Nanokryształ półprzewodnikowy rdzeń-powłoka
Półprzewodnikowe nanokryształy typu rdzeń-powłoka ( CSSNC ) to klasa materiałów, które mają właściwości pośrednie między właściwościami małych, pojedynczych cząsteczek a masowymi, krystalicznymi półprzewodnikami. Są wyjątkowe ze względu na ich łatwo modułowe właściwości, które wynikają z ich wielkości. Te nanokryształy składają się z z kropek kwantowych i powłoki z odrębnego materiału półprzewodnikowego . Rdzeń i powłoka zazwyczaj składają się z półprzewodników typu II–VI, IV–VI i III–V, w konfiguracjach takich jak CdS/ZnS, CdSe/ZnS, CdSe/CdS i InAs/CdSe (typowy zapis to: rdzeń /shell) Organicznie pasywowane kropki kwantowe mają niską wydajność kwantową fluorescencji z powodu stanów pułapek związanych z powierzchnią. CSSNC rozwiązują ten problem, ponieważ powłoka zwiększa wydajność kwantową poprzez pasywację stanów pułapek powierzchniowych. Ponadto powłoka zapewnia ochronę przed zmianami środowiskowymi, degradacją fotooksydacyjną i stanowi kolejną drogę do modułowości. Precyzyjna kontrola rozmiaru, kształtu i składu zarówno rdzenia, jak i powłoki umożliwia dostrojenie długości fali emisji w szerszym zakresie długości fal niż w przypadku każdego pojedynczego półprzewodnika. Materiały te znalazły zastosowanie w systemach biologicznych i optyce.
Tło
Koloidalne nanokryształy półprzewodnikowe, zwane również kropkami kwantowymi (QD), składają się z nanocząstek półprzewodnikowych o średnicy ~ 1–10 nm , które mają organiczne ligandy związane z ich powierzchnią. Te nanomateriały znalazły zastosowanie w nanoskalowych urządzeniach fotonicznych, fotowoltaicznych i diodach elektroluminescencyjnych (LED) ze względu na ich zależne od rozmiaru właściwości optyczne i elektroniczne. Kropki kwantowe są popularną alternatywą dla barwników organicznych jako etykiety fluorescencyjne do obrazowania biologicznego i wykrywania ze względu na ich mały rozmiar, regulowaną emisję i fotostabilność.
Właściwości luminescencyjne kropek kwantowych wynikają z rozpadu ekscytonu (rekombinacji par dziur elektronowych), który może przebiegać drogą radiacyjną lub niepromienistą. Ścieżka promieniowania polega na relaksacji elektronów z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego poprzez emisję fotonów o długości fali odpowiadającej pasmowi wzbronionemu półprzewodnika. Rekombinacja nieradiacyjna może zachodzić poprzez uwalnianie energii poprzez emisję fononów lub rekombinację Augera . W tym reżimie wielkości efekty uwięzienia kwantowego prowadzą do zależnego od rozmiaru rosnącego pasma wzbronionego z obserwowalnymi, skwantowanymi poziomami energii. Skwantowane poziomy energii obserwowane w kropkach kwantowych prowadzą do struktur elektronowych pośrednich między pojedynczymi cząsteczkami, które mają pojedynczą HOMO - LUMO , a masowymi półprzewodnikami, które mają ciągłe poziomy energii w pasmach
Nanokryształy półprzewodnikowe na ogół przyjmują taką samą strukturę krystaliczną jak ich rozciągnięte ciała stałe. Na powierzchni kryształu okresowość nagle się zatrzymuje, w wyniku czego atomy powierzchniowe mają niższą liczbę koordynacyjną niż atomy wewnętrzne. To niepełne wiązanie (w stosunku do wewnętrznej struktury kryształu) skutkuje orbitalami atomowymi, które są skierowane z dala od powierzchni, zwane „wiszącymi orbitalami” lub niepasywowanymi orbitalami. Zwisające orbitale powierzchniowe są zlokalizowane i mają niewielki ładunek ujemny lub dodatni. Postawiono hipotezę, że słabe oddziaływanie między niejednorodnymi naładowanymi stanami energetycznymi na powierzchni tworzy strukturę pasmową. Jeśli energia zwisającego pasma orbitalnego mieści się w paśmie wzbronionym półprzewodnika, elektrony i dziury mogą zostać uwięzione na powierzchni kryształu. Na przykład w kropkach kwantowych CdSe zwisające orbitale Cd działają jak pułapki na elektrony, podczas gdy zwisające orbitale Se działają jak pułapki na dziury. Również defekty powierzchniowe w strukturze kryształu mogą działać jako pułapki nośników ładunku.
