Surface functionalization of silicon nanocrystals via a microwave reactor

Silizium-Nanokristalle (SiNCs) haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer vielfältigen (potenziellen) Anwendungen in Forschung und Industrie großes Interesse geweckt. SiNCs könnten zum Beispiel für 1) In Licht-Energie-Umwandlungsprozesse wie photovoltaische Lichtabsorber, lumineszierende Solarkonzentratoren und SiNCs-Solarzellen, 2) in der Optoelektronik z. B. für Leuchtdioden und Laser mit Nahinfrarot-Emission, 3) in der Sensortechnik z. B. für kleine Temperatursensoren und 4) in der photodynamischen Therapie als chemische Sonden und als "Trojanisches Pferd" in der Theranostik und photodynamischen Therapie. Die kritischen Faktoren für solche Zwecke sind für SiNCs eine große Quantenausbeute, geringe Größenverteilung und hohe chemische Stabilität. Daher konzentriert sich diese Forschung auf die Herstellung von SiNCs mit großer Quantenausbeute und geringer Größenverteilung durch Optimierung der verschiedenen Schritte im Syntheseprozess: Glühen, Ätzen und Funktionalisierung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Rolle der Alkylkettenlängen als Passivierungsmittel untersucht. Der Einfluss der Alkylkettenlänge auf die photophysikalischen Eigenschaften und die Stabilität wurde durch Funktionalisierungsreaktionen verschiedener Alkylkettenlängen mit SiNCs untersucht. Diese Arbeit stellte die Hypothese auf, dass eine Verringerung der Alkylkettenlänge zu einer Verringerung der sterischen Behinderung führt, was sich auf die Oberflächenbedeckung, die photophysikalischen Eigenschaften und die Oxidation auswirkt. Die Funktionalisierungsreaktion von langen Alkylketten wird durch Dodecyl (C12), Tetradecyl (C14) und Hexadecyl (C16) dargestellt, während für die mittelkettige Hexyl- (C6), Octyl- (C8) und Decylkette (C10) und für die kurze Kette Allyl, Methylether (C3) und Pentyl (C5) verwendet werden. Alle funktionalisierten Alkyl-SiNCs zeigen starke Emission in Rot bis Nah-Infrarot (600-1000 nm). Der höchste photolumineszente Quantenausbeutewert (PLQY) wurde von (C3)-SiNCs mit nahezu ~ 41% erreicht. Es besteht die Tendenz, dass die PLQY mit zunehmender Anzahl von Kohlenstoffen in der Alkylkette abnimmt. Das photolumineszente (PL)-Emissionsmaximum aller funktionalisierten SiNCs liegt zwischen ~850 nm für (C5)-SiNCs und ~905 nm für (C16)-SiNCs. Mittlerweile zeigt die PL-Lebensdauer ~157 s für (C5)-SiNCs bei 820 nm PL-Emission und ~120 s für (C16)-SiNCs bei gleicher PL-Emission. Die Haltbarkeit aller synthetisierten Materialien wurde systematisch untersucht, um die Charakterisierung der SiNCs abzuschließen. Nach sechsmonatiger Lagerung unter dunklen Umgebungsbedingungen (PLQY/PLQY0 > 0,9) wurden keine signifikanten Veränderungen der Photolumineszenz-Emissionen beobachtet. Daher besitzen Alkyl-SiNCs, die mittels mikrowellenunterstützter Hydrosilylierungsreaktion funktionalisiert wurden, eine ausgezeichnete photophysikalische Stabilität. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Funktionalisierung von SiNCs mit Farbstoffen zur Verbesserung der Lichtabsorption als Strategie zur Erhöhung der Helligkeit der SiNCs-Emission untersucht. Es wird erwartet, dass der konjugierte Farbstoff und SiNCs aufgrund der zusätzlichen Absorption durch die Farbstoffmoleküle höhere PL-Emissionen aufweisen. Perylen- und Dipyrromethenbordifluorid-Farbstoffe (BODIPY) werden verwendet, um die Lichtabsorption im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen. Perylen und BODIPY absorbieren Photonen im Bereich von ~350-500 nm bzw. ~450-600 nm. Aufgrund der Farbstoffanhaftung zeigten Perylen-SiNCs bei ~350-500 nm eine ~10-fache Verbesserung der Lichtabsorption, während BODIPY-SiNCs bei ~450-600 nm eine ~3-fache Verbesserung der Lichtabsorption zeigten. Hier beobachten wir den effizienten Energietransfer von Farbstoffen zu SiNCs, der zu einer PL-Emissionsverstärkung von SiNCs führt. Die Ergebnisse zeitaufgelöster photolumineszenter Spektroskopiemessungen zeigten, dass die Abklingzeiten von gebundenen Perylen- und BODIPY-Farbstoffen ~100-mal kürzer waren als die der ungebundenen Farbstoffe, was zu einer berechneten Effizienz von > 95% für den Energietransfer führte. Die effiziente Energieübertragung der Farbstoffmoleküle auf SiNCs führt zu einer Erhöhung der Emissionen von Perylen-SiNCs und BODIPY-SiNCs im nahen Infrarot (NIR) um ~ 270% bzw. ~ 140% bei Anregung bei 440 nm bzw. 515 nm. Trotz der Zunahme der absoluten Helligkeit der Emission (aufgrund der Absorptionsverstärkung) bewirkt die Rückenergieübertragung von den SiNCs auf den Farbstoff eine Abnahme der PLQY von perylenmodifizierten SiNCs im Vergleich zu unmodifizierten SiNCs. Wir gehen davon aus, dass eine effiziente Rückenergieübertragung von SiNCs auf Perylen über einen Perylen-Triplett-Zustand erfolgen muss. Der Perylen-Triplett-Zustand liegt im Bereich von ~800-850 nm und fällt mit der PL-Emission von SiNCs zusammen (~800-860 nm). Die Koinzidenz der Energiezustände könnte genutzt werden, um den Perylen-Triplett-Zustand zu bevölkern, und über Triplett-Triplett-Energieübertragung zur Bildung von Singulett-Sauerstoff (1O2) führen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden die kovalent verankerten Perylen-SiNCs, die über eine mikrowellenunterstützte Hydrosilylierungsreaktion synthetisiert wurden, auf ihre Fähigkeit zur Erzeugung von 1O2 untersucht. Obwohl Alkyl-SiNCs keine intrinsische Fähigkeit besitzen, 1O2 zu erzeugen, zeigt diese Arbeit, dass Perylen-SiNCs 1O2 mit einer moderaten Quantenausbeute ($\Phi$ $_{\Delta}$) von bis zu 27% in Cyclohexan erzeugen. Diese Ergebnisse wurden durch Messung der Singulett-Sauerstoff-Phosphoreszenz bei 1270 nm erzielt. SiNCs spielen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von 1O2 mit Perylen-SiNCs-Konjugaten, da SiNCs UV- und blaue Strahlung ernten und die absorbierte Energie in einen Triplett-Zustand der angelagerten Farbstoffe übertragen können. Die Triplett-Zustandspopulation nimmt zu und führt zu einer Zunahme der 1O2-Erzeugung. Gleichzeitig zeigten die SiNC-Farbstoffkonjugate NIR-Lumineszenz mit einer PLQY von bis zu 22%. Das Lumineszenzverhalten und die photosensibilisierenden Eigenschaften des SiNC-Farbstoffkonjugats könnten daher als neue multifunktionale Plattform im Bereich der Bioanwendungen von Interesse sein

