Síntese de pontos quânticos para dispositivos optoeletrônicos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2019.O desenvolvimento de nanomateriais e nanoestruturas resultam em impactos importantes na ciência e na tecnologia. Na última década, as nanopartículas inorgânicas semicondutoras conhecidas como pontos quânticos (QDs ? quantum dots) têm sido objeto de pesquisa por causa de suas propriedades únicas devido ao efeito do confinamento quântico e a dependência das emissões com o tamanho das nanopartículas. QDs são bons candidatos para aplicação em dispositivos optoeletrônicos, especialmente diodos emissores de luz e células solares, identificador biológico e liberação de drogas. Os QDs de óxido de zinco (ZnO) são considerados amigáveis ao meio ambiente. O band gap do ZnO na sua fase bulk é cerca de 3,37 eV à temperatura ambiente e uma emissão em torno de 500 nm. No presente trabalho, QDs de ZnO foram sintetizados na presença de uma molécula à base de perileno que apresenta característica líquido cristalina. As propriedades fotofísicas do sistema foram investigadas por UV-Vis e espectrofotometria de fluorescência. Surpreendentemente, o cristal líquido atuou como estabilizante da dispersão coloidal de QDs de ZnO. Métodos computacionais foram empregados partindo-se da estrutura cristalina wurtzita do ZnO para determinar o plano de interação com o cristal líquido. Experimentos fotocatalíticos demonstraram que o sistema ZnO + cristal líquido não foi afetado pela exposição à luz solar, mas atuou na fotocatálise de descoloração do azul de metileno. Os resultados da fotocatálise juntamente com testes de dopagem do cristal líquido com os QDs de ZnO, sugerem que este sistema de dois semicondutores tipo-n possui potencial de aplicação em células solares. Para os QDs de perovskita MAPbBr3, (MA = CH3NH3), um estudo de acompanhamento temporal levou ao tempo otimizado de 60 minutos para todas as sínteses. A solução precursora é produzida em um solvente altamente polar, DMF, e, em seguida, um volume preciso desse precursor é depositado em três solventes não polares diferentes, diclorobenzeno, tolueno e anisol, iniciando a formação dos QDs. As propriedades fotofísicas dos QDs foram investigadas por UV-Vis, rendimento quântico de fotoluminescência (PLQY) em solução e em filmes finos. A forma e a estrutura cristalina dos QDs foram analisadas por medidas de TEM e difração de raios-X. A morfologia dos filmes revestidos por spin-coating foi caracterizada por microscopia de força atômica. Os QDs apresentaram boa estabilidade coloidal durante os dias de armazenamento à temperatura ambiente, com PLQY superior a 90%. Este sistema demonstrou resultados satisfatórios como camada down-conversion em diodos emissores de luz-UV.Abstract: The development of nanomaterials and nanostructures results in important impacts on science and technology. In the last decade, semiconductor inorganic nanoparticles known as quantum dots (QDs) have been the subject of research because of their unique properties due to the effect of quantum confinement and the dependence of emissions on nanoparticle size. QDs are good candidates for application in optoelectronic devices, especially light-emitting diodes and solar cells, biological labels and drug delivery. Zinc oxide (ZnO) QDs are considered environmentally friendly. The ZnO band gap in its bulk phase is about 3.37 eV at room temperature and an emission range around 500 nm. In the present work, ZnO QDs were synthesized in the presence of a perylene-based molecule, which presents liquid crystalline characteristics. The photophysical properties of the system were investigated by UV-Vis fluorescence spectrophotometry. Surprisingly, the liquid crystal acted as stabilizer for the ZnO QDs colloidal dispersion. Computational methods were employed based on the ZnO wurtzite crystal structure to determine the interaction plane with the liquid crystal. Photocatalytic experiments showed that the ZnO + liquid crystal system was not affected by sunlight exposure, but it performed photocatalysis of methylene blue discoloration. The photocatalysis results together with liquid crystal doping tests with ZnO QDs suggest that this two n-type semiconductor system has potential for solar cell application. For MAPbBr3 perovskite QDs (MA = CH3NH3), a time-tracking study led to an optimized time of 60 minutes for all syntheses. The precursor solution is produced in a highly polar solvent, DMF, and then an accurate volume of this precursor is deposited in three different nonpolar solvents, dichlorobenzene, toluene and anisole, initiating the formation of QDs. The photophysical properties of QDs were investigated by UV-Vis, quantum photoluminescence yield (PLQY) in solution and in thin films. The shape and crystal structure of the QDs were analyzed by TEM and X-ray diffraction measurements. The morphology of spin-coated films was characterized by atomic force microscopy. The QDs presented good colloidal stability during the storage days at room temperature, with PLQY above 90%. This system demonstrated satisfactory results as down-conversion layer in UV-light emitting diodes