Uwięzienie nośnika ładunku na QD zwiększa prawdopodobieństwo rekombinacji niepromienistej, co zmniejsza wydajność kwantową fluorescencji. Ligandy organiczne związane z powierzchnią są zwykle używane do koordynowania z atomami powierzchniowymi o zmniejszonej liczbie koordynacyjnej w celu pasywacji pułapek powierzchniowych. Na przykład tlenek tri-n-oktylofosfiny (TOPO) i trioktylofosfina (TOP) zostały użyte do kontrolowania warunków wzrostu i pasywacji pułapek powierzchniowych wysokiej jakości kropek kwantowych CdSe. Chociaż ta metoda zapewnia wąskie rozkłady wielkości i dobrą krystaliczność, wydajność kwantowa wynosi ~ 5–15%. Alkilaminy zostały włączone do metody syntezy TOP/TOPO w celu zwiększenia wydajności kwantowej do ~50%.
Głównym wyzwaniem w stosowaniu ligandów organicznych do pasywacji pułapek powierzchniowych kropek kwantowych jest trudność w jednoczesnej pasywacji zarówno anionowych, jak i kationowych pułapek powierzchniowych. Zawada steryczna między masywnymi ligandami organicznymi powoduje niepełne pokrycie powierzchni i niepasywowane zwisające orbitale. Rosnące epitaksjalne nieorganiczne powłoki półprzewodnikowe nad kropkami kwantowymi hamują fotoutlenianie i umożliwiają pasywację zarówno anionowych, jak i kationowych stanów pułapek powierzchniowych. Ponieważ fotogenerowane nośniki ładunku są mniej podatne na uwięzienie, wzrasta prawdopodobieństwo rozpadu ekscytonów na ścieżce promieniowania. Zsyntetyzowano nanokryształy CdSe / CdS i ZnSe / CdSe, które wykazują odpowiednio 85% i 80–90% wydajności kwantowej.
Architektura nanokryształów półprzewodnikowych typu rdzeń-powłoka była początkowo badana w latach 80. XX wieku, po czym nastąpił gwałtowny wzrost publikacji na temat metod syntetycznych w latach 90.
Klasyfikacja nanokryształów półprzewodnikowych typu rdzeń-powłoka
Właściwości nanokryształów półprzewodnikowych rdzeń-powłoka są oparte na względnym przewodnictwie i wyrównaniu krawędzi pasma walencyjnego rdzenia i powłoki. W heterostrukturach półprzewodnikowych typu I elektron i dziury mają tendencję do lokalizowania się w rdzeniu. W heterostrukturach typu II jeden nośnik jest zlokalizowany w powłoce, a drugi w rdzeniu.
typ I
- Opis
W CSSNC typu I pasmo wzbronione rdzenia jest mniejsze niż pasmo wzbronione powłoki. Zarówno krawędzie pasma przewodnictwa, jak i pasma walencyjnego rdzenia leżą w paśmie wzbronionym powłoki, która ogranicza zarówno elektrony, jak i dziury w rdzeniu. Można to zobaczyć na rysunku X, gdzie elektron i dziura ekscytonu na interfejsie CdSe (przerwa wzbroniona: 1,74 eV) /CdS (przerwa wzbroniona: 2,42 eV) zajmują stany energetyczne w rdzeniu CdSe, co odpowiada najniższej dostępnej separacji energii . Długość fali emisji spowodowana radiacyjną rekombinacją elektron-dziura w rdzeniu jest nieznacznie przesunięta ku czerwieni w porównaniu z niepowlekanym CdSe.
