers tilstedeværelse.

Plasmonikk, som er studiet av interaksjonen mellom lys og frie elektroner i nanomaterialer, har vært et spesielt fokusområde. Plasmoniske nanostrukturer kan forbedre fluorescens i materialer, som har potensial til å revolusjonere diagnostiske verktøy og medisinsk bildebehandling. Det finnes også muligheter for å bruke nanostrukturer for å lage svært effektive solceller, som kan være både billigere og mer effektive enn dagens teknologi.

En annen betydelig applikasjon er innenfor optiske sensorer, spesielt for å detektere radioaktive materialer. Ved å bruke nanostrukturer som kan interagere med ioniserende stråling, kan det utvikles sensorer som er både mer følsomme og raskere enn tradisjonelle systemer. Nanostrukturer har også blitt brukt i utviklingen av innovasjoner som kvanteprikker, som på grunn av deres unike elektriske og optiske egenskaper, kan brukes i alt fra medisin til kommunikasjonsteknologi.

Lanthanid-dopede materialer har også fått økt oppmerksomhet på grunn av deres evne til å absorbere og emitere lys på bestemte bølgelengder, noe som er avgjørende for mange optiske applikasjoner. Disse materialene har blitt brukt i alt fra laser-teknologi til anti-kapringsteknologi. Fordelen med lanthanid-dopede nanomaterialer er at de kan utnytte deres luminescerende egenskaper til å lage svært spesifikke optiske systemer for ulike bruksområder.

Foruten deres praktiske anvendelser, har studiet av nanostrukturer også gitt innsikt i grunnleggende fysikk og kjemi. Når materialer reduseres til nanoskala, endres deres elektroniske og optiske egenskaper på måter som ikke er fullt ut forstått. Nanostrukturer gir derfor en unik mulighet til å undersøke hvordan materiens egenskaper utvikler seg ved ekstremt små dimensjoner, og hvordan man kan utnytte disse endringene til å utvikle nye teknologier.

For leseren er det viktig å forstå at nanostrukturer ikke bare er "små" materialer, men at deres egenskaper er fundamentalt forskjellige fra de på makroskopiske skalaer. Det er denne unike egenskapen som gjør dem så spennende og anvendelige i teknologiske innovasjoner. I tillegg er det viktig å merke seg at mange av de anvendelsene som diskuteres fortsatt er i utviklingsstadiet, og at det er mye forskning som gjenstår for å fullt ut utnytte potensialet deres.

Endtext

Hvordan triarylaminbaserte dendrimer og MOF-strukturer anvendes til sanser av nitroaromatiske forbindelser og andre kjemiske stoffer

Et eksempel på en slik sensor er dendrimerene utviklet av Vamvounis et al., som består av triarylamin (TPA) som kjerne, med fenylgrener som har thiophen- og bithiophen-enheter. Disse dendrimerene er utstyrt med alkylkjeder som overflategrupper. Resultatene har vist at emissive (lysutsendende) enheter kan flyttes fra kjernen til grenene ved å erstatte thiophen med bithiophen, noe som påvirker sensorens evne til å påvise nitroaromatiske forbindelser. Når den lysutsendende enheten er plassert i sentrum (TPA-kjernen), er sensorens evne til å oppdage nitroaromatiske forbindelser litt svakere enn i de tidligere nevnte triarylaminbaserte dendrimerene, noe som antyder at grenene på dendrimeren påvirker interaksjonen mellom sensoren og analytten. På den annen side, når den lysutsendende enheten er plassert på overflaten, har sensorens effektivitet for påvisning av nitroaromatiske forbindelser økt, og interaksjonen mellom kromofor og analytt er ikke lenger påvirket.

Dendrimerene som inneholder TPA som en strukturell byggestein, har vist seg å være utmerket som rammeverk for sensorer, spesielt for påvisning av nitroaromatiske forbindelser. Disse dendrimerene kan bidra til dannelsen av metall-organiske rammeverk (MOF) sammen med metaller som sink og lanthan. De resulterende MOF-ene har unike porøse arkitekturer som er bestemte av både liganden og metallionet. For eksempel har det blitt rapportert at trikarboksyltriphenylamin, en ligand, i kombinasjon med sink og pimelsyre danner et 3D-rammeverk som inneholder chiral-subneter, som kan brukes for både sensorer og katalytiske prosesser.

Et annet eksempel på et slikt system involverer et MOF som inneholder sink og ligand 21, som danner tette, tetraskeletale kanaler som kan brukes til å påvise nitroaromatiske forbindelser som pikrinsyre. Dette MOF-systemet har også vist seg å ha et unikt responsmønster ved utskifting av sink med terbium, og ved hjelp av dette kan sensorens selektivitet for nitroaromatiske forbindelser som pikrinsyre forsterkes. Dette er på grunn av energiutveksling mellom de elektron-donerende rammeverkene og de elektron-defekte nitroaromatiske forbindelsene.

