Size Determination of Cadmium Selenide Quantum Dots via Small-Angle X-ray Scattering
The rising demand for quantum dots (QDs) necessitates swift and reliable quality verification methods. This work focuses on the synthesis of organically passivated CdSe core QDs and their comprehensive characterization via UV/Vis spectroscopy, transmission electron microscopy, and small-angle X-ray scattering (SAXS). The aim was to correlate data to ISO/TS 17466 (data standard deviation ~15%) and to validate SAXS as a reliable method for sizing data modeling. This was achieved by obtaining the number-weighted hard-sphere parameter Dn with a relative deviation percentage of 6.9 ± 4.4 %. Additionally, the volume-weighted gyradius Dg, the model-free mode of the pair-distribution function Dmode, and the volume-weighted hard-sphere parameter Dv were derived and expressed as readily applicable tight-binding model functions. This work utilized laboratory SAXS to measure sub-2 nm particles and various bimodal size distributions of mixed particle samples between 2 and 7 nm. The traceable results significantly enhanced the certainty of characterizing such small particles near the instrumental resolution limit. The generalized indirect Fourier transform method consistently identified mean values for bimodal samples, demonstrating SAXS as a viable method. However, individual population modes were only revealed using experimentally weak Lagrange multiplier.
Additionally, this work addresses the longevity of colloidal QDs by preserving their size distribution through embedding in epoxy resin, yielding easily manageable casts of great value for various SAXS applications. The method for epoxy resin embedment supports the proof-of-concept of core CdSe nanoparticles as a sub-10 nm standard, although homogenizing cast processing optimizations are necessary to reduce uncertainties. Hence, an alternative design concept for vertical instead of horizontal casting is proposed. Furthermore, it was observed that the surrounding matrix blue-shifts the band edge energy proportional to the number fraction of surface atoms, highlighting the necessity of understanding matrix-dependent sizing data. Surface reconstruction effects are indicated as the main cause, with follow-up experiments proposed for probing the impact of stress by alternating the matrix. Critical factors for establishing a CdSe QD standard from pre-synthesis to post-evaluation are discussed, emphasizing the importance of handling and process unification. These metrological discussions are essential to delimit the size-dependent property range and uncertainty inherent in the quantum dot material itself.
Die steigende Nachfrage nach Quantenpunkten (QDs) erfordert schnelle und zuverlässige Qualitätsprüfmethoden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Synthese von organisch passivierten CdSe-Kern-QDs und ihre umfassende Charakterisierung mittels UV/Vis-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Kleiwinkel-Röntgenstreuung (SAXS). Das Ziel besteht darin, die Daten mit ISO/TS 17466 zu vergleichen und SAXS als zuverlässige Methode zur Korrelation von optoelektronischen und dimensionalen Daten zu validieren. Dies wurde erreicht, indem der anzahlgewichtete Hartkugelparameter Dn mit einer relativen Abweichung von 6,9 ± 4,4 % bestimmt wurde. Zusätzlich wurden der volumengewichtete Gyradius Dg, der Modus der modelfreien Paarabstandsfunktion Dmode und der volumengewichtete Hartkugelparameter Dv berechnet und als tight-binding-
Modellfunktionen bereitgestellt. In dieser Arbeit wurde ein Laborinstrument für SAXS zur Messung von Sub-2 nm-Partikeln und gemischten Proben mit bimodalen Größenverteilungen zwischen 2 und 7 nm verwendet. Die rückführbaren Ergebnisse erhöhen erheblich das Vertrauen in die Messbarkeit solch kleiner Partikel nahe der instrumentellen Auflösungsgrenze. Die generalisierte indirekte Fourier-Transformationsmethode ergab konsistente Mittelwerte für die bimodalen Proben, was die Zuverlässigkeit von SAXS unterstreicht. Individuelle Populationsmodi wurden jedoch nur mit experimentell gelockerten Lagrange Multiplikatoren aufgedeckt. Darüber hinaus widmet sich diese Arbeit der Haltbarkeit von kolloidalen QDs durch Einbetten in Epoxidharz, was zu leicht handhabbaren Festkörperproben für verschiedene SAXS-Anwendungen führt. Die Ergebnisse bestärken den Einsatz von Kern-CdSe-QDs als Sub-10 nm-Standard. Um verbliebende Unsicherheiten im Herstellungsprozess zu minimieren wird ein alternatives Designkonzept für vertikales Einbetten beschrieben. Eine proportionale Korrelation zwischen dem Einfluss der umgebenden Matrix auf die Bandlückenenergie und dem Anteil der Oberflächenatome wurde festgestellt. Oberflächenrekonstruktionseffekte werden als Hauptursache vermutet. Kritische Faktoren für die Etablierung eines CdSe-QDStandards von der Vorsynthese bis zur Auswertung werden diskutiert. Diese metrologischen Diskussionen sind notwendig, um den inhärenten, größenabhängigen Eigenschaftsbereich des Quantenpunktmaterials und die damit verbundene Unsicherheit präzisier zu definieren.
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