Simulaties leiden naar route voor goedkopere productie quantum dots

"We kunnen nu eindelijk het vormingsproces begrijpen"

Simulatie van ionenwisseling in een nanodeeltje. In het begin bestaat het deeltje vrijwel helemaal uit loodsulfide (blauwe en witte atomen), tijdens de simulatie groeit er een steeds dikkere schil van cadmiumsulfide (rode en witte atomen).

De productie van quantum dots voor onder meer betere displays van televisies en smartphones, kan waarschijnlijk veel goedkoper. Dit blijkt uit computersimulaties van de vorming van quantum dots, waarvoor onderzoekers van de Universiteit Utrecht en de TU Delft een model ontwikkelden. Deze simulaties maken het ook mogelijk nieuwe soorten nanodeeltjes met interessante functionele eigenschappen te ontwerpen. Het onderzoek, onder leiding van dr. Marijn van Huis (Universiteit Utrecht) en prof. Thijs Vlugt (TU Delft), is vandaag gepubliceerd door Nature Communications.

Volgens de huidige inzichten kan de vorming van quantum dots wel uren duren. In principe verlopen dit soort processen sneller bij een hogere temperatuur, maar bij quantum dots wordt het systeem dan instabiel. “Dankzij onze simulaties kunnen we het vormingsproces van quantum dots nu eindelijk begrijpen, waardoor het ook gemakkelijker is het proces te optimaliseren. Bovendien verwachten wij dat hierdoor hele nieuwe soorten functionele quantum dots en andere nanodeeltjes met interessante eigenschappen ontworpen en gemaakt kunnen worden”, aldus Thijs Vlugt, hoogleraar Engineering Thermodynamics aan de Technische Universiteit Delft.

Ionenverwisseling

Quantum dots worden gemaakt in een oplossing. Belangrijk onderdeel in het syntheseproces is de vervanging van het ene soort atomen door de andere soort. In dit onderzoek werden loodatomen vervangen door cadmiumatomen. Dit gebeurt met behulp van ionenverwisseling. Tot nu toe was echter onduidelijk hoe deze ionenverwisseling plaatsvond. Simuleren lukte niet, omdat het atomaire systeem te groot en ingewikkeld is. De Delftse en Utrechtse onderzoekers ontwikkelden echter een goed model waardoor simuleren nu wel mogelijk is.

Nanodeeltje waarvan door ionenverwisseling van lood (blauw) door cadmium (rood) een schil van cadmiumsulfide is ontstaan rond een kern van loodsulfide; rechts geven blauwe pijlen de afvoer van loodatomen aan, paarse pijlen de aanvoer van cadmiummatomen
Dr. Marijn van Huis
Dr. Marijn van Huis

Televisies

De simulaties laten zien dat de vorming van de quantum dots veel sneller verloopt én veel meer opbrengst oplevert, door het proces bij hoge temperatuur én hoge druk uit te voeren. “In een aantal gevallen gaat hierdoor de productietijd zelfs van uren naar minuten”, licht dr. Marijn van Huis van de Universiteit Utrecht toe. “Op dit moment zijn al enkele televisies op de markt met beeldschermen met quantum dots. Beeldschermen met quantum dots zijn veel helderder, hebben een groter kleurbereik en zijn energiezuiniger. Grootschalige productie loont nog niet, omdat dit te duur is. Dat gaat nu mogelijk veranderen.”

Te complex

Het grote probleem voor de simulaties waren de liganden, lange moleculen in de oplossing die zorgen voor de ionenverwisseling. De liganden concentreren zich om de quantum dot. Zij transporteren het ene ion uit de oplossing naar de quantum dot en – na de verwisseling – het andere weer terug naar de oplossing. Die hele interactie van quantum dot, liganden en oplosmiddel is veel te complex om als atomair systeem te simuleren. In hun publicatie laten Van Huis, Vlugt en collega’s zien dat het mogelijk is dit systeem te vereenvoudigen door de ligande en het oplosmiddel te beschouwen als één simulatiedeeltje.

Experimenteel onderzoek

De onderzoekers testten hun model met simulaties op de vorming van een bepaald soort nanodeeltjes waar ze al veel experimenteel onderzoek aan hadden gedaan. De uitkomsten van de simulaties bleken zeer goed overeen te komen met de experimenten.

Dit onderzoek is gefinancierd door de Stichting FOM.

Publicatie

‘Atomistic understanding of cation exchange in PbS nanocrystals using simulations with pseudoligands’
Zhaochuan Fan, Li-Chiang Lin, Wim Buijs, Thijs J.H. Vlugt & Marijn A. van Huis
Nature Communications, 10 mei, DOI 10.1038/NCOMMS11503.

ERC Consolidator Grant

Aan dr. Marijn van Huis werd onlangs een ERC Consolidator Grant toegekend, lees het nieuwsbericht.