Nanoszerkezetek tervezése és jellemzése biomarker, magnetométer és napelem alkalmazásokban Gali Ádám
ELTE Ortvay kollokvium 2010.10.07.
Nanokristály: nanométer átmérőjű kristályok Si nanokristály
d≈9nm; ≈10000 atom Jellemzők: • belső kristályos szerkezet • néhány nanométeres átmérő • nagy a felület/térfogat arány
d≈1nm; ≈60 atom
Félvezető nanokristályok különleges tulajdonságai UV fénnyel világítva Kolloid CdSe NC hexánba n oldva
méret nő CdSe/ZnS mag/héj szerkezet nem oldódik vízben és könnyen összetapadnak hosszú szénláncok a felületen
Félvezető nanokristályok: biológiai alkalmazás
Problémák: • Cd ion mérgező
megcélzott (rákos) sejtek
• hidrodinamikus mérete túl nagy • gyakran villog a gerjesztő fény hatására • in vivo érzékeléshez közeli infravörös tartományban lenne jó a fénykibocsátás
Félvezető nanokristályok Használjunk olyan félvezető nanoklasztert, amely • biokompatibilis • eléggé kisméretű • esetleg infravörös fénykibocsátása van Megoldás: szilíciumkarbid (SiC) nanokristályok? • SiC csontimplantátumokat használnak • kisméretű, világító SiC nanokristályokat sikerült nemrég előállítani
SiC nanokristályok Friss eredmények: biológia alkalmazások felületi kezelés nélkül [Fan et al., Small 4 (2008) embermagzati csontképző sejtek 1058]:
Abszorpció: 2.5 eV-tól indul
Nem találtak mérgező hatást!
QY~17%
SiC nanokristályok Friss eredmények: biológia alkalmazások felületi kezelés nélkül [Botsoa et al., APL 92 (2008) 173902]
3T3-L1 kötőszöveti sejttenyészet: két sejt közelről
Abszorpció: 1.8 eV-tól indul!
Nem találtak mérgező hatást!
Elmélet - TDDFT • Effektív potenciálban mozgó független részecskék: DFT, sűrűségfunkcionál-elmélet (determináns megoldás), alapáll. • DFT → TDDFT, időfüggő gerjesztések (lineáris válaszelmélet) • Ab initio, DE közelítések: Exc, fxc
Elméletben egzakt gyakorlatban átlagtérelmélet
SiC NC: kezdeti eredmények
SiC NC alapú biomarkerek: megvalósítási terv Projekt koordinátor: Gali Ádám (SZFKI) – GOP pályázat 1.1.1 SZFKI: ötlet és javaslat adalékolt SiC NC létrehozására (új elméleti csoport) MFA: létrehozás (és címkézés?) SZFKI: IR és PL mérések a SiC NC mintákon; mérések értelmezése (új elméleti csoport) SZBK és KOKI: a megcímzett SiC NC-k in vitro és in vivo alkalmazása Ipari partner: ThalesNano Zrt(?)
EU FP7 projekt szervezése: Linköping Egyetem, Karolinska Intézet (SW), Lyon Egyetem (Fr), SZFKI, MFA, ThalesNano (HU), PlasmaChem Gmbh (D).
Napelemek Probléma: • jó hatásfokú, de drága • olcsó, de rossz hatásfokú • 3. generációs napelemek: újszerű megoldások, amelyek nagyon jó hatásfokúak, de nem drágák
Szilícium nanokristályok és a MEG • Gyémántrács, sp3 • Jó hővezető, … • Félvezető – Indirekt tiltottsáv: 1.12 eV
3 inch-es szeletek
Multi Exciton Generáció tömbi anyag
nanokristály
Shockley-Queisser limit: c-Si, AM1.5G* megvilágítás, T=300K 33%
• Victor Klimov, APL 89 123118 (2006) • Beard et al., „Multiple exciton generation in semiconductor nanocrystals: Toward efficient solar energy conversion”, Laser & Photon. Rev. 2 377 (2008) * Part of the standard test conditions for PV cells. The intensity of insolation equivalent to the Sun shining through the atmosphere to sea level, with oxygen and nitrogen absorption, at an oblique angle 48.2deg from the zenith.”