- Przykłady
CdSe/CdS, CdSe/ZnS, InAs/CdSe i ZnO/MgO
Odwróć typ I
- Opis
W konfiguracji odwrotnej typu I rdzeń ma szersze pasmo wzbronione niż powłoka, a krawędzie pasma przewodnictwa i walencyjnego powłoki leżą wewnątrz rdzenia. Najniższa dostępna separacja energii ekscytonów występuje, gdy nośniki ładunku są zlokalizowane w powłoce. Zmiana grubości powłoki dostraja długość fali emisji.
- Przykłady
CdS/HgS, CdS/CdSe, ZnSe/CdSe i MgO/ZnO
Typ II
- Opis
W konfiguracji typu II krawędź pasma walencyjnego i przewodnictwa rdzenia jest zarówno niższa, jak i wyższa niż krawędź pasma powłoki. Przykład typu II pokazano na rysunku X, ZnTe (przerwa wzbroniona: 2,26)/CdSe (przerwa wzbroniona: 1,74). Najniższa separacja energii między elektronem a dziurą wystąpi, gdy dziura będzie zamknięta w paśmie walencyjnym rdzenia ZnTe, a elektron w paśmie przewodnictwa powłoki CdSe. Długość fali emisji zostanie określona na podstawie różnicy energii między tymi zajętymi stanami, jak pokazano czerwoną strzałką, która będzie miała niższą energię niż którykolwiek z poszczególnych pasm wzbronionych. Długość fali emisji może być znacznie przesunięta ku czerwieni w porównaniu z niepasywowanym rdzeniem.
- Przykłady
ZnTe/CdSe, CdTe/CdSe, CdS/ZnSe
Domieszkowane nanokryształy półprzewodnikowe rdzeń-powłoka
Wykazano, że domieszkowanie silnie wpływa na właściwości optyczne nanokryształów półprzewodnikowych. Stężenia zanieczyszczeń w nanokryształach półprzewodnikowych hodowanych przy użyciu syntezy koloidalnej są jednak zazwyczaj niższe niż w ich odpowiednikach masowych. Pojawiło się zainteresowanie domieszkowaniem magnetycznym CSSNC do zastosowań w pamięci magnetycznej i elektronice opartej na spinach. Obrazowanie metodą rezonansu optycznego i magnetycznego (MR) w dwóch trybach zostało zbadane przez domieszkowanie powłoki CdSe / ZnS Mn, co spowodowało, że CSSNC stał się paramagnetyczny.
Synteza
Podczas syntezy nanocząstek powłoki rdzeniowej naukowcy zbadali i odkryli kilka mokrych metod chemicznych, takich jak wytrącanie chemiczne, zol-żel, mikroemulsja i tworzenie odwrotnych miceli . Metody te zostały wykorzystane do wyhodowania nanocząstek chalkogenku z rdzenia , z naciskiem na lepszą kontrolę wielkości, kształtu i rozkładu wielkości. Aby kontrolować wzrost nanocząstek o regulowanych właściwościach optycznych, zastosowano matryce pomocnicze, takie jak szkło, zeolity, polimery lub kwasy tłuszczowe. Ponadto do przygotowania nanocząstek siarczków, selenków i tellurków z powodzeniem zastosowano technikę filmową Langmuira-Blodgetta . W porównaniu z mokrymi metodami chemicznymi bardziej pożądana jest synteza elektrochemiczna, taka jak stosowanie rozpuszczalników wodnych zamiast toksycznych rozpuszczalników organicznych, tworzenie konforemnych osadów, osadzanie w temperaturze pokojowej, niski koszt i precyzyjna kontrola składu i grubości powłoki półprzewodnikowej na nanocząsteczki metali. Jednak ze względu na trudność w przygotowaniu elektrycznie adresowalnych macierzy nanocząstek zastosowanie technik elektrochemicznych do produkcji nanocząstek typu rdzeń-powłoka było trudne. Ostatnio siarczek kadmu (CdS) i jodek miedzi (CuI) hodowano elektrochemicznie na trójwymiarowej matrycy nanoelektrodowej poprzez osadzanie warstwa po warstwie naprzemiennych warstw nanocząstek i polioksometalanów (POM).
