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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-38177
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3817/


Darbandi, Masih

Silica coated nanocomposites

Silika beschichtet Nanokompositen

Dokument1.pdf (4.665 KB) (md5sum: 9080b27ba78fb06e38f177361d0061c5)

Kurzfassung in Englisch

This dissertation focuses on the development of colloidal synthetic approaches for silica encapsulation of nanocrystals as well as synthesis of hollow silica nanospheres and one-pot synthesis of silica coated nanocomposites. A series of experiments was performed which different nanoparticles were silica coated via microemulsion rout. The nanocomposites prepared were characterized by TEM, EDAX, SAED, XRD, absorption and luminescence spectroscopy.

Luminescent semiconductor nanocrystals attracted increasing interest over the past several years, because of their intrinsic and size dependent optical properties. There has been a tremendous focus on the potential applications of these particles in areas such as tunable LEDs, QD lasers, luminescent materials and biolabeling.
However, highly luminescent and photostable CdSe/ZnS core/shell quantum dots are not water dispersible because of their hydrophobicity. In the present work to create water dispersible quantum dots by an appropriate surface functionalization, monodispersed silica-coated CdSe/ZnS were synthesized by using the W/O microemulsion of NP-5/ Cyclohexan/ Water system. By hydrolysis of TEOS with ammonia in the presence of QDs, the silica coated nanoparticles were obtained in the microemulsion. In the composite nanoparticle, only single QD was located at the center of a spherical silica particle. The thickness of silica layer was 15 nm. Elucidating the coating mechanism was attempted. Possible mechanisms include a phase transfer by ligand exchange and a surfactant-supported mechanism. It was not possible to elucidate the encapsulation mechanism completely, but the experimental results point in the direction of a ligand-exchange/phase-transfer mechanism.

I believe I have developed a simple general approach for creating nanocomposites with complex morphologies which can be used for a variety of materials, such as CdSe, etc. Therefore for prove this generality PbSe and YV(0.7)P(0.3)O4:Eu3+, Bi3+ has been chosen for encapsulation. In order to prevent the dissolution of the PbSe cores, various amines were tested as catalysts for the hydrolysis and condensation of TEOS and it was recognized that dimethylamine would be best choice in this case. Also I selected YV(0.7)P(0.3)O4:Eu3+, Bi3+ as the phosphor core and silica shell to obtain the core/shell structured YV(0.7)P(0.3)O4:Eu3+, Bi3+/SiO2 materials via the microemulsion process and characterize the structure, morphology, and photoluminescent properties of the resulting samples. The obtained core-shell phosphors have spherical morphology and narrow size distribution. The spectral and kinetic properties of the core/shell phosphors are similar to those of the reported bulk and nanocrystalline nano-phosphors. Zeta-potential measurements show that coated particles are stable at high volume fractions and can endure large variations in pH and electrolyte concentration without coalescence. These core–shell nanoparticles could also be useful as means for ultrasensitive biological labels because they are well dispersable in water, providing important anchor groups (silanol) for the biofunctionalization, and therefore have a high potential for development to specific biolabels.
The method could be applied to a variety of semiconductor nanocrystals with sphere or rod shape. The size of the silica spheres can be tuned from about 25 nm to several hundred nanometers with good monodispersivity. There is no apparent limit to use the principles developed here for encapsulation of any type of hydrophobic nanocrystals of semiconductor, metal, magnetic, or oxide nanocrystals. This directly takes advantage of the significant developments in control of nanocrystals witnessed in recent years, where high-quality particles can be entrapped by a similar approach.


Kurzfassung in Deutsch

Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit liegt auf der Entwicklung kolloid-synthetischer Ansätze zur Silika-Einkapselung von Nanokristallen, der Synthese hohler Silika-Nanosphären und der Einkolbensynthese von Silika-beschichteten Nanokompositen. Eine Serie von Experimenten wurde durchgeführt, wobei verschiedene Nanokristalle in einer Mikroemulsion mit Silika beschichtet wurden. Die so erhaltenen Nanokomposite wurden mit Hilfe von TEM, EDAX, SAED, XRD und Absorptions- und Photolumineszenzspektroskopie charakterisiert.

