Seleniuro de cadmio

El seleniuro de cadmio es un compuesto inorgánico con la fórmula CdSe. Es un sólido de color negro a rojo-negro que se clasifica como semiconductor II-VI del tipo n. Es un pigmento, pero sus aplicaciones están disminuyendo debido a preocupaciones medioambientales.

Estructura

Se conocen tres formas cristalinas de CdSe que siguen las estructuras de: wurtzita (hexagonal), esfalerita (cúbica) y sal gema (cúbica). La estructura de la esfalerita CdSe es inestable y se convierte a la forma wurtzita tras un calentamiento moderado. La transición comienza aproximadamente a 130 °C y a 700 °C se completa en un día. La estructura de sal gema sólo se observa bajo alta presión.

Producción

La producción de seleniuro de cadmio se ha realizado de dos formas diferentes. La preparación de CdSe cristalino a granel se realiza mediante el método Bridgman vertical de alta presión o fusión de zona vertical de alta presión.

El seleniuro de cadmio también se puede producir en forma de nanopartículas. (ver aplicaciones para obtener una explicación) Se han desarrollado varios métodos para la producción de nanopartículas de CdSe: precipitación detenida en solución, síntesis en medios estructurados, pirólisis a alta temperatura, métodos sonoquímicos y radiolíticos son solo algunos.

La producción de seleniuro de cadmio mediante precipitación detenida en solución se realiza mediante la introducción de precursores de seleniuro de alquilcadmio y trioctilfosfina (TOPSe) en un disolvente calentado en condiciones controladas.

Me₂Cd + TOPSe → CdSe + (productos)

Las nanopartículas de CdSe se pueden modificar mediante la producción de materiales de dos fases con recubrimientos de ZnS. Las superficies se pueden modificar aún más, p. con ácido mercaptoacético, para conferir solubilidad.

La síntesis en ambientes estructurados se refiere a la producción de seleniuro de cadmio en cristal líquido o soluciones tensioactivas. La adición de tensioactivos a las soluciones a menudo da como resultado un cambio de fase en la solución que conduce a una cristalinidad líquida. Un cristal líquido es similar a un cristal sólido en que la solución tiene un orden de traslación de largo alcance. Ejemplos de este orden son láminas alternas en capas de solución y tensioactivo, micelas o incluso una disposición hexagonal de varillas.

La síntesis de pirólisis a alta temperatura generalmente se lleva a cabo utilizando un aerosol que contiene una mezcla de precursores volátiles de cadmio y selenio. Luego, el aerosol precursor se lleva a través de un horno con un gas inerte, como hidrógeno, nitrógeno o argón. En el horno, los precursores reaccionan para formar CdSe y varios subproductos.

Nanopartículas de CdSe

Las nanopartículas CdSe-derived con tamaños inferiores a 10 nm muestran una propiedad conocida como confinamiento cuántico. El confinamiento cuántico resulta cuando los electrones en un material se limitan a un volumen muy pequeño. El confinamiento cuántico es dependiente del tamaño, lo que significa que las propiedades de las nanopartículas CdSe son afinables según su tamaño. Un tipo de nanopartícula CdSe es un punto CdSe quantum. Esta discretización de estados energéticos resulta en transiciones electrónicas que varían según el tamaño del punto cuántico. Los puntos cuánticos más grandes tienen estados electrónicos más cercanos que los puntos cuánticos más pequeños, lo que significa que la energía necesaria para excitar un electrón de HOMO al LUMO es menor que la misma transición electrónica en un punto cuántico más pequeño. Este efecto de confinamiento cuántico se puede observar como un cambio rojo en espectros de absorción para nanocristalos con diámetros más grandes. Efectos de confinamiento cuántico en puntos cuánticos también pueden resultar en intermitencia de fluorescencia, llamada "blinking".