Nanokryształy półprzewodnikowe typu rdzeń-powłoka można hodować metodami chemii koloidalnej z odpowiednią kontrolą kinetyki reakcji. Za pomocą tej metody, która zapewnia stosunkowo dużą kontrolę rozmiaru i kształtu, można zsyntetyzować nanostruktury półprzewodnikowe w postaci kropek, rurek, drutów i innych form, które wykazują interesujące właściwości optyczne i elektroniczne zależne od rozmiaru. Ponieważ właściwości synergiczne wynikające z bliskiego kontaktu i interakcji między rdzeniem a powłoką, CSSNC mogą zapewniać nowe funkcje i ulepszone właściwości, których nie obserwuje się w pojedynczych nanocząstkach.
Rozmiar materiałów rdzenia i grubość otoczki można kontrolować podczas syntezy. Na przykład w syntezie nanokryształów rdzenia CdSe objętość gazowego H2S może determinować rozmiar nanokryształów rdzenia. Wraz ze wzrostem objętości H 2 S rozmiar rdzenia maleje. Alternatywnie, gdy roztwór reakcyjny osiągnie pożądaną temperaturę reakcji, szybkie chłodzenie może skutkować mniejszymi rozmiarami rdzenia. Ponadto grubość powłoki jest zwykle określana przez ilość materiału powłoki dodaną podczas procesu powlekania.
Charakteryzacja
Wzrost rozmiaru rdzenia lub długości powłoki skutkuje dłuższymi długościami fal emisji . Interfejs między rdzeniem a powłoką można dostosować, aby pasywować ścieżki relaksacji i tworzyć stany radiacyjne. Zależność wielkości pasma wzbronionego w tych nanocząstkach ze względu na efekt uwięzienia kwantowego została wykorzystana do kontrolowania koloru fotoluminescencji od niebieskiego do czerwonego poprzez przygotowanie nanocząstek o różnych rozmiarach. Manipulując rozmiarem lub kształtem nanocząstek, można kontrolować kolory luminescencji i czystość. Jednak wydajność kwantowa i jasność luminescencji CSSNC są ostatecznie ograniczone i nie można ich kontrolować ze względu na obecność pułapek powierzchniowych.
Widma absorpcyjne UV-vis, dyfrakcja rentgenowska (XRD), transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) i rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS) to techniki zwykle stosowane do identyfikacji i charakteryzowania CSSNC.
Techniki oczyszczania
Zsyntetyzowane nanokryształy rdzeń-powłoka zawierają zanieczyszczenia, takie jak nieprzereagowane prekursory , produkty uboczne reakcji, rozpuszczalniki o wysokim bp i niezbędne ligandy, które zostały użyte podczas syntezy NC do kontrolowania wzrostu. Takie zanieczyszczenia często zaburzają chemię powierzchni NC i bezpośrednio odbijają się na ich właściwościach fizycznych. Poza tym rozpuszczalnik używany podczas syntezy prawie nie przypomina rozpuszczalnika, w którym nanokryształy będą przetrzymywane podczas pomiarów różnych typów właściwości fizycznych tych NC. NC wymagany jest skuteczny sposób oczyszczania .
