Nanoparticules semi-conductrices

Une nanoparticule (ou nanopoudre ou nanocluster ou nanocristal) est une particule microscopique ayant au moins une dimension moins de 100 nm. Les nanoparticules sont d'un grand intérêt scientifique car elles constituent effectivement un pont entre les matériaux en vrac et les structures atomiques ou moléculaires. Les nanoparticules présentent un certain nombre de propriétés spéciales par rapport aux matériaux en vrac. Les nanoparticules de nombreux autres matériaux, y compris les métaux, les oxydes métalliques ; des carbures, des borures, des nitrures, du silicium et d'autres semi-conducteurs élémentaires sont disponibles.
Mécanisme
Leurs propriétés physiques uniques sont dues aux atomes résidant à la surface. L'excitation d'un électron de la bande de cantonnière à la bande de conduction crée une paire de trous d'électrons. La recombinaison peut se produire de deux manières :radiative et non radiative conduisant à une recombinaison radiative en photon et une recombinaison non radiative en phonon (vibrations du réseau).
De plus, la bande interdite s'élargit progressivement en raison des effets de confinement quantique donnant naissance à une énergie discrète. niveaux, plutôt qu'une bande continue comme dans le matériau en vrac correspondant. En outre, le problème de l'agglomération des particules est surmonté en passivant (coiffant) les atomes de surface « nus » avec des groupes protecteurs pour fournir une stabilisation électronique à la surface. L'agent de coiffage prend habituellement la forme d'un composé à base de Lewis lié de manière covalente à des atomes métalliques de surface.
Synthèse de nanoparticules
Il existe différentes méthodes pour la synthèse de nanoparticules et la technique de synthèse est fonction du matériau, de la taille souhaitée, de la quantité et de la qualité de la dispersion.
Les techniques de synthèse sont la phase vapeur (faisceaux moléculaires, synthèse de flamme etc) et synthèse en phase solution (solution aqueuse et solution non aqueuse). La synthèse des nanoparticules semi-conductrices se produit généralement par la réduction rapide des précurseurs organométalliques dans les composés organiques chauds avec des tensioactifs.
Peu de nanoparticules semi-conductrices sont :
II-VI :CdS, CdSe, PbS, ZnS
III-V :InP, InAs
MO :TiO2, ZnO, Fe2O3, PbO, Y2O3
Applications
Les nanoparticules possèdent souvent des propriétés optiques inattendues car elles sont suffisamment petites pour confiner leurs électrons et produire des effets quantiques. Par exemple, les nanoparticules d'or apparaissent d'un rouge foncé à noir en solution. Les nanoparticules d'or jaune et de silicium gris sont de couleur rouge. Les nanoparticules d'or fondent à des températures beaucoup plus basses (~300 °C pour une taille de 2,5 nm) que les plaques d'or (1064 °C). L'absorption du rayonnement solaire est beaucoup plus élevée dans les matériaux composés de nanoparticules que dans les films minces de feuilles continues de matériau. Dans les applications solaires photovoltaïques et solaires thermiques, en contrôlant la taille, la forme et le matériau des particules, il est possible de contrôler l'absorption solaire. Les nanoparticules d'argile lorsqu'elles sont incorporées dans des matrices polymères augmentent le renforcement, conduisant à des plastiques plus résistants, vérifiables par une température de transition vitreuse plus élevée et d'autres tests de propriétés mécaniques. Ces nanoparticules sont dures et confèrent leurs propriétés au polymère (plastique). Des nanoparticules ont également été attachées à des fibres textiles afin de créer des vêtements intelligents et fonctionnels.
Des chercheurs de l'University College of London ont rapporté dans Science qu'une suspension de nanoparticules de dioxyde de titane enrobées qui peut être peinte par pulvérisation ou enduite par immersion sur un gamme de surfaces dures et molles, y compris le papier, le tissu et le verre, produisent des revêtements super hydrophobes qui résistent à l'huile et sont autonettoyants à l'air. Les revêtements ont résisté au frottement, aux rayures et à la contamination de surface, facteurs souvent exacerbés dans la plupart des technologies d'autonettoyage.
Ils rapportent en outre que les additifs à nanoparticules indiquent une opportunité majeure d'améliorer l'efficacité énergétique des grands systèmes de refroidissement industriels, commerciaux et institutionnels. connus sous le nom de refroidisseurs.
Les nanoparticules d'argent ont des propriétés optiques, électriques et thermiques uniques et sont incorporées dans des produits allant des capteurs photovoltaïques aux capteurs biologiques et chimiques. Les exemples incluent les encres, pâtes et charges conductrices qui utilisent des nanoparticules d'argent pour leur conductivité électrique élevée, leur stabilité et leurs basses températures de frittage. D'autres applications incluent les diagnostics moléculaires et les dispositifs photoniques, qui tirent parti des nouvelles propriétés optiques de ces nanomatériaux. Une application de plus en plus courante est l'utilisation de nanoparticules d'argent pour les revêtements antimicrobiens, et de nombreux textiles, claviers, pansements et dispositifs biomédicaux contiennent désormais des nanoparticules d'argent qui libèrent en continu un faible niveau d'ions d'argent pour fournir une protection contre les bactéries. http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/silver-nanoparticles.html#sthash.WGzJEuKE.dpuf)
Les nanoparticules d'or colloïdales sont utilisées depuis des siècles par les artistes en raison des couleurs vives produites par leurs interaction avec la lumière visible. Plus récemment, ces propriétés optiques-électroniques uniques ont été recherchées et utilisées dans des applications de haute technologie telles que le photovoltaïque organique, les sondes sensorielles, les agents thérapeutiques, l'administration de médicaments dans les applications biologiques et médicales, les conducteurs électroniques et la catalyse. /www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/gold-nanoparticles.html#sthash.8pgtk6eI.dpuf)
Q-dots
Les nanoparticules semi-conductrices également appelées Q-dots sont généralement des particules de matériau dont le diamètre est compris entre 1 et 20 nm.
Propriétés de Q - points
Les points quantiques ont un rendement quantique élevé, souvent 20 fois plus lumineux, possèdent un spectre d'émission plus étroit et plus symétrique, 100 à 1000 fois plus stable au photo-blanchiment, possèdent une résistance élevée à la dégradation photo-/chimique et ont une plage de longueurs d'onde accordable de 400-4000 nm.
Coiffage des points quantiques
En raison de la surface extrêmement élevée d'une nanoparticule, il existe une grande quantité de « liaisons pendantes » et en ajoutant un agent de coiffage constitué d'un semi-conducteur à énergie de bande interdite plus élevée (ou plus petite) peut éliminer les liaisons pendantes et augmenter considérablement le quantum rendement. Avec l'ajout de CdS/ZnS, le rendement quantique peut être augmenté de ~5% à 55%
Applications
En raison de leurs propriétés physiques uniques, il existe de nombreuses applications potentielles dans des domaines tels que l'optique non linéaire, la luminescence, l'électronique, la catalyse, la conversion de l'énergie solaire et l'optoélectronique.