Kostenlose Elektronenkonzentration in kolloidalen Indium-Zinn-Oxid-Nanokristallen, bestimmt durch ihre Größe und Struktur

Wir berichten über die Synthese und Trennung von kolloidalen Indium-Zinn-Oxid (ITO) Nanokristallen in der stabilen kubischen Bixbyit (bcc-ITO) und metastabilen Korund (rh-ITO) Phase unter identischen Bedingungen, basierend auf der Größe-Struktur-Korrelation. Beide Phasen werden in denselben Reaktionen erhalten, wobei Nanokristalle mit einer Größe von unter ca. 5 nm eine Korund-Kristallstruktur aufweisen. Diese bimodale Größenverteilung ermöglicht die Trennung der Nanokristallphasen durch größenselektive Fällung. Eine vergleichende Studie der bcc-ITO und rh-ITO Nanokristalle offenbart einen dramatischen Unterschied in ihren optischen und elektrischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu kleineren rh-ITO Nanokristallen zeigen bcc-ITO Nanokristalle eine starke Absorption im nahen Infrarot (NIR)-Bereich, die auf die Plasmon-Oszillationen aufgrund der Anwesenheit freier Elektronen zurückzuführen ist. Der Unterschied in der Konzentration freier Elektronen in bcc-ITO und rh-ITO Nanokristallen steht im Zusammenhang mit der unterschiedlichen elektronischen Struktur der Donatorzustände, die mit Sn4+ Dotierstoffen assoziiert sind, in diesen beiden nanokristallinen allotropen Modifikationen. Die Aktivierungsenergie der Donatoren ist in rh-ITO NCs signifikant höher, wodurch eine wesentliche Konzentration freier Elektronen im Leitungsband verhindert wird. Der erhöhte Austausch organischer Schutzliganden durch Anionen in der Lösung führt zur orientierten Anlagerung größerer bcc-ITO Nanokristalle und zur Bildung blütenähnlicher Cluster. Diese Ergebnisse zeigen, dass die optischen und elektrischen Eigenschaften komplexer Oxid-Nanokristalle durch die Auswahl ihrer Kristall- und elektronischen Strukturen über Größe und Zusammensetzung abgestimmt werden können und ermöglichen eine gezielte Vorbereitung und kontrollierte Selbstanordnung von ITO Nanokristallen.