Istnieje kilka technik oczyszczania służących do oczyszczania CSNC z roztworu CSNC po syntezie. Kilka z nich omówiono poniżej:
Techniki oczyszczania oparte na polaryzacji
Wytrącanie i ponowne rozpuszczanie
Ogólnie rzecz biorąc, podczas syntezy CSNC często stosuje się wysokowrzące rozpuszczalniki niepolarne. Wprowadzając antyrozpuszczalnik (rozpuszczalnik, w którym pożądany produkt jest nierozpuszczalny) do mieszaniny rozpuszczalników można uzyskać flokulowaną postać CSNC. Wprowadzanie do takich roztworów antyrozpuszczalnika zwiększa polarność tej mieszaniny rozpuszczalników, która przede wszystkim reguluje flokulację . Jednak te sflokulowane CSNC można następnie wytrącić z roztworu, wykorzystując siłę grawitacji lub za pomocą wirowania . To wytrąciło CSNC, oddzielone od zanieczyszczeń, a następnie ponownie zdyspergowane w czystym rozpuszczalniku. Powtarzając ten proces wiele razy, można uzyskać czystszą formę CSNC. Dzięki tej metodzie można znaleźć rozproszone CSNC o rozdrobnionym rozmiarze , dodając minimalną ilość przeciwrozpuszczalnika do momentu, w którym flokulacja CSNC właśnie zaczyna się pojawiać, zamiast w pełni wytrącać CSNC.
Główną zaletą metody PR jest to, że jest skalowalna, stąd ta metoda jest od początku preferowana przez naukowców jako podstawowa technika oczyszczania dla CSNC. Jednak ta metoda ma pewne wady. Na przykład, często właściwości rozpuszczalności zanieczyszczeń w zsyntetyzowanym roztworze CSNC są prawie podobne do właściwości CSNC, co utrudnia ich wydzielenie z zanieczyszczeń tą metodą. Inną wadą tej metody jest to, że może ona powodować znaczne uszkodzenia powierzchni CSNC, co negatywnie wpływa na ich właściwości fizyczne. Na przykład w 2012 roku grupa Hens wykazała, że metanol, antyrozpuszczalnik, wypiera natywny ligand z powierzchni CSNC w reakcji z powierzchnią tego CSNC, co zmniejsza stabilność CSNC, również negatywnie wpływa na jego właściwości optyczne .
Ekstrakcja
Proces ekstrakcji ciecz-ciecz może być wykorzystany jako technika oczyszczania dla CSNC. Gdy rozpuszczalnik ekstrakcyjny jest wprowadzany do roztworu CSNC po syntezie, ze względu na współczynnik podziału CSNC i zanieczyszczenia są redystrybuowane do różnych faz. Ta metoda ma tę przewagę nad omówioną wcześniej metodą PR, że jest procesem znacznie łagodniejszym niż metoda PR. Ponieważ podczas ekstrakcji CSNC mają tendencję do pozostawania w fazie natywnej, stąd prawdopodobieństwo wystąpienia niepożądanej nieodwracalnej agregacji CSNC jest mniejsze.
Wadą tej metody jest to, że wymaga ona wielu cykli ekstrakcji w celu uzyskania skutecznej ekstrakcji, co jest czasochłonne. Oprócz tego podobieństwo polarności między zanieczyszczeniami a CSNC znacznie ogranicza jego skuteczność jako metody oczyszczania CSNC. Aby zwiększyć wydajność ekstrakcji, czasami wraz z pierwotnym rozpuszczalnikiem ekstrakcyjnym można zastosować koekstratanty. Połączenie zarówno metody PR, jak i metody ekstrakcji często może prowadzić do lepszego oczyszczania CSNC.
Oczyszczanie na podstawie elektroforezy
elektroforezy są powszechne jako technika oczyszczania przede wszystkim białek , DNA i RNA . Techniki elektroforezy wykorzystują ruchliwość dwóch lub więcej różnych gatunków - różniących się wielkością, ładunkiem lub powinowactwem wiązania - w polu elektrycznym w celu oddzielenia ich od siebie. Nanonaukowcy używają również elektroforezy do oddzielania CSNC od zanieczyszczeń. Liczne dowody wskazują, że CSNC można skutecznie oczyszczać za pomocą elektroforezy żelowej . Ponieważ jednak oczyszczanie CSNC za pomocą elektroforezy żelowej jest bardzo czasochłonne, ostatnio nanonaukowcy przechodzą na bardziej zaawansowane techniki elektroforezy swobodnego przepływu (FFE) i osadzania elektroforetycznego (EPD) .