MEG
• Eran Rabani, and Roi Bae, „Distribution of Multiexciton GenerationRates in CdSe and InAs Nanocrystals”, Nano Letters 8 4488-4492 (2008) • A. Franceschetti, J. M. An, and A. Zunger, „Impact Ionization Can Explain Carrier Multiplication in PbSe Quantum Dots”, Nano Letters 6, 2191 (2006)
MEG •
• •
Egy elnyelt foton → több e-lyuk pár → >100% belső kvantum hatásfok (IQE) → napelem! Nincs egyértelmű magyarázat a jelenségre – Phonon bottleneck – Impakt ionizáció
Ellentmondások:
– Nem megismételhető mérés
Felületi állapotok szerepe, oldószer hatások
–
„csatolt” nanokristályok
• Beard et al., „Variations in the Quantum Efficiency of Multiple Exciton Generation for a Series of Chemically Treated PbSe Nanocrystal Films”, Nano Letters 9, 836 (2009) • Luther et al., „Multiple Exciton Generation in Films of Electronically Coupled PbSe Quantum Dots”, Nano Letters 7, 1779 (2007)
Miért pont Si? • • • •
Mért MEG effektus Si nem mérgező Kiforrott technológia Hosszabb exciton élettartam, mint pl. ólomsókban (PbS)
• Beard et al., „Multiple Exciton Generation in Colloidal Silicon Nanocrystals”, Nano Letters 7, 2506 (2007)
Si nanokristályok • Td szimmetria • Si66H64, Si220H144 • d=1.2 nm, 2 nm • „ideális” PBE Gap : 2.93 eV, 2 eV Rekonstruált PBE Gap: 1.93 eV, 1.95 eV • ab initio TDPBE abszorpciós spektrum (nincs félempirikus tag) • Periodikus számolások • Vizsgáltuk: – alkil csoportok, – kölcsönható nanokristályok, – rekonstrukció hatását. • Adam Gali, Márton Vörös, Dario Rocca, Gergely T. Zimanyi, and Giulia Galli, „High-Energy Excitations in Silicon Nanoparticles”, Nano Letters 9 3780 (2009)
Alkil csoportok hatása Növekedés az integrált abszorpcióban: [0; 6 eV]: 46% [0; 9 eV]: 9%
Növekedés az integrált abszorpcióban: [0; 6 eV]: 126% [0; 9 eV]: 65%
Kölcsönható nanokristályok
Növekedés az integrált abszorpcióban: [0; 6 eV]: 61% [0; 9 eV]: 27%
Rekonstrukció hatása Növekedés az integrált abszorpcióban: [0; 4.5 eV]: 34% [0; 9 eV]: 2%
Felületi csapda állapotok: Hosszabb élettartam (~1/f)
Összefoglalás • Magas energiás állapotok kölcsönhatása – Megváltozott MEG hatásfok
• Rekonstrukció – Hosszú élettartamú csapda állapotok
• Oldat hatása (kémiai kötések) – Abszorpció jelentősen függ a funkciós csoporttól
Eredmények…
Nano Letters
MRS Bulletin 2010, Jan.
További fejlesztések és tervek DMR-1035468 - SOLAR Collaborative: Multiple Exciton Generation and Charge Extraction in All-Inorganic Nanostructured Solar Cells (budget: $1,204,503) NSF programban Gali Ádám résztvevő; kísérleti és elméleti csoportok együttműködése; SZFKI kísérleti csoportját is bevontuk További munka: • Soktestprobléma perturbációs módszereivel („GW+BSE”) abszorpció számolás • Impakt Ionizáció számolása perturbatív módon:
Köszönöm a figyelmet!
GOP pályázat • • • • •
Szabadalomkutatás Szinopszis a GOP pályázathoz Ötletek a ThalesNano-tól FP7 szabadalmi jogok? GOP pályázatban ipari jog szabályozás
• 2010 július 2.