Sintesis Dan Sifat Optik Graphene Quantum DOTS Dengan Metode Elektrokimia

Penelitian ini mengeksplorasi sintesis dan analisis sifat optik Graphene Quantum Dots (GQDs) menggunakan metode elektrokimia untuk mempelajari potensi aplikasinya dalam teknologi optoelektronik dan bioimaging. GQDs merupakan nanomaterial dengan ukuran kuantum yang menunjukkan potensi besar dalam aplikasi elektronik dan optoelektronik karena sifat optik yang unik. Metode elektrokimia dipilih karena kemampuannya menghasilkan GQDs dengan distribusi ukuran yang seragam. Proses sintesis dilakukan dengan menggunakan batang pensil 2B sebagai elektrod dalam larutan elektrolit NaOH dan asam sitrat di bawah pengaruh tegangan listrik. Variasi konsentrasi asam sitrat diterapkan untuk mengevaluasi pengaruhnya terhadap sifat optik GQDs yang dihasilkan. Karakterisasi dilakukan menggunakan spektroskopi UV-Vis, fotoluminesensi (PL), dan Time-Resolved Photoluminescence (TRPL). Hasil karakterisasi UV-Vis menunjukkan puncak absorpsi pada panjang gelombang sekitar 212 nm hingga 250 nm, mengindikasikan keberhasilan pembentukan GQDs, serta adanya peningkatan intensitas penyerapan dengan meningkatnya konsentrasi asam sitrat. Spektrum PL menunjukkan emisi cahaya yang kuat dengan perbedaan intensitas yang signifikan, namun dengan puncak emisi yang berada pada panjang gelombang yang hampir sama untuk setiap variasi konsentrasi. Analisis TRPL mengungkapkan bahwa waktu hidup eksitasi luminesensi tidak terpengaruh oleh variasi konsentrasi asam sitrat, dengan semua sampel menunjukkan waktu peluruhan yang seragam. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa metode elektrokimia dapat menghasilkan GQDs dengan sifat optik yang diinginkan dan kontrol yang baik terhadap karakteristik optik nanomaterial tersebut. Penelitian ini memberikan wawasan penting mengenai kontrol sifat optik GQDs melalui variasi konsentrasi prekursor, yang berpotensi untuk aplikasi dalam bidang optoelektronik dan bioimaging, serta memberikan kontribusi penting terhadap pemahaman sifat optik GQDs dan pengembangan lebih lanjut dari aplikasi berbasis nanomaterial ini

