Synthesis, characterization, energy transfer and binding properties of quantum dots and its superstructures

Abstract

Colloidal Quantum Dots (QDs) are promising systems for optoelectronic and biotechnology applications, since they have a higher photostability compared to classical fluorophores and their absorption and emission properties can be tuned during synthesis. Among the numerous alternative nanometer building blocks, colloidal QDs are of particular interest in the formation of ordered superstructures. Here, I investigate excitonic energy transfer in self-assembled dendrite-type fractal superstructures consisting of QDs by microscopically mapping their fluorescence spectra and lifetimes. For that purpose, CdSe/ZnS and CdTe QDs were produced in reverse micelles and aqueous solution, based on standard wet chemistry methods. The emission properties were controlled with adjusting only one parameter. Thiol ligands were used to obtain a phase transfer of the QDs to aqueous medium, and, then they were employed in the production of the self-assembled structures. The aim was to prepare dendrite-type fractal superstructures, which are formed spontaneously during incubation and evaporation of the water from QDs. These structures, of a determined fractal dimension, were studied using the microscopic fluorescence intensity and lifetime mapping setup developed and implemented in the course of this thesis. It was found that indications of energy transfer can take place in these fractal assemblies of monodisperse QDs if the Förster radius is sufficiently large. The excitation transmission into the central part of the fractal of the superstructure was detected in our experimental data (fluorescence lifetime maps), specifically for CdTe QD dendrites.

Pontos quânticos coloidais são sistemas promissores para diversas aplicações biotecnológicas e optoelectrónicas, sendo caracterizados por terem uma elevada foto estabilidade em comparação com os fluoróforos tradicionais e apresentando como uma mais-valia a possibilidade de ajuste das suas propriedades de emissão e absorção durante o processo de síntese. Entre os diversos blocos de construção nanométricos existentes, os pontos quânticos coloidais são de especial interesse para a formação de superestruturas ordenadas. Neste trabalho foi investigada a possibilidade de transferência de energia excitonica em superestruturas fractais do tipo dendrítico, formadas por processos de auto-organização a partir dos pontos quânticos, tendo sido adquirida informação estacionária e resolvida no tempo através do seu mapeamento microscópico. Para esse efeito, pontos quânticos de CdSe/ZnS e CdTe foram sintetizados em micelas invertidas e em soluções aquosas, em que as propriedades de emissão foram controladas com ajuste de apenas um parâmetro. Usando compostos organossulfurados foi possível obter a sua total solubilização em soluções aquosas, permitindo assim o seu uso na formação de estruturas auto-organizadas. O objetivo foi preparar superestruturas fractais do tipo dendrítico, formadas espontaneamente durante a incubação e evaporação da água a partir da solução aquosa contendo pontos quânticos. Estas superestruturas de uma determinada dimensão fractal foram estudadas utilizando técnicas de microscopia de fluorescência estacionária e resolvida no tempo, implementadas através do desenvolvimento de um microscópio de tempos de vida de fluorescência. Foram encontradas indicações de que a transferência de energia pode ocorrer em superestruturas fractais formadas por pontos quânticos monodispersos se o seu raio de Förster for suficientemente grande, tendo sido detetada a transmissão da excitação para a parte central das superestruturas fractais, especificamente no caso dos pontos quânticos de CdTe.