Aplikacje
Jedną z najważniejszych właściwości nanokryształów półprzewodnikowych typu rdzeń-powłoka (CSSNC) jest to, że ich rdzenie, którymi są kropki kwantowe , fluoryzują , co jest ważne w ich zastosowaniach biomedycznych i optycznych. Powłoki są wysoce modułowe, a zatem można zmieniać właściwości masowe, takie jak rozpuszczalność i aktywność CSSNC.
Zastosowania biomedyczne
Właściwości pożądane CSSNC przy stosowaniu ich do zastosowań biologicznych obejmują wysoką wydajność kwantową , wąską emisję fluorescencji, szeroki profil absorpcji, stabilność przed fotowybielaniem , 20-sekundowy czas życia fluorescencji i wysoką jasność. Wysokie wydajności kwantowe oznaczają, że do wywołania fluorescencji trzeba będzie wprowadzić minimalną energię do kropki kwantowej. Wąska emisja fluorescencji pozwala na jednoczesne obrazowanie wielu kolorów bez nakładania się kolorów między różnymi typami CSSNC. Posiadanie szerokiego profilu absorpcji pozwala na wzbudzenie wielu CSSNC przy tej samej długości fali, a zatem wiele CSSNC może być obrazowanych jednocześnie. Posiadanie 20-sekundowego czasu życia fluorescencji pozwala na bioobrazowanie z rozdzielczością czasową. Użyteczność CSSNC polega na tym, że mogą one stanowić uzupełnienie organicznych fluoroforów . CSSNC są mniej podatne na fotowybielanie, ale mniej o nich wiadomo w porównaniu z organicznymi fluoroforami. CSSNC mają 100–1000 razy większą wydajność fluorescencji dwufotonowej niż barwniki organiczne, co jest przykładem ich wartości. W przypadkach, w których CSSNC są używane w środowisku biologicznym, rdzeniem jest kropka kwantowa, a powłoką może być cząsteczka organiczna lub ligandy biologiczne, takie jak DNA, które są wykorzystywane do biokompatybilności i ukierunkowania. Powłoka może być również cząsteczką organiczną, z którą później sprzężona jest cząsteczka biologiczna, co zwiększa modułowość struktury rdzeń-powłoka. Najpopularniejszą stosowaną parą rdzeń/powłoka jest rdzeń CdSe z powłoką ZnS lub CdS, która poprawia wydajność kwantową i chroni przed fotowybielaniem w porównaniu z samym materiałem rdzenia. Rozmiar CSSNC jest bezpośrednio skorelowany z kolorem fluorescencji, dlatego pożądana jest możliwość kontrolowania wielkości cząstek. Jednak ogólnie nie wiadomo, w jaki sposób cząsteczki otoczki, stężenie soli, pH i temperatura mediów wpływają na właściwości CSSNC i pozostają empiryczne.
Znakowanie komórek in vitro
Ponieważ można obrazować wiele kolorów, zdolność CSSNC do wykorzystania w etykietowaniu komórek ma coraz większe znaczenie. Jednak przeniesienie CSSNC przez błonę komórkową może być trudne. Osiągnięto to poprzez endocytozę (najbardziej powszechną metodę), bezpośrednią mikroiniekcję i elektroporację , a gdy znajdą się w komórce, koncentrują się w jądrze i mogą tam pozostawać przez dłuższy czas. Gdy CSSNC znajdą się w komórkach, pozostają nawet po podziale komórkowym i można je obrazować zarówno w komórkach macierzystych, jak i potomnych. Ta konkretna technika została pokazana przy użyciu zarodków Xenopus . Innym przykładem CSSNC jest ich zdolność śledzenia; kiedy komórki są umieszczane na matrycy 2D z osadzonymi CSSNC, komórki pobierają CSSNC podczas ruchu, pozostawiając ślad postrzegany jako brak CSSNC. Oznacza to, że można obrazować ruchliwość komórek, co jest ważne, ponieważ wykazano, że potencjał przerzutowy komórek tkanki piersi wzrasta wraz z mobilnością. Wykazano również, że przy użyciu pięciu różnych CSSNC jednocześnie można wykryć pięć różnych toksyn.