Los puntos cuánticos de CdSe se han implementado en una amplia gama de aplicaciones, incluidas células solares, diodos emisores de luz y etiquetas biofluorescentes. Los materiales basados en CdSe también tienen usos potenciales en imágenes biomédicas. El tejido humano es permeable a la luz infrarroja cercana. Al inyectar nanopartículas de CdSe preparadas adecuadamente en el tejido lesionado, es posible obtener imágenes del tejido en esas áreas lesionadas.

Los puntos cuánticos de CdSe suelen estar compuestos por un núcleo de CdSe y una capa de ligando. Los ligandos desempeñan papeles importantes en la estabilidad y solubilidad de las nanopartículas. Durante la síntesis, los ligandos estabilizan el crecimiento para evitar la agregación y precipitación de los nanocristales. Estos ligandos de limitación también afectan las propiedades electrónicas y ópticas del punto cuántico al pasivar los estados electrónicos de la superficie. Una aplicación que depende de la naturaleza de los ligandos de superficie es la síntesis de películas delgadas de CdSe. La densidad de los ligandos en la superficie y la longitud de la cadena del ligando afectan la separación entre los núcleos de nanocristales, lo que a su vez influye en el apilamiento y la conductividad. Comprender la estructura de la superficie de los puntos cuánticos de CdSe para investigar las propiedades únicas de la estructura y lograr una mayor funcionalización para una mayor variedad sintética requiere una descripción rigurosa de la química de intercambio de ligandos en la superficie del punto cuántico.

Una creencia predominante es que el óxido de trioctilfosfina (TOPO) o trioctilfosfina (TOP), un ligando neutro derivado de un precursor común utilizado en la síntesis de puntos de CdSe, cubre la superficie de los puntos cuánticos de CdSe. Sin embargo, los resultados de estudios recientes cuestionan este modelo. Utilizando RMN, se ha demostrado que los puntos cuánticos no son estequiométricos, lo que significa que la proporción de cadmio a seleniuro no es de uno a uno. Los puntos de CdSe tienen un exceso de cationes de cadmio en la superficie que pueden formar enlaces con especies aniónicas como las cadenas de carboxilato. El punto cuántico de CdSe tendría un desequilibrio de carga si TOPO o TOP fueran de hecho el único tipo de ligando unido al punto.

La cubierta del ligando CdSe puede contener ligandos de tipo X que forman enlaces covalentes con el metal y ligandos de tipo L que forman enlaces dativos. Se ha demostrado que estos ligandos pueden sufrir intercambio con otros ligandos. Ejemplos de ligandos de tipo X que se han estudiado en el contexto de la química de superficies de nanocristales de CdSe son los sulfuros y los tiocianatos. Ejemplos de ligandos de tipo L que se han estudiado son las aminas y las fosfinas (ref). Se ha informado de una reacción de intercambio de ligandos en la que los ligandos de tributilfosfina fueron desplazados por ligandos de alquilamina primaria en puntos de CdSe terminados en cloruro. Los cambios de estequiometría se controlaron mediante RMN de protones y fósforo. También se observó que las propiedades de fotoluminiscencia cambiaban con el resto del ligando. Los puntos unidos a amina tenían rendimientos cuánticos fotoluminiscentes significativamente mayores que los puntos unidos a fosfina.

Aplicaciones

El material CdSe es transparente a la luz infrarroja (IR) y ha tenido un uso limitado en fotorresistores y en ventanas para instrumentos que utilizan luz IR. El material también es muy luminiscente. El CdSe es un componente del pigmento naranja de cadmio. El CdSe también puede servir como capa semiconductora de tipo n en células fotovoltaicas.

Ocurrencia natural

El CdSe se encuentra en la naturaleza como el mineral muy raro cadmoselita.

Información de seguridad

El cadmio es un metal pesado tóxico y se deben tomar las precauciones adecuadas al manipularlo y sus compuestos. Los seleniuros son tóxicos en grandes cantidades. El seleniuro de cadmio es un carcinógeno conocido para los seres humanos y se debe buscar atención médica en caso de ingestión, inhalación del polvo o si se produce contacto con la piel o los ojos.