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out 17

Síntese de quantum dots de ZnO e medida de seu band gap

     Nanopartículas de óxido de zinco são quantum dots. Um quantum dot pode ser descrito, segundo Mark Reed, como uma porção de matéria onde os pares elétrons/lacunas (Também chamados de éxcitons) estão confinados em um pequeno volume, de ordem nanométrica. Esse confinamento confere ao material uma série de propriedades semicondutoras especiais que são  diferentes daquelas observadas em semicondutores em estado bulk. Assim como os semicondutores convencionais, os quantum dots também possuem um band gap (Diferença de energia entre as bandas de valência e condução) característico.

     As nanopartículas de óxido de zinco possuem uma propriedade interessante relacionada ao que foi exposto anteriormente: devido ao seu band gap, elas absorvem a luz na região do espectro eletromagnético correspondente ao ultravioleta, embora sejam opticamente transparentes à luz visível,  algo útil quando se deseja fabricar protetores solares. 
    Em nanopartículas, o comprimento de onda de absorção é uma função do tamanho de partícula e, caso possa ser medido em um espectrofotômetro, esse comprimento de onda pode ser utilizado para calcular o o raio da partícula estudada.
      Em 2011, o Olhar Nano publicou uma síntese de nanopartículas semicondutoras de CdS, que também são quantum dots. 
     Agora, essa prática propõe a síntese de quantum dots de ZnO, a 65 ° C, utilizando pouco material. Ao final, é descrito um cálculo simples para se conhecer o valor do band gap do material sintetizado.  
 
   EQUIPAMENTO E REAGENTES
  • Béqueres
  • Balança
  • Sistema de aquecimento
  • Termômetro
  • NaOH
  • Acetato de zinco
  • Isopropanol
  • Água destilada
  • Cubeta de quartzo
  • Espectrofotômetro

    PROCEDIMENTO
 
     Aquecer um béquer contendo água a 65 ° C. Ao mesmo tempo, dissolver 0,10 g de acetato de zinco em 25 mL de isopropanol em outro béquer, utilizando, caso necessário,  aquecimento brando em uma capela. Quando a dissolução estiver completa, misture 125 mL de isopropanol gelado ao béquer.
     Em seguida, adicionar 15 mL de uma solução 0,050 M de NaOH em ​​isopropanol (0,2g de NaOH em 100mL de isopropanol) ao béquer lentamente e sob agitação. 
      Aquecer novamente a 65 0C, sob agitação e coletar alíquotas do líquido a cada 3 minutos, submentendo as amostras à análise em um espectrofotômetro, registrando o comprimento de onda onde ocorre absorção máxima (Na região do ultravioleta), até que não ocorram mais mudanças no espectro. Um exemplo de espectro eletrônico típico de quantum dots de ZnO pode ser visto na Figura 1:
 
 
 
            Figura 1. Espectro UV-Vis de quantum dots de ZnO
 
 
 
     
 
       Devido ao fato das nanopartículas de ZnO não apresentarem bandas de absorção na região correspondente à luz visível, elas não podem ser vistas a olho nu (Em outras palavras, não alteram o aspecto do líquido no béquer), mas podem ser detectadas através da absorção de luz ultraviloleta co forme comentado anteriormente.
    Para calcular a energia do band gap dos quantum dots sintetizados, utilize a seguinte equação:
 
 
Eg = h c / λ
 
    Onde:
Eg= Energia do band gap
h = constante de Planck (6.626x10-34 J s)
c = velocidade da luz no vácuo (2.998x108 m/s)
λ = Comprimento de onda da luz onde ocorre absorção máxima (Medido experimentalmente no espectrofotômetro)
 
   Em breve, no Olhar Nano, teremos um artigo dedicado aos quantum dots com as equações e procedimentos detalhados para calcular o tamanho das nanopartículas através dos dados obtidos nesse experimento. Fique atento!
 
   REFERÊNCIAS
  • A. Jacobs and G. Lisensky from that of P. S. Hale, L. M. Maddox, J. G. Shapter, N. H. Voelcker, M. J. Ford, and E. R. Waclawik, "Growth Kinetics and Modeling of ZnO Nanoparticles," J. Chem. Educ. (2005) 82, 775-778.

 

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