W dążeniu do bardziej przyjaznych dla środowiska i mniej toksycznych CSSNC opracowano kropki kwantowe Si z różnymi powłokami. Si jest 10 razy bezpieczniejszy niż Cd, a obecne prace koncentrują się na uczynieniu Si bardziej rozpuszczalnym w wodzie i biokompatybilnym. W szczególności do znakowania komórek zastosowano kropki kwantowe Si z powłokami z poli(kwasu akrylowego) i alliloaminy. Inne zastosowania in vitro obejmują cyklometrię przepływową, wykrywanie patogenów oraz wykrywanie genomiczne i proteomiczne.
Obrazowanie in vivo i tkanek głębokich
Ponieważ CSSNC emitują w obszarze bliskiej podczerwieni (700–900 nm) widma elektromagnetycznego , ich obrazowanie nie jest skomplikowane przez autofluorescencję tkanki, która występuje przy wyższych częstotliwościach (400–600 nm) i efekty rozpraszania. Zostało to wykorzystane do mapowania wartowniczych węzłów chłonnych w chirurgii raka u zwierząt. Zobrazowano węzły chłonne o głębokości 1 cm i stwierdzono, że wycięte węzły z akumulacją CSSNC mają największe prawdopodobieństwo obecności komórek przerzutowych. Ponadto wykazano, że CSSNC pozostają fluorescencyjne w komórkach in vivo przez 4 miesiące. Aby śledzić i diagnozować komórki nowotworowe, zastosowano znakowane komórki linii komórkowej raka płaskonabłonkowego U14, a obrazy fluorescencyjne można było zobaczyć po 6 godzinach. CSSNC skoniugowane z doksorubicyną zastosowano również do namierzania, obrazowania i wykrywania komórek raka prostaty, które wyrażają białko antygenu błonowego specyficznego dla prostaty. Najbardziej popularne w obrazowaniu ukierunkowanym na nowotwór jest stosowanie przeciwciał swoistych dla raka skoniugowanych z QD z otoczkami polimerowymi.
Główną wadą wykorzystania CSSNC do obrazowania in vivo jest brak informacji na temat ich wydalania i toksyczności. Typowe użyte rdzenie wykazują uszkodzenie DNA i toksyczność w stosunku do komórek wątroby, ale użycie muszli wydaje się zmniejszać ten efekt. Badane jest zastosowanie innych substancji w rdzeniu, takich jak pierwiastki ziem rzadkich i Si, w celu zmniejszenia toksyczności. Inne wady obejmują ograniczoną dostępność komercyjną, zmienność chemii powierzchni, niespecyficzne wiązanie i ograniczenia dotyczące instrumentu.
Optyka
Rozmiar, kształt i skład struktury rdzeń-powłoka są związane z pasmem wzbronionym , które z kolei jest związane z jego właściwościami optycznymi. W ten sposób, modulując rozmiar, kształt i materiał rdzenia, optykę można dostroić i zoptymalizować do użytku w urządzeniach optycznych i zastosowaniach, takich jak diody LED , detektory, lasery , luminofory i fotowoltaika .
