Des chimistes de l’Université Rice et de l’Université du Texas à Austin ont découvert que plus n’est pas toujours mieux lorsqu’il s’agit de placer des molécules acceptrices de charge à la surface de nanocristaux semi-conducteurs.
La combinaison de composants organiques et inorganiques dans les nanomatériaux hybrides peut être adaptée pour capturer, détecter, convertir ou contrôler la lumière de manière unique. L’intérêt pour ces matériaux est élevé et le rythme des publications scientifiques à leur sujet a plus que décuplé au cours des 20 dernières années. Par exemple, ils pourraient potentiellement améliorer l’efficacité des systèmes d’énergie solaire en récupérant l’énergie des longueurs d’onde de la lumière du soleil – comme l’infrarouge – qui sont manquées par les panneaux solaires photovoltaïques traditionnels.
Pour créer les matériaux, les chimistes marient des nanocristaux de semi-conducteurs capturant la lumière avec des molécules « accepteuses de charge » qui agissent comme des ligands, se fixent à la surface du semi-conducteur et transportent les électrons loin des nanocristaux.
« Les systèmes de nanocristaux les plus étudiés présentent des concentrations élevées d’accepteurs de charge qui sont directement liés aux cristaux semi-conducteurs », a déclaré le chimiste de Rice Peter Rossky, co-auteur correspondant d’une étude récente dans le Journal de l’American Chemical Society. « Généralement, les gens essaient de maximiser la concentration en surface des accepteurs de charge parce qu’ils s’attendent à ce que le taux de transfert d’électrons augmente continuellement avec la concentration en accepteurs de surface. »
Quelques expériences publiées avaient montré que les taux de transfert d’électrons augmentaient initialement avec la concentration d’accepteurs de surface, puis diminuaient si les concentrations de surface continuaient d’augmenter. Rossky et l’auteur co-correspondant Sean Roberts, professeur agrégé de chimie à l’UT Austin, savaient que les orbitales moléculaires des ligands pouvaient interagir d’une manière qui pourrait influencer le transfert de charge, et ils s’attendaient à ce qu’il y ait un moment où emballer plus de ligands sur la surface d’un cristal serait donner lieu à de telles interactions.
Rossky et Roberts sont co-chercheurs principaux du Rice-based Center for Adapting Flaws into Features (CAFF), un programme multiuniversitaire soutenu par la National Science Foundation (NSF) qui cherche à exploiter les défauts chimiques microscopiques des matériaux pour fabriquer des catalyseurs innovants, des revêtements et électronique.
Pour tester leur idée, Rossky, Roberts et leurs collègues du CAFF ont systématiquement étudié des matériaux hybrides contenant des nanocristaux de sulfure de plomb et des concentrations variables d’un colorant organique souvent étudié appelé diimide de pérylène (PDI). Les expériences ont montré que l’augmentation continue de la concentration de PDI à la surface des nanocristaux produisait finalement une chute brutale des taux de transfert d’électrons.
Rossky a déclaré que la clé du comportement était l’effet que les interactions ligand-ligand entre les molécules de PDI ont sur les géométries des agrégats de PDI sur les surfaces cristallines. La compilation de preuves pour montrer l’impact de ces effets d’agrégation a nécessité l’expertise de chaque groupe de recherche et une combinaison minutieuse d’expériences spectroscopiques, de calculs de structure électronique et de simulations de dynamique moléculaire.
Roberts a déclaré: «Nos résultats démontrent l’importance de prendre en compte les interactions ligand-ligand lors de la conception de matériaux nanocristallins hybrides activés par la lumière pour la séparation de charge. Nous avons montré que l’agrégation de ligands peut certainement ralentir le transfert d’électrons dans certaines circonstances. également accélérer le transfert d’électrons dans d’autres circonstances. »
Rossky est titulaire de la chaire Harry C. et Olga K. Wiess de Rice en sciences naturelles et professeur de chimie et de génie chimique et biomoléculaire.
La recherche a été soutenue par la NSF (CHE-2124983, CNS-1338099, DGE-1610403) et la Welch Foundation (F-1885, F-1188). Le support pour l’instrumentation a été fourni par les National Institutes of Health (OD021508) ; le support pour le calcul haute performance a été fourni par Advanced Micro Devices Inc. et le Center for Research Computing de Rice.
Source de l’histoire :
Matériel fourni par Université du riz. Original écrit par Jade Boyd. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