Lumineszierende Halbleiter-Nanokristalle haben aufgrund ihrer innewohnenden größenabhängigen optischen Eigenschaften in den vergangenen Jahren steigende Beachtung gefunden. Es wurde ein gewaltiger Fokus auf die mögliche Anwendung dieser Partikel in den Bereichen der einstellbaren LEDs, QD-Laser, lumineszierenden Materialien und der Biomarkierung gelegt.
Jedoch sind stark lumineszierende CdSe / ZnS Kern/Schale QDs aufgrund ihrer Hydrophobizität nicht wasserlöslich. Um wasserlösliche QDs durch eine geeignete Oberflächenfunktionalisierung zu erhalten, wurden in der vorliegenden Arbeit CdSe/ZnS QDs in einer W/O Mikroemulsion bestehend aus NP-5/ Cyclohexan/ Wasser synthetisiert. Die Silika-beschichteten Nanopartikel wurden durch Hydrolyse von TEOS in ammoniakalischer QD-Lösung in der Mikroemulsion erhalten. In den so hergestellten Kompositmaterialien waren einzelne QDs im Zentrum der sphärischen Silikapartikel lokalisiert. Die Dicke der Silicaschicht war 15 nm. Es wurde auch versucht, den zugrunde liegenden Mechanismus aufzuklären. Mögliche Mechanismen beinhalten einen Phasentransfer durch Ligandenaustausch und einen Tensid gestützten Mechanismus. Es war nicht möglich den kompletten Verkapselungsmechanismus aufzuklären, aber die experimentellen Befunde deuten auf einen Ligandenaustausch / Phasentransfer Mechanismus hin.

In Rahmen dieser Ausseit wurde eine einfache, generelle Methode zur Herstellung von Nanokompositen mit komplexen Morphologien entwickelt, die für eine Vielzahl von Materialien wie z.B. CdSe verwendet werden kann. Um dies zu verifizieren, wurden weitere Materialien wie PbSe und YV(0.7)P(0.3)O4:Eu3+, Bi3+ für die Einkapselung ausgewählt. Um die Auflösung der PbSe Kerne zu verhindern, wurden verschiedene Amine als Katalysatoren für die Hydrolyse und Kondensation von TEOS getestet, und dabei hat sich Dimethylamin als die beste Wahl herausgestellt. Es wurde YV(0.7)P(0.3)O4:Eu3+, Bi3+ als Beispiel für einen Phosphorkern und Silikaschalen zur Herstellung von YV(0.7)P(0.3)O4:Eu3+, Bi3+/SiO2 Kern/Schale strukturierten Materialien in einer Mikroemulsion ausgewählt. Die so erhaltenen Proben wurden in Hinblick auf Struktur, Morphologie und Photolumineszenz charakterisiert. Die entsprechenden Phosphore besitzen sphärische Morphologie und zeichnen sich durch eine enge Größenverteilung aus. Die spektralen und kinetischen Eigenschaften dieser Kern/Schale Phosphore sind mit denen wie von Volumenkristallen und nanokristallinen Nanophosphoren bekannt vergleichbar. Zetapotential Messungen zeigen, dass die beschichteten Partikel in hohen Volumenfraktionen stabil sein sollten und große Änderungen des pH-Werts und der Elektrolytkonzentration ohne zu Koaleszieren aushalten. Aufgrund ihrer guten kolloidalen stabilität in wasser und der Bereitstellung wichtiger Ankergruppen (Silanol) zur Biofunktionalisierung könnten diese Kern/Schale Nanopartikel in der ultrasensitiven Biomarkierung zum Einsatz kommen und haben deshalb großes Potential in der Entwicklung zu Biomarkern.
Die Methode kann auf eine Vielzahl von Halbleiternanokristallen mit sphärischen oder stäbchenartigen Formen angewendet werden. Die Größe der erhaltenen Slikahybridpartikel kann dabei im Bereich zwischen 25 Nanometern und mehreren hundert Nanometern variiert werden. Es gibt keine materialspezifischen Einschränkungen für die hier vorgestellte Methode um weitere hydrophob derivatisierte Nanokristalle wie metallische, magnetische oder oxidische Nanokristalle einzuschließen. Damit dient die Methode zur direkten Verbesserung der Derivatisierungsmethoden für Nanokristalle.


SWD-Schlagwörter: Silika Partikel , Nanokompositen , Nanotechnologie
Freie Schlagwörter (deutsch): Kern-Schale
Freie Schlagwörter (englisch): core-shell , quantum dots
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Nann, Thomas (PD Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.12.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 14.12.2007
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