No description available.

[ES] Los nanocristales de perovskita de haluros metálicos, cuya fórmula general es ABX3 (A = Cs+, CH3NH3+, CH(NH2)2+; B = Pb+2, Sn+2; y X = Cl-, Br-, I-) son una clase de nanomateriales semiconductores que han tenido un gran impacto en fotovoltaica y en la fabricación de dispositivos emisores de luz debido a sus excelentes propiedades optoelectrónicas, entre ellas, la capacidad para transportar cargas, generar electricidad y producir luz. Aunque se trata de un área menos explorada, tienen potencial para convertirse en marcadores luminiscentes en aplicaciones biológicas por sus dimensiones nanométricas (4-15 nm) y por exhibir propiedades ópticas únicas, entre ellas: alto rendimiento cuántico de fluorescencia, espectro de emisión estrecho y posibilidad de modular su emisión en función de su tamaño y composición para obtener una amplia gama de colores en la región visible (410-700 nm), lo que los convierte en candidatos prometedores en multiplexado. Además, presentan absorción multifotónica en el cercano infrarrojo y emisión upconversion, siendo una ventaja en diagnóstico por imagen, ya que se emplea una radiación que es inocua para los tejidos, tiene mayor penetración, reduce la autofluorescencia celular y mejora la relación señal-ruido. A pesar de las excelentes propiedades ópticas de estos materiales, tienden a degradarse frente a la humedad, oxígeno, luz y alta temperatura, lo que supone una clara limitación para el desarrollo de sus aplicaciones en biosensado y diagnóstico por imagen. Durante los últimos años, los avances en los métodos de encapsulación han permitido mejorar su estabilidad frente a agentes externos, generando estructuras core-shell o integrándose en matrices de una gran variedad de materiales, entre los que se incluyen óxidos inorgánicos, polímeros u otros semiconductores. Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de diferentes nanopartículas de perovskita estables en medio acuoso para su utilización como marcadores luminiscentes en biosensado o bioimagen in vitro. En todas las metodologías propuestas se ha pretendido que las partículas resultantes cumplan con una serie de requisitos, principalmente: tamaño nanométrico (< 200 nm), elevado rendimiento cuántico de fluorescencia, estabilidad química y estructural en tampón salino o medios de cultivo, y fácil conjugación a biorreceptores específicos. Esta tesis contribuye al avance en el desarrollo de nanomateriales luminiscentes basados en perovskitas de haluros metálicos, abordando el desafío que supone su estabilización en medio acuoso y demostrando su viabilidad en medios biológicos. Se prevé que, en un futuro, sea posible su implantación en el desarrollo de plataformas analíticas de alto rendimiento que permitan la detección y/o cuantificación óptica de analitos de interés clínico, medioambiental o alimentario en el punto de atención, cumpliendo con los criterios de rapidez, fiabilidad, facilidad de manejo y bajo coste, superando en sensibilidad y capacidad de multiplexado a los sistemas actuales, la mayoría de ellos basados en nanopartículas de oro, colorantes orgánicos o sistemas quimioluminiscentes. / [CA] Els nanocristals de perovskita d'halurs metàl·lics, amb fórmula general ABX3 (A = Cs+, CH3NH3+, CH(NH2)2+; B = Pb+2, Sn+2; y X = Cl-, Br-, I-), són una classe de nanomaterials semiconductors que han tingut un gran impacte en fotovoltaica i en la fabricació de dispositius emissors de llum a causa de les seues excel·lents propietats optoelectròniques, entre elles, la capacitat per a transportar càrregues, generar electricitat i produir llum. Encara que es tracta d'una àrea menys explorada, tenen potencial per a convertir-se en marcadors luminescents en aplicacions biològiques per les seues dimensions nanomètriques (4-15 nm) i per exhibir propietats òptiques úniques, entre elles: alt rendiment quàntic de fluorescència, espectre d'emissió estret i possibilitat de modular la seua emissió en funció de les seues dimensions i composición, de manera que es pot obtindre una àmplia gamma de colors a la regió visible (410-700 nm), la qual cosa els converteix en candidats prometedors en multiplexatge. A més, presenten absorció multifotònica en el pròxim infraroig i emissió upconversion, sent un avantatge en diagnòstic per imatge, ja que s'empra una radiació que és innòcua per als teixits, té major penetració, redueix l'autofluorescència cel·lular i millora la relació senyal-soroll. Malgrat les excel·lents propietats òptiques d'aquests materials, tendeixen a degradar-se enfront de la humitat, oxigen, llum i alta temperatura, la qual cosa suposa una clara limitació per al desenvolupament de les seues aplicacions en biosensat i diagnòstic per imatge. Durant els últims anys, els avanços en els mètodes d'encapsulació han permés millorar la seua estabilitat enfront d'agents externs, generant estructures core-shell o integrant-se en matrius d'una gran varietat de materials, entre els quals s'inclouen òxids inorgànics, polímers o altres semiconductors. Aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament de diferents nanopartícules de perovskita estables al mig aquós per a la seua utilització com a marcadors luminescents en biosensat o bioimatge in vitro. En totes les metodologies proposades s'ha pretés que les partícules resultants complisquen amb una sèrie de requisits, principalment: grandària nanomètric (< 200 nm), elevat rendiment quàntic de fluorescència, estabilitat química i estructural en tampó salí o medis de cultiu, i fàcil conjugació a biorreceptors específics. Aquesta tesi contribueix a l'avanç en el desenvolupament de nanomaterials luminescents basats en perovskitas d'halurs metàl·lics, abordant el desafiament que suposa la seua estabilització al mig aquós i demostrant la seua viabilitat en mitjans biològics. Es preveu que, en un futur, siga possible la seua implantació en el desenvolupament de plataformes analítiques d'alt rendiment que permeten la detecció i/o quantificació òptica d'anàlits d'interés clínic, mediambiental o alimentari en el punt d'atenció, complint amb els criteris de rapidesa, fiabilitat, facilitat de maneig i baix cost, superant en sensibilitat i capacitat de multiplexatge als sistemes actuals, la majoria d'ells basats en nanopartícules d'or, colorants orgànics o sistemes quimioluminescents. / [EN] Metal halide perovskite nanocrystals, with the general formula ABX3 (A = Cs+, CH3NH3+, CH(NH2)2+; B = Pb+2, Sn+2; y X = Cl-, Br-, I-), constitute a new class of semiconductor nanomaterials with a significant impact on photovoltaic industry and fabrication of light-emitting devices due to their excellent optoelectronic properties, including the ability to transport charges, generate electricity and produce light. While it has not been deeply explored yet, they have the potential to become luminescent labