Interacción compleja entre la estructura intrínseca y las propiedades de emisión de multiestados de Carbon Quantum Dots dopados con N y N,B

PSCHUNDER, FERNANDO; HUERGO, A. M.; BHATTACHARYYA, S.; JOSE MARTIN RAMALLO LOPEZ; REQUEJO, F. G.

Berisso

Conferencia; XVIII Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados NANO 2018; 2018

YPF Tecnología

Los emergentes quantum dots basados en carbono, carbón dots (CD), han atraído mucha atención debido a sus propiedades únicas de fotoluminiscencia sintonizable, fácil síntesis, larga estabilidad, biocompatibilidad y la posibilidad de modificar la funcionalidad de su superficie [1], las cuales hacen a estos nanomateriales candidatos para potenciales aplicaciones en optoelectrónica [2] y biomedicina [3]. Una gran variedad de nanomateriales basados en carbono son considerados CD, los cuales están compuestos de dominios aromáticos híbridos sp2 (principalmente grafíticos) insertados en dominios moleculares híbridos sp3 (generalmente amorfos). La compleja interacción entre estos dos dominios controla las propiedades fotofísicas de los CD. Además, los defectos superficiales y el dopaje con heteroátomos (N, P, B, etc.) juegan un papel crucial para modificar los procesos fotoinducidos de recombinación radiativa y no-radiativa (fotoluminiscencia) como los caminos para la separación de carga [4,5,6]. A su vez, la variación de los parámetros en la síntesis, como diferentes precursores y sus concentraciones, alteran las condiciones de carbonización y, en consecuencia, la proporción relativa entre los dominios aromáticos y amorfos, afectando también las características optoelectrónicas. En este trabajo, se sintetizaron CD dopados con N y co-dopados con N y B a partir de ácido cítrico (fuente de C) y urea (fuente de N) y utilizando protocolos de síntesis ?bottom-up? ya establecidos en cámaras hidrotérmicas de teflón. Se utilizó ácido bórico como fuente de B. Los resultados iniciales de fotoluminiscencia muestran que los CD dopados con N poseen una intensa línea de emisión adicional a 545 nm debido a una banda menor de absorción a 410 nm, mientras que en los codopados con N y B esta banda de menor energía decrece notablemente y sólo se obtiene una intensa banda de emisión azul, casi independiente de la excitación.La comparación estructural entre la superficie y el centro de los CD es esencial para estudiar sus propiedades de fotoluminiscencia. Para ello se realizaron medidas de la Estructura Fina de la Absorción de Rayos X cerca del borde K del N (NEXAFS) con radiación de sincrotrón y de Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS) utilizaron fuentes convencionales y de sincrotrón de manera de variar la energía de los fotones incidentes y así explorar diferentes regiones de los CDs con distintos estados químicos y modos de ligaduras de los átomos de C y los diferentes dopantes (N y B). De acuerdo con estas caracterizaciones, en los CDs dopados con N este último se encuentra directamente unido a los átomos de C dentro de los dominios aromáticos, lo cual genera nuevos estados energéticos bajos y resultando en la emisión en la región del verde (transiciones n-pi*). Por otro lado, en presencia de B, se forman mayoritariamente enlaces N-B, y el B podría reemplazar al C en los dominios aromáticos. Como resultado, y dado que el B posee un electrón menos, los electrones libres del N ya no están deslocalizados a través de los dominios aromáticos de C y localizados en los enlaces N-B, siendo este reacomodamiento responsable por la falta de emisión en la región verde del espectro