A „nano” azonban a laborban születik, ennek során az atomok szintjéről építünk fel olyan szerkezeteket, amelyek sokszor meglepő és újszerű tulajdonságait azok mérete, összetétele és felületi kémiája határozza meg. A félvezetőipar évtizedek óta alkalmaz nanoléptékben strukturált elektronikai és opto­elektronikai összetevőket, melyek ma már a mindannyiunk zsebében lapuló mobil­telefonok szerves részei. A kolloidkémia ezzel szemben olyan nano­részecskék előállítására fókuszál, melyek méretének, alakjának és az alkotó atomok megválasztá­sának a részecskék optikai, elektronikai és fizikai-kémiai tulajdonságaira gyakorolt közvetlen hatásának vizsgálata és azok kémiai aspektusai állnak a reflektorfényben.

A nanorészecskék klasszikus definíciójából kiindulva (az objektum legalább egyik dimenziója az 1–100 nanométeres skálán mozog), a félvezető nano­részecskék szigorúbb méret­határok között mutatnak drasztikusan változó optikai és elektronikai tulajdonságokat, melyek jelentősen eltérnek a tömbi félvezetők sajátosságaitól. Ennek hátterében a kvantum­bezártság jelensége áll, mely az anyag sávszerkezeté­vel van szoros kapcsolatban, és a néhány nano­méteres tartományban a tulajdonságok rendkívül precíz hangolását teszi lehetővé. Megkülönböztetve a kvantum­bezártság különböző irányait, létrehozhatunk 0 dimenziós, ún. kvantum­pöttyöket, 1 dimenziós kvantum­rudakat, 2 dimenziós kvantum­lapkákat vagy éppen 3D-s nanoanyagokat is. A HUN-REN Energia­tudományi Kutató­központ Műszaki Fizikai és Anyag­tudományi Intézetében zajló kutatások ezen félvezető nanoanyagok minden típusára kiterjednek a potenciális alkalmazási területek szem előtt tartásával, úgy, mint a foto- és elektro­katalízis, modern fényforrások, opto­elektronikai és foto­voltaikus komponensek előállítása. A meg­lévő infrastruktúra ma már lehetővé teszi, hogy félvezető nanorészecskék és kvantum­anyagok széles tárházát állítsuk elő, még akkor is, ha sokszor ezek kémiai szintézise a környezeti levegő és víz teljes kizárásával kell hogy történjen az első reagens felbontásától a nano­részecskék teljes szintéziséig. A vegyészeknek ebben olyan berendezések segítenek, mint az ún. inert atmoszférás munkaállomás („glove-box”), illetve a Schlenk-line rendszernek nevezett modern szintézis­rendszer, melyben vákuumban és argon gázban is dolgozhatnak.

Környezeti levegő teljes kizárásával üzemelő kémiai szintézisállomás. Jobbra a berendezés egy részének nagyítása látszik, ahol egy félvezető kolloidot argon atmoszférában hoztak létre.

Az alkotó atomok szintjén a legizgalmasabb kombinációkat az átmenetifém-kalkogenidek testesítik meg, melyek számos típusával folynak aktív kutatások különböző laborató­riumaink­­ban. A mindennapokból is ismert QLED televíziók első generációjában is alkalmazott CdSe kvantumpöttyök pár nanométeres méretskálán drasztikusan változtatják az általuk kibocsátott fény hullámhosszát, de többkomponensű, ún. mag/héj típusú részecskék esetén a hatásfokuk tovább javítható. Az átmeneti­fém-oxidok szintén a kutatások fókuszában álló potenciális foto­­katali­zátorok, melyek olcsón és környezetbarát módon előállíthatók, és fény­besugárzás hatására képesek szerves vegyületeket elbontani vagy átalakítani.

Félvezető kolloidok: CdSe kvantumpöttyök és CdSe/CdS kvantumrudak környezeti fényben, és UV fény alatt. Transzmissziós elektron­mikroszkópiás felvételek: CdSe kvantumpöttyök, CdSe/CdS kvantumrudak és réz(I)-oxid/arany nanorészecske.

