Seleniuro di cadmio

Il seleniuro di cadmio CdS è un semiconduttore appartenente ai semiconduttori II-VI di tipo n costituiti da un metallo del gruppo II B o 12 della tavola periodica e un non metallo del gruppo 16 ovvero il gruppo dei calcogeni, precedentemente chiamato gruppo VI A. I semiconduttori II-VI sono più comunemente costituiti da metalli come cadmio, zinco e mercurio e non metalli come zolfo, selenio e tellurio.

Il seleniuro di cadmio è un calcogenuro binario che ha sia carattere ionico che covalente che cristallizza in wurtzite esagonale, sfalerite di blenda di zinco e salgemma cubico, con la fase wurtzite esagonale che è la più comunemente trovata e utilizzata.

Riscaldando la sfalerite, il seleniuro di cadmio viene convertito in wurtzite perché la forma sfalerite è instabile. Questa transizione avviene nell’intervallo di 130–700 °C. La forma cristallina a salgemma viene osservata solo ad alta pressione.

Il seleniuro di cadmio si rinviene in natura nel raro minerale cadmoselite rinvenuto per la prima volta nel 1957 a Tuva una delle ventidue repubbliche della Federazione Russa che si trova in Siberia centro-meridionale, lungo il confine con la Mongolia.

Proprietà del seleniuro di cadmio

È di colore dal nero al rosso-nero, ha una elevata sensibilità della luce nella regione visibile ed è altamente luminescente. Per la sua natura fotosensibile, è utilizzato nella fabbricazione di diversi dispositivi optoelettronici, transistor a film sottili, fotoconduttori e rilevatori di raggi gamma.

A temperatura ambiente, ha un band gap diretto di 1.74 eV  e band gap indiretto di 1.23-1.25 eV che rientra nello spettro visibile e pertanto esibisce un potente effetto fotoelettrico quando attivato dalla luce visibile.

Non è solubile in acqua, ha una densità di 5.81 g/cm³, una temperatura di fusione maggiore di 1350 °C, una resistività elettrica di 105-106 Ω-cm e una mobilità degli elettroni di 450-900 cm² /V ·s e un indice di rifrazione di 2.87 a 900 nm.

Le nanoparticelle di seleniuro di cadmio mostrano proprietà uniche che sono totalmente diverse dal materiale in massa a causa dell’effetto di confinamento quantistico in cui la dimensione della particella diventa più piccola della dimensione dell’eccitone responsabile dell’emissione di luce.

Questa proprietà delle nanoparticelle di seleniuro di cadmio produce una gamma di fluorescenza diversa a seconda delle dimensioni delle particelle

Sintesi

Nel 1879, il chimico francese MJ Margottet preparò il seleniuro di cadmio riscaldando il cadmio elementare in una corrente di seleniuro di idrogeno H₂Se e sublimando successivamente il prodotto in un’atmosfera di idrogeno.

I punti quantici o quantum dots colloidali (CQD) o nanocristalli semiconduttori sono particelle semiconduttrici di pochi nanometri di dimensione con proprietà ottiche ed elettroniche che differiscono da quelle delle particelle più grandi tramite effetti meccanici quantistici.

I punti quantici di seleniuro di cadmio sono generalmente preparati tramite due percorsi principali, che includono i metodi “top-down” e “bottom-up“. Nell’approccio top-down, il materiale è suddiviso in pezzi più piccoli tramite forze meccaniche, ablazione laser, litografia a fascio, incisione chimica umida, scarica ad arco, incisione con ioni reattivi e ossidazione chimica.

Nell’approccio bottom-up, il materiale è inizialmente consolidato con l’aiuto di precursori molecolari, che sono principalmente nel meccanismo chimico umido tramite metodi di precipitazione e fase vapore. Il processo di sintesi di punti quantici di seleniuro di cadmio è una parte essenziale della nanotecnologia perché il loro metodo di sintesi determina le sue proprietà come forma, dimensione, conduttività e caratteristiche ottiche.

I punti quantici (QD) di seleniuro di cadmio possono sintetizzati iniettando simultaneamente cadmio con soluzioni di precursori di selenio in una miscela riscaldata di ottadecene e tensioattivi, tra cui acido oleico e triottilfosfina.

Sintesi di nanoparticelle

La sintesi di nanoparticelle di seleniuro di cadmio può essere ottenuta tramite il metodo di trattamento termico a diverse temperature di calcinazione da 450 a 700  °C in ambiente alternato di ossigeno e azoto. La polvere di selenio è solubilizzata in etilendiammina a 200  °C per 2 ore prima di essere miscelata con il precursore metallico, nitrato di cadmio e l’agente di capping polivinilpirrolidone per ottenere, dopo la calcinazione, le nanoparticelle di CdSe.

Punti quantici di seleniuro di cadmio possono essere sintetizzati tramite metodo idrotermale, metodo di cristallizzazione di sostanze da soluzioni acquose ad alta temperatura ad alte pressioni di vapore, in genere condotto in un sistema chiuso a temperatura ambiente e pressione superiore a 1 atmosfera.

Sono utilizzati cloruro di cadmio e ossido di selenio come materiali di partenza, acido 3-mercaptopropionico come modificatore di superficie e sodio boroidruro, acido ascorbico, citrato trisodico disidratato, acido tartarico e acido 2-amminobenzenecarbossilico come agenti riducenti.

Un altro metodo di sintesi in fase acquosa con l’uso delle microonde è stato realizzato un sale di cadmio o un suo ossido o idrossido e il seleniuro acido di sodio NaHSe.

Le procedure di sintesi biogenica sono esplorate per la loro compatibilità ambientale e sono facilmente disponibili da numerose fonti come funghi, batteri e protozoi. Una sintesi biogenica di punti quantici di seleniuro di cadmio è stata realizzata con il Saccharomyces cerevisiae utilizzando, quali precursori, il selenito di sodio Na₂SeO₃ e cloruro di cadmio.

Usi

I punti quantici di seleniuro di cadmio hanno applicazioni in campo biomedico nella diagnosi di malattie, nell’imaging intracellulare, nel tracciamento di singole proteine, nella somministrazione di farmaci e nelle terapie.

Il seleniuro di cadmio è utilizzato come catalizzatore, nei diodi a emissione di luce, nelle celle solari, in fotoresistori e dispositivi fotovoltaici. A causa della sua trasparenza alle rediazioni infrarosse può essere utilizzato nella produzione della finestra atmosferica infrarossa in cui vi è relativamente poco assorbimento di radiazione termica terrestre da parte dei gas atmosferici.

Le nanoparticelle di seleniuro di cadmio sono utilizzate nei sensori chimici in grado di monitorare la qualità dell’aria e individuare vari tipi di gas e sostanze inquinanti.

I punti quantici CdSe possono essere utilizzati nei dispositivi fotonici come emettitori per display a colori, modificatori di colore per diodi ad emissione luminosa, amplificatori in fibra ottica che amplificano direttamente un segnale ottico senza che sia necessario convertirlo in un segnale elettrico.

Sono inoltre utilizzati in sensori ottici di temperatura, dispositivi che rilevano e misurano le variazioni di temperatura dell’aria o della temperatura superficiale di liquidi e solidi e filtri di elaborazione del segnale ad alta velocità.

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