Síntesis química de puntos cuánticos - C.I.E.

CINVESTAV-IPN
Síntesis de semiconductores
nanocristalinos mediante
quimica coloidal
Mauricio Ortega López.
SEES CINVESTAV-IPN

Motivación
• Los materiales nanoestructurados tienen
aplicaciones en áreas diversas:
fabricación de celdas solares, sensores
biológicos, medicina…
• Para darles una aplicación especifica es
necesario capacitarnos en la síntesis,
manipulación y caracterización de esta
clase de materiales

Motivación
Existen diversas tecnologías
para fabricar películas
delgadas.
Una de ellas, es la que
estamos desarrollando:
Preparar películas a partir
pinturas o tintas compuestas
de materiales (metales y
semiconductores)
nanoestructurados
• Para hacer mas accesible (en
cuanto al costo) el uso de
sistemas fotovoltaicos para
producir energía eléctrica,
actualmente se busca
maximizar la razón
eficiencia/costo de las celdas
solares.
• Una opción para alcanzar esto
son las celda solares en
película delgada

Síntesis de coloides

Bases de la química coloidal
• La síntesis química de coloides en
solución acuosa u orgánica, está basada
en la precipitación de un compuesto ionico
poco soluble en solución. El fenómeno de
precipitación ocurre en soluciones
sobresaturadas en las concentraciones
iónicas de los átomos que forman parte de
la fase solida.

• El resultado de la síntesis es una solución coloidal, la
cual es un sistema físico-químico formado por dos o más
fases, principalmente una continua, que normalmente
es un fluido y otra dispersa en forma de partículas, por lo
general sólidas. La acepción de coloide se deriva de
la palabra griega kolas que indica su tendencia a
pegarse formando agregados, la cual es una de las
principales propiedades de los coloides.
• Para minimizar o impedir este efecto se utilizan
surfactantes: moleculas organicas con grupos
funcionales (tiol, carboxilo, amino, etc.) en uno o sus
dos extremos o en algún sitio de la cadena.

Funciones del surfactante
• 1. Estabilizante de las partículas ante agregación;
• 2. Para controlar la reacción de precipitación.
Usualmente forma complejos de coordinación con los
cationes metálicos;
• 3. Como pasivante de los estados electrónicos
superficiales al formar enlaces covalentes con los
átomos en la superficie de la partícula coloidal;
• 4. Determina el medio (acuoso u orgánico) en el cual se
realiza la síntesis así como la dispersabilidad de las
partículas coloidales

Surfactantes usados en
nuestros experimentos
Ácido oleico: Un surfactante anfifilico, es
decir, tiene un grupo polar COOH y un grupo
apolar (la cadena de hidrocarbonos).
Acido tioglicolico. Un surfactante con
dos grupos polares

Efectos del tamaño de la
partícula

Efectos de tamaño: reactividad
química
• La reactividad química se incrementa a
medida que el tamaño del nanocristal
disminuye. Esto es atribuido al incremento
de la razón
• Número de átomos superficiales/número
de átomos en el volumen

Efectos de tamaño: niveles de
energía

Efectos de
tamaño:confinamiento
• Exciton. Cuando iluminamos un semiconductor macroscopico con luz de energía
suficiente como para extraer un electrón de un enlace covalente, al enlace semivacío
se le asocia una pseudoparticula con carga positiva, llamada hueco. Algunas veces
la separación espacial electrón – hueco es tal que pueden interaccionar a través una
fuerza de Coulomb, manteniéndose unidos y moverse así en el interior del
semiconductor. A este ente se le conoce como exciton y la separación electron
– hueco se le denomina radio de Bohr del exciton;
• Confinamiento. Cuando se reduce en tamaño dicho semiconductor hasta ser del
orden del radio de Bohr el movimiento del exciton se ve restringido. Se dice que el
exciton está confinado.
• Manifestaciones del confinamiento:
• - los niveles electrónicos se discretizan
• - La energía de la banda prohibida se incrementa al decrecer el tamaño
A NIVEL MACROSCOPICO, ESTAS MANIFESTACIONES SON PUESTAS EN
EVIDENCIA AL ANALIZAR LAS PROPIEDADES OPTICAS DE LOS
NANOCRISTALES