A nanoméretben előállított félvezető részecskék egyedi részecskék szintjén történő vizsgálata komoly kihívás. Szerkezeti szempontból elengedhetetlen a modern elektron­mikroszkópia és elemanalitikai technikák alkalmazása, az optikai tulajdonságok vizsgálata pedig mikro­spektroszkópiai módszerekkel végezhető. A Kémiai Nano­szerkezetek kutató­csoport laboratóriumában akár egyetlen nanorészecske optikai vizsgálata is elvégezhető egy speciálisan erre a célra, egyedileg épített berendezéssel. A félvezető nano­részecskék optikai minősíté­sére, a bennük keltett töltés­hordozók kinetikai és dinamikai vizsgálatára olyan modern spektroszkópiai eszközöket alkalmazunk, melyek fény hatására akár egyetlen keltett fotont is képesek detektálni. Ilyen spektro­fluoriméterekkel a részecskék fényelnyelése, fényemissziója, a keltett töltéshordozók időbeli lecsengése is vizsgálhatóvá válik, melyekkel a modern félvezető kolloidok és nanoanyagok területét a tervezéstől az előállításon át a minősítésig és alkalmazási lehetőségeik vizsgálatáig kézben lehet tartani.

A félvezető nanorészecskék egyik fontos – alkalmazásokban is releváns – tulajdonsága, hogy a besugárzó fény hatására gerjesztett töltés­hordozók jönnek létre bennük (elektronok és elektron-lyukak), melyek energiáját fotonként kibocsáthatják (emisszió), vagy a töltés­hordozókat térben elválasztva azok kémiai reakcióba vihetők.

Mikrospektroszkópiai vizsgálatok: CdSe/CdS kvantumrudak az optikai mikroszkóp objektívje alatt, és a sötét látóterű mikroszkópiás felvétel. A beágyazott optikai spektrum a diffrakció-limitált területről detektált fotolumineszcencia egy részecskékkel erősen borított (sárga) és egy egyedi nanorészecskéket tartalmazó területről (piros). Nanorészecskés aerogél előállítása vezető hordozón, az ún. krioaerogélesítés módszerével, valamint a porózus gélszerkezet elektronmikroszkópiás képe az alkotó nanorészecskék szórási mikrospektrumával.

A szerkezeti tulajdonságokkal, a megválasztott komponensek szinergiájával lehetőség nyílik olyan nanoméretű kolloid részecskék előállítására, melyek hatékonyan újraegyesítik vagy éppen szétválasztják a foto­gerjesztett töltés­hordozókat, alkalmazási céltól függően. Sok esetben azonban egy nanoanyag akkor alkalmazható hatékonyan, ha az makroszkopiku­san kezelhető formába kerül: ennek egyik útja a valamilyen hordozóra történő rögzítés, vagy olyan öntartó porózus szerkezetek kialakítása, mint az aerogélek. A klasszikus aerogélekkel (pl. szilika, szén vagy szerves aerogélek) ellentétben olyan makroszkopikus szerkezeteket építünk fel, melyek alkotóelemei precízen előállított nanorészecskék. Ezek legfőbb előnye, hogy a vázalkotó nano­részecskék eredeti fizikai-kémiai tulajdonságai nemcsak hogy megőrződnek, hanem a részecskék közötti kölcsönhatás eredménye­kép­pen újszerű, másképp fel nem lépő optikai és elektronikai tulajdonságok ébrednek, utat nyitva ezzel a modern alkalmazások felé.•

A TKP2021-NKTA-05 számú projekt az Innovációs és Technológiai Minisztérium Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból nyújtott támogatásával, a TKP2021 pályázati program finanszírozásában valósult meg. A kutatás támogatásban részesült a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból, az FK OTKA 142148 számú pályázat keretén belül.

Címlapkép: HUN-REN EK MFA