Chemically resistant and thermally stable quantum dots prepared by shell encapsulation with cross-linkable block copolymer ligands
초록
양자점(QD)에 견고함과 내구성을 부여하는 것은 이 분야에서 가장 중요한 과제 중 하나였는데, 실제 응용에서 QD의 주요 한계가 열적·산화적 불안정성이기 때문이다. 이 연구에서 우리는 싸이올 말단 폴리(메틸 메타크릴레이트-b-글리시딜 메타크릴레이트)(P(MMA-b-GMA)-SH) 블록 공중합체 리간드로 만든 고분자 이중 껍질 구조를 이용하여 QD의 광화학적 안정성을 높이는 간단하고 효과적인 부동태화 방법을 제안한다. 조밀하게 가교된 그물 구조를 만들기 위해, 본래 QD의 광물리적 물성에 영향을 주지 않도록 상온 환경에서 루이스 산 촉매를 사용하여 PGMA 블록 내 GMA 에폭사이드의 가교 반응을 수행하였다. 이를 통해 매우 투명한 PMMA 바깥 껍질과 산화 방지용 가교 안쪽 껍질로 이루어진 견고한 이중층으로 캡슐화된 QD를 얻었다. 그 결과, 얻어진 QD는 유기 용매에 분산되거나 QD-나노복합체 박막 형태일 때 온도와 산화제 종류에 관한 다양한 가혹 조건에서 입증된 바와 같이 열과 산화제에 대해 뛰어난 내성을 보였다. 본 접근법은 QD의 열화학적 안정성을 높이는 간단하면서도 효과적인 화학적 수단을 제공할 뿐 아니라, 견고한 발광 또는 광포집 소자 개발을 위해 QD를 고분자 재료와 혼성화하는 유망한 플랫폼을 제시한다.
Original abstract (English)
Endowing quantum dots (QDs) with robustness and durability has been one of the most important issues in this field, since the major limitations of QDs in practical applications are their thermal and oxidative instabilities. In this work, we propose a facile and effective passivation method to enhance the photochemical stability of QDs using polymeric double shell structures from thiol-terminated poly(methyl methacrylate-b-glycidyl methacrylate) (P(MMA-b-GMA)-SH) block copolymer ligands. To generate a densely cross-linked network, the cross-linking reaction of GMA epoxides in the PGMA block was conducted using a Lewis acid catalyst under an ambient environment to avoid affecting the photophysical properties of the pristine QDs. This provides QDs encapsulated with robust double layers consisting of a highly transparent PMMA outer shell and an oxidation-protective cross-linked inner shell. Consequently, the resulting QDs exhibited exceptional tolerance to heat and oxidants when dispersed in organic solvents or QD-nanocomposite films, as demonstrated under various harsh conditions with respect to temperature and oxidant species. The present approach not only provides simple yet effective chemical means to enhance the thermochemical stability of QDs, but also offers a promising platform for the hybridization of QDs with polymeric materials for developing robust light-emitting or light-harvesting devices.