Algunos resultados en CdTe

Puntos cuánticos de CdTe en
solución acuosa
CINVESTAV-IPN
Precursores: soluciones acuosas
de CdCl 2 y NaHTe.
NaHTe se obtiene de la reducción
del ión telurio
Estabilizante: ácido tioglicólico
(TGA).
1 h 4 h 7 h
Basado en un diagrama
esquemático en J. Zhang , R. Badugu,
J. R. Lakowicz, Plasmonics (2008) 3:3–11.
1 h 2 h 4 h 94 h

Nanocompuestos CdTe-PDDA
UV-ON
Síntesis en solución acuosa
con potenciales aplicaciones en
marcaje biológico
UV-OFF
Poli(cloruro dialildimetilamonio) (PDDA)
UV-ON
Nanocompositos CdTe/polímero
preparados a partir de una solución
acuosa.

Caracterización óptica: absorbancia
y fotoluminiscencia
CINVESTAV-IPN
Rango de absorción: 400 – 610 nm
Rango de emisión: 542 – 560 nm

Intensity (Arb. units)
TEM y Raman
Maximum intensity at 152.4 cm -1 , LO mode.
NC-CdTe/PDDA 20 bilayers
Ajust using the phonon
confinement model (RWL)
119 cm -1 LO mode for bulk CdTe 168 cm -1
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Raman shift (cm -1 )
Raman confirma la presencia de
nanobarras en la solucion
coloidal de CdTe
TEM revela que nanovarillas de Te
coexisten con CdTe coloidal

Coloides de CdTe en solución orgánica
CINVESTAV-IPN
Precursores: CdO y TOP-Te.
Trioctilfosfina es el agente reductor.
Estabilizante: ácido oleico .
Medio solvente: 1-Octadeceno.
Se emplean pequeñísimas
concentraciones de reactivo.
UV-OFF
UV-ON
Muestra reflujada durante 15 min

Depósito de películas de
CdTe por la técnica drop-casting
CINVESTAV-IPN
Preparación de tintas a partir de
un coloide.
a) b)
Depósito por goteo sobre
substrato
UV-OFF
UV-ON

Algunos resultados en CdS

Puntos cuánticos de CdS
Fase acuosa
UV-OFF
Fase orgánica
UV-OFF
UV-ON
UV-Turn On
Modulación de la longitud de onda de
emisión por la adición del ión Zn 2+
UV-ON
Síntesis de puntos cuánticos de CdS en
solvente orgánico

Deposito de películas de CdS
CdS sintetizado medio orgánico.
CdS
Formacion de peliculas de CdS
por drop-casting
UV-OFF
UV-ON
CdS sintetizado en solvente
orgánico (síntesis verde).
CdS
UV-OFF
UV-ON

Colaboradores y
Estudiantes

Materiales fotovoltaicos
• Claudio D. Gutierrez Lazos (tesis de doctorado
en revision): CdTe
• Román Romano (estudiante de doctorado de la
BUAP) Dr. Enrique Rosendo (prof. De la BUAP):
PbSe y materiales compuestos PbSe+PDDA
• Yasuhiro Matsumoto (SEES, CINVESTAV) PbS
y materiales compuestos PbS+P3HT

Materiales termoeléctricos
• Dr. Guillermo Pérez Luna (Prof. BUAP)
Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3 y sus aleaciones
• Srikanth Chakravarty (alumno Programa
de Doctorado de Nanociencias y
Nanotecnología, CINVESTAV) PbTe,
Ag 2 Te y sus aleaciones

Conclusiones
• Básicamente mostré algunos avances en la
síntesis y caracterización de partículas
coloidales de CdS y CdTe;
• Las síntesis en medio acuoso produce coloides
difícilmente manejables. En el caso del CdTe
aparecen fases secundarias como CdS y Te;
• La síntesis en medio orgánico parece ser la mas
conveniente para formar películas delgadas,
pero aun queda por demostrar que éstas son
realmente útiles para celdas solares.

Gracias por su atención