Experimental Determination of Complex Optical Constants of Air-Stable Inorganic CsPbI₃ Perovskite Thin Films

Air‐stable inorganic cesium lead iodide (CsPbI3) perovskite thin films with a bandgap of 1.7 eV are a promising candidate for tandem cell solar cells, comprising a perovskite top cell with a crystalline silicon bottom cell. The device design and simulations are important to develop high‐efficiency photovoltaic devices. However, knowledge of complex optical constants of the CsPbI3 thin films is mandatory to complement such tasks. Herein, air‐stable inorganic CsPbI3 perovskite thin films are prepared using one‐step synthesis through a spin‐coating method. Variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) is then conducted at five angles (43.9°, 48.9°, 53.9°, 58.9°, and 63.9°) to obtain ellipsometric data (Ψ and Δ). The thickness nonuniformity model of the perovskite thin film combined with an effective medium approximation for describing rough surface is adopted to achieve excellent fitting. The complex optical constants of the CsPbI3 thin film are experimentally obtained in the wavelength range of 300–1200 nm. The present results open the door for design and simulations on high‐efficiency CsPbI3/c‐Si tandem solar cells

Improved photon absorption in dye-functionalized silicon nanocrystals synthesized via microwave-assisted hydrosilylation

Herein, we report a method to produce luminescent silicon nanocrystals (SiNc) that strongly absorb ultra-violet–visible light (300–550 nm) and emit in the near-infrared range (700–1000 nm) with a high photo-luminescence quantum yield (PLQY). Using microwave-assisted hydrosilylation and employing reactivechromophores–such as ethenyl perylene, ethynyl perylene and ethylene-m-phenyl BODIPY–we areable to achieve a 10- and 3-fold enhancement of the absorption in the blue and green spectral range,respectively. The investigated dyes function both as passivating agents and highly efficient antenna, whichabsorb visible light and transfer the energy to SiNc with an efficiency of >95%. This enhanced absorptionleads to a significant photoluminescence enhancement, up to∼270% and∼140% under excitation withblue and green light, respectively. Despite the gain in absolute brightness of the emission, we demon-strate that back energy transfer from the SiNc to the dyes leads to a decrease in the PLQY for dye-modified SiNc, as compared to unmodified SiNc. The synthesis of the SiNc-dye conjugates opens up newpossibilities for applications of this abundant and non-toxic material in thefield of solar energy harvesting,optical sensing and bioimagingviaachieving strong NIR PL excited with visible light

STUDI ab-initio MEKANISME PEMBENTUKAN TRANSISI REAKSI OKSIDASI CO OLEH NO2 DI UDARA

The transition state formation’s mechanism of CO oxidation reaction by molecule of NO2 has been done using ab-initio computation by Density Functional Theory (DFT). Geometry optimation was done by B3LYP and 6-31G* basis set using HyperGauss and HyperDFT computer software. The result is we hypothese that there was three transition state takes place, therewere trans-Transition State (KTt), cis-Transition State (KTc) and cyclic-Transition State (KTs). All of three was gradually takes place in a very short time intervals.   Keywords: density functional theory (DFT), geometry optimation, intermediate, transition stat

Studi Ab-initio Mekanisme Pembentukan Transisi Reaksi Oksidasi Co Oleh No2 Di Udara

The transition state formation's mechanism of CO oxidation reaction by molecule of NO2 has been done using ab-initio computation by Density Functional Theory (DFT). Geometry optimation was done by B3LYP and 6-31G* basis set using HyperGauss and HyperDFT computer software. The result is we hypothese that there was three transition state takes place, therewere trans-Transition State (KTt), cis-Transition State (KTc) and cyclic-Transition State (KTs). All of three was gradually takes place in a very short time intervals

Highly photoluminescent and stable silicon nanocrystals functionalized via microwave-assisted hydrosilylation

Herein, we report a microwave-assisted hydrosilylation (MWH) reaction for the surface passivation of silicon nanocrystals (Si-NCs) with linear alkenes. The MWH reaction requires only 20 minutes and allows us to produce Si-NCs with high photoluminescence quantum yields (PLQYs), reaching 39% with an emission maximum of 860 nm. Furthermore, we investigated the effect of ligand length on the photoluminescence properties of Si-NCs. We tested six alkenes with an even number of carbon atoms (from hexene-1 to hexadecene-1). The highest PLQY combined with a long stability (test period of 6 months) was observed when capping with the shortest ligand, hexene-1. The use of microwave heating turns the hydrosilylation step into a facile and sustainable process. In order to provide insight into the emissive properties of Si-NCs surface oxidation and luminescence decay were investigated using Fourier-transform infrared spectroscopy and time-resolved photoluminescence measurements