En annen innovativ anvendelse av triarylaminbaserte sensorer er deres bruk i fotoelektrokjemisk sensing for å påvise cystein. Ved hjelp av en prinsipp som ligner på fargestoffsensibiliserte solceller, kan slike sensorer måle endringer i elektrisk strøm som følge av kjemiske reaksjoner, som for eksempel reaksjoner med cystein. Når cystein reagerer med sensorens akrylkjerne, hindres elektronoverføring, noe som resulterer i en målbar nedgang i fotostrømmen.

En ytterligere anvendelse er utviklingen av fluorescenssensorer som kan påvise endringer i fysiske parametere som temperatur og trykk. Spesielt har triarylaminbaserte sensorer blitt brukt til å utvikle temperaturfølsomme sensorer som kan brukes i biologiske applikasjoner, som for eksempel å måle temperaturen i organer og celler. Denne typen sensor, som benytter en D–D–A (donor-akseptor) konfigurasjon, har vist seg å være i stand til å måle temperaturer fra 180 til 330 K med høy presisjon, og det kan gi verdifulle data uten behov for eksterne termometre.

I tillegg til det tekniske innholdet som allerede er beskrevet, er det viktig å forstå hvordan disse sensorene kan integreres i eksisterende systemer for å forbedre deres funksjonalitet og pålitelighet. De praktiske utfordringene ved feltbruk, som kalibrering og stabilitet under varierende forhold, bør også vurderes når man utvikler nye sensorstrukturer. Selv om den kjemiske og strukturelle innovasjonen er imponerende, er det også avgjørende å evaluere sensorens holdbarhet og brukervennlighet i langvarige applikasjoner. Det er også viktig å være oppmerksom på de potensielle etiske og sikkerhetsmessige bekymringene ved bruk av slike avanserte teknologier, spesielt når de anvendes i militære eller medisinske sammenhenger.

Hvordan LMP-baserte OSL dosimetri kan forbedre stråledoseringssystemer for matirrasjon

En unik egenskap ved LMP er den lineære doseresponsen i forhold til OSL, som strekker seg fra 1 mGy til 1 kGy. Det er bemerkelsesverdig at vanlige TL-fosforer som LiF:Mg,Ti, LiF:Mg,Cu,P, og CaSO4:Dy, samt generelt brukte OSL-fosforer som Al2O3:C eller BeO, ikke viser en så bred lineær respons. LMP er dermed en viktig fosfor, som har et enormt potensial innen dosimetri for matirrasjon.

LMP-baserte OSL-dosimetri har alle disse ønskelige egenskapene, og er et lovende alternativ for dosimetri ved fytosanitære applikasjoner av stråling i lavdoseområdet 0,01–1 kGy. Dette inkluderer bestråling av frukt som mango, løk, poteter, hvitløk og andre (Menon et al. 2019). Det er imidlertid en begrensning i form av at OSL-signalet kan falme med opptil 30 % over en lengre tidsperiode, noe som kan være utfordrende når bestrålingsperioden er ukjent (Menon et al. 2018). I dosimetri for matirrasjon er vanligvis bestrålingsperioden kjent, og korrekturfaktorer for OSL-fading kan benyttes for å evaluere dosene nøyaktig.

LMP viser tre TL-piker ved cirka 130, 160 og 250 °C (Figur 10.9) når TL registreres opp til 350 °C (Menon et al. 2018). Selv om den første toppen raskt falmer innen 1–2 dager, er den andre TL-toppen rundt 160 °C mer stabil og ansvarlig for den utvidede fadingen av OSL-signalet i LMP. For bedre fadingsegenskaper bør intensiteten av den andre TL-toppen minimeres, samtidig som intensiteten av den tredje toppen (rundt 250 °C) holdes nesten uendret. Det ble utført forsøk for å redusere intensiteten av den andre toppen ved å endre dopantkonsentrasjonen. Det ble funnet at den andre TL-toppen er minimal i LiMgPO4:B (LMP-N) med et peak3/peak2-forhold på 2,7, sammenlignet med 0,63 for LMP (Menon et al. 2018). Denne modifiserte versjonen av fosforet, LiMgPO4:B (LMP-N), beholder alle egenskapene til LMP som høy OSL-sensitivitet og linearitet opp til 1 kGy. LMP-N har også bedre fadingegenskaper sammenlignet med LMP. OSL-signalet i LMP stabiliseres (på grunn av fading) på cirka 70 % av den opprinnelige OSL-intensiteten, mens LMP-N stabiliseres på 85 %. Ved å bruke passende prosedyrer for fading-korreksjon kan LMP-N brukes i ulike dosimetriske applikasjoner for et bredt spekter av doser, særlig i lavdoseområdet for dosimetri ved matirrasjon.

I tillegg til dosimetrisk karakterisering, ble det også gjort forsøk for å forstå naturen av TL og OSL i LMP. Det ble bekreftet at OSL-signalet i dette fosforet stammer fra fem optisk sensitive feller med forskjellige fotoioniserings tverrsnitt, og de samme fellene er ansvarlige for både TL og OSL i dette fosforet (Singh et al. 2012). OSL-bidragene fra første, andre og tredje TL-peak ble rapportert å være omtrent 33 %, 45 %, og 22 % henholdsvis (Munish et al. 2011).