diody LED
Obecnie wydajność CSSNC LED jest mniejsza niż organicznych diod LED. Jednak badania pokazują, że mają potencjał, aby osiągnąć to, czego organiczne diody LED nie mogą. Diody LED CSSNC skonstruowane przy użyciu wielu warstw CSSNC skutkowały słabym przewodnictwem, nierównowagą ładunku, niską wydajnością luminescencyjną i dużą liczbą defektów otworkowych. Diody zbudowane z jednej monowarstwy pozwalają uniknąć tych problemów. Zaletą diod LED CSSNC w porównaniu z organicznymi diodami LED jest to, że diody CSSNC mają węższą emisję, zaledwie 32 nm, niż organiczne diody LED, które wahają się od 50–100 nm. W szczególności motyw rdzeń-powłoka jest pożądany do stosowania w diodach LED ze względu na ich wydajność kwantową elektroluminescencji i fotoluminescencji oraz ich zdolność do łatwego przetwarzania w urządzenia. Obecne cele dotyczące wyświetlaczy LED obejmują opracowanie materiałów o długości fali emisji 610–620 nm dla wyświetlaczy czerwonych, 525–530 nm dla wyświetlaczy zielonych i 460–470 nm dla wyświetlaczy niebieskich. Dzieje się tak, ponieważ te długości fal maksymalizują postrzeganą moc i leżą poza standardowym trójkątem kolorów National Television System Committee. Zsyntetyzowano CSSNC, które spełniają następujące emisje długości fali: (CdSe) ZnS dla emisji czerwonej, (CdS) ZnS dla emisji niebieskiej i (Cd x Zn 1-x Se) Cd y Zn 1-y S dla emisji zielonej. Wykorzystując rdzeń CdSe i powłoki ZnS lub CdS/ZnS, maksymalne wartości luminancji czerwonych, pomarańczowych, żółtych i zielonych diod LED zostały poprawione odpowiednio do 9064, 3200, 4470 i 3700 cd·m- 2 ; wydajność elektroluminescencyjna (1,1–2,8 cd A -1 ) i napięcia włączania (3–4 V) również zostały zwiększone.
Lasery
W CSSNC z tylko jednym ekscytonem absorpcja i wymuszona emisja zachodzą jednakowo, aw CSSNC z więcej niż jednym ekscytonem zachodzi nieradiacyjna rekombinacja Augera , która zanika wzmocnienie optyczne, ważną cechę laserów. Jednak CSSNC typu II, CdS / ZnSe, zostały użyte do wzmocnienia optycznego ze stymulowanej emisji stanów pojedynczego ekscytonu, eliminując rekombinację Augera. Ma to tę zaletę, że próg lasera można obniżyć przy wzbudzeniu falą ciągłą, zwiększając potencjał CSSNC jako nośnika wzmocnienia optycznego. CSSNC typu II oddzielają elektrony i dziury pary ekscytonów, co prowadzi do silnego pola elektrycznego, a tym samym do zmniejszenia strat absorpcyjnych.
Fosfory
Łącząc modułowość CSSNC i stabilność polimeru organicznego, opracowano szeroką gamę kolorów luminoforów. Rdzeń CdSe / powłoka ZnS CSSNC są używane do generowania kolorów od niebieskawo zielonego do czerwonego, a (CdS) ZnS QD są używane do generowania kolorów od fioletowego do niebieskiego. Mieszając odpowiednie ilości CSSNC o różnych rozmiarach, można uzyskać cały widzialny zakres z wąskimi profilami emisji i wysokimi wydajnościami kwantowymi fotoluminescencji.
Barwnikowe ogniwa słoneczne
Zsyntetyzowano nanostruktury rdzeń-powłoka ZnO-TiO 2 z szybkim transportem elektronów i dużą powierzchnią właściwą, łącząc właściwości nanoprętów ZnO i nanocząstek TiO 2 . Ponieważ nanopręty ZnO mają szybki transport elektronów, a nanocząstki TiO 2 mają dużą powierzchnię właściwą. Zsyntetyzowano nanoprzewody rdzeń-powłoka ZnO-MgO, poprawiając wydajność barwnikowych ogniw słonecznych o 400% w porównaniu z nanoprzewodami ZnO. Powłoka MgO działa jak skuteczny tunel izolacyjny zapobiegający rekombinacji.