Optoelectronic properties of Quantum Dots for biomedicine and energy-to-light conversion

Abstract

En les últimes dècades, la nanociència ha sorgit com una nova tecnologia gràcies a la seva versatilitat per ser emprada en diferents camps. Dins d’aquets grup, un dels nanomaterials més prometedors, els punts quàntics han estat estudiats per la seva extraordinària propietats i la seva versatilitat per utilitzar-los en diferents camps. La present tesis doctoral es centra en la síntesi de diferents punts quàntics, així com en el seu ús en LEDs, cèl·lules solars perovskites i biosensors. S'han sintetitzat tres tipus de punts quàntics: cadmi, perovskites i punts quàntics de carboni. Els dos primers presenten una banda d’emissió estreta i un rendiment quàntic elevat. No obstant, la seva alta toxicitat és un inconvenient que s’ha de tenir en comte. Com alternativa al seu ús, hem sintetitzat punts quàntics fet de carboni. La seva baixa toxicitat i biocompatibilitat és una bona alternativa als nanomaterials que contenen metalls pesants. A més, el material basat en carboni es pot preparar amb productes comuns com ara glucosa o sucrosa i poden ser dissolts en dissolvents no clorats com ara l’etanol o l’aigua. El treball presentat en aquesta tesis es va dur a terme a l'Institut d'Investigació Química de Catalunya (ICIQ) i al centre tecnològic Eurecat de Catalunya, entre març de 2015 i març de 2019.

En la última década, la nanociencia se ha convertido en una tecnología novedosa debido a su versatilidad para ser empleada en muchas áreas de investigación. Uno de los nanomateriales más prometedores, los puntos cuánticos coloidales, han sido estudiados en profundidad por su extraordinario optoelectrónico y su versatilidad para usar en diferentes campos. La presente tesis se centra en la síntesis de diferentes puntos cuánticos, así como su uso en LED, células solares de perovskita y biosensores. Se han sintetizado tres puntos cuánticos diferentes: cadmio, perovskita y puntos cuánticos de carbono. Los dos primeros materiales presentan un alto rendimiento cuántico y banda de emisión estrecha. Sin embargo, su alta toxicidad es una inconveniente que se tiene que tener en cuenta. Como alternativa a su uso, sintetizamos puntos cuánticos de carbono. Su baja toxicidad y su biocompatibilidad es una buena alternativa a los nanomateriales que contienen metales pesados. Además, el material a base de carbono se puede preparar utilizando productos de uso diario como azúcar o jugo de naranja y se puede resolver en solventes que no sean de cloro, como etanol o agua. El trabajo presentado en esta tesis se llevó a cabo en el Instituto de Investigación Química de Cataluña (ICIQ) y en Eurecat, el centro tecnológico de Cataluña, entre marzo de 2015 y marzo de 2019.

In the last decades, nanoscience has emerged as a novel technology due to its versatility to be employed in many research areas. One of the most promising nanomaterials, colloidal quantum dots have been deeply studied for their extraordinary optoelectronic properties and their versatility in order to use in different fields. The present thesis is focused on the synthesis of different quantum dots as well as their use in LEDs, perovskites solar cells and biosensors. Three different Quantum Dots have been synthetized: cadmium, perovskites and carbon based quantum dots. The first two material present a high quantum yield and narrow emission band. However, their high toxicity is an important drawback. In order to avoid the use of those material we synthetized carbon quantum dots. Their low toxicity and biocompatibility is a good alternative to heavy metal-containing nanomaterials. In addition, carbon based material can be prepared using ordinary products as glucose or sucrose and solved in non-chloro solvents such as ethanol or water. The work discussed in this thesis was carried out at Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ) and Eurecat the technological center of Catalonia, between March 2015 and March 2019.