A comparative study of structural stability, electronic, and spectroscopic properties of Carbon Quantum Dots (CQDs): a dual experimental/theoretical approach

Abstract

Los puntos cuánticos de carbono (CQDs) han suscitado un interés significativo debido a sus diversas aplicaciones, que van desde dispositivos optoelectrónicos hasta imágenes biomédicas, gracias a sus propiedades electrónicas y ópticas únicas. En este estudio, presentamos una investigación exhaustiva sobre la síntesis, caracterización y análisis computacional de CQDs derivados de semillas de sandía, centrándonos en la influencia de defectos en sus propiedades. Inicialmente, se sintetizaron CQDs utilizando un proceso hidrotérmico verde con semillas de sandía de diferentes niveles de madurez como precursores. La caracterización extensiva utilizando técnicas de UV-Vis, espectroscopía Raman, FTIR y XPS confirmó la síntesis exitosa y reveló información estructural y química crucial sobre los CQDs, incluida la presencia de grupos funcionales como amina, carboxilo y carbonilo. Posteriormente, empleando la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT), analizamos el impacto de diferentes tipos de defectos (borde, superficie y Stone-Wales) en las propiedades electrónicas, estructurales y ópticas de los CQDs. Nuestro análisis computacional reveló detalles intrincados sobre la estructura electrónica de los CQDs, incluida la localización de orbitales en los bordes para estructuras de zigzag y orbitales delocalizados para estructuras de silla. Además, observamos cambios significativos en la brecha de energía y en los orbitales moleculares fronterizos debido a la presencia de defectos, lo que indica su papel crucial en la modulación de las propiedades de los CQDs. Los defectos superficiales, derivados de grupos funcionales encontrados experimentalmente, indujeron modificaciones en la estructura electrónica, lo que resultó en una disminución en la brecha de energía y la localización de estados alrededor de los grupos funcionales. El análisis estructural reveló discrepancias entre las predicciones teóricas y las observaciones experimentales, destacando la necesidad de un refinamiento adicional en los modelos computacionales. De manera similar, los CQDs modificados con defectos de Stone-Wales exhibieron propiedades electrónicas y estructurales alteradas, con una disminución en la brecha de energía y la localización de orbitales alrededor de los defectos. El análisis estructural reveló la aparición de nuevos picos en los espectros FTIR y una reducción en la intensidad de ciertas bandas Raman, lo que indica modificaciones estructurales inducidas por los defectos. Si bien nuestro estudio proporciona información valiosa sobre la influencia de los defectos en las propiedades de los CQDs, se requiere más investigación para comprender completamente sus implicaciones.