Cadmium sulfide quantum dots: growth and optical properties

Abstract

Negli ultimi anni, c’è stato un rapido sviluppo delle tecniche di crescita dei materiali nanostrutturati, e un forte impulso è stato dato dall’introduzione delle tecniche di crescita colloidale. Tali tecniche consentono di crescere un ampia gamma di materiali nanostrutturati, metalli e semiconduttori, con elevata cristallinità, dimensioni ridotte (< 5 nm) e con una distribuzione delle dimensioni molto stretta. Il solfuro di cadmio (CdS) nanostrutturato ha promettenti future applicazioni tecnologiche, come ad esempio nei dispositivi optoelettronici, celle solari ad alta efficienza e come tracciante fluorescente in biologia. Tuttavia, per poter sfruttare al meglio le proprietà fisiche a favore delle citate applicazioni è di fondamentale importanza una conoscenza approfondita delle proprietà fisiche. In questa tesi, sono state studiate le proprietà optovibrazionali e optoelettroniche dei quantum dots (QDs) di solfuro di cadmio cresciuti tramite un metodo di crescita colloidale. Tramite i metodi di crescita colloidale è possibile produrre QDs con dimensione ridotta e una distribuzione della dimensione molto stretta. La sintesi dei CdS-QDs consiste nella termolisi a circa 260 °C dello stearato di cadmio in presenza di solfuro di idrogeno in un solvente organico altobollente (1-ottadecene). La velocità della crescita e la dimensione finale dei QDs sono regolate dalla presenza di una molecola surfattante, l’ossido di triottilfosfina (TOPO). In particolare, QDs con una determinata dimensione e con una sua distribuzione molto stretta possono essere ottenuti regolando opportunamente la temperatura di crescita, la concentrazione dei precursori e principalmente la concentrazione del surfattante e del tempo di reazione (crescita arrestata). La morfologia, la dimensione (diametro) e la distribuzione dei diametri sono state determinate tramite TEM. Tramite spettroscopia di assorbimento, si ottengono informazioni sugli stati elettronici, inoltre, sfruttando la relazione esistente tra la band gap e il diametro, si può determinare il diametro medio di un campione di QDs. Le proprietà emissive dei QDs sono state studiate tramite spettroscopia di fotoluminescenza (PL) e dall’energia della banda di PL si può ottenere una stima del diametro medio dei QDs. Dalla larghezza di banda degli spettri di assorbimento e di PL si può ottenere anche una stima sulla distribuzione del diametro dei QDs. Un estesa parte del lavoro riguarda lo studio delle proprietà vibrazionali dei CdS-QDs, tramite spettroscopia Raman. Queste indagini sono state effettuate su campioni di CdS-QDs cresciuti appositamente con diversi diametri. Per eseguire misure micro-Raman, i campioni di CdS-QDs coordinati da molecole di TOPO che hanno una consistenza gelatinosa, sono stati trattati con acido tioglicolico (TGA). Questo trattamento è necessario per avere CdS-QDs in forma di polvere, la quale è più adatta per essere studiata tramite spettroscopia Raman. Per evitare effetti termici negli spettri o il danneggiamento del campione, le misure micro-Raman devono essere effettuate con potenze del laser molto basse. Negli spettri Raman di CdS-QDs si osserva uno spostamento del picco del fonone LO verso frequenze più basse , in particolare, tale spostamento è più marcato per i QDs più piccoli, mentre, al crescere del diametro, la frequenza si avvicina progressivamente a quella del bulk. Questa diminuzione di frequenza è causata dall’espansione del cristallo che avviene nei QDs, con il conseguente indebolimento dei legami per i quali diminuisce la frequenza di risonanza. Oltre a questo, il confinamento quantistico dei fononi è visibile come un allargamento asimmetrico della linea dei fononi, e come l’apparizione di un nuovo picco a circa 270 cm-1. Alcune pubblicazioni assegnano questo picco ai modi di superficie, mentre altri lo descivono come la conseguenza delle nuove regole di selezione dovute dalla bassa dimensionalità. Lo studio ha anche lo scopo di comparare le previsioni teoriche basate sia sul modello “dielectric continuum” che sui fononi di superficie con i risultati sperimentali. È stata trovata una relazione tra i valori di frequenza dei fononi predetti teoricamente e i risultati sperimentali, in particolare, le frequenze dei fononi di superficie sono in accordo con i risultati sperimentali. In conclusione, lo scopo di questo studio consiste nello sviluppo di un metodo per crescere CdS-QDs con le caratteristiche fisiche desiderate (diamtero voluto e distribuzione di diametro stretta) per poterne poi effettuare uno studio sistematico delle proprietà vibrazionali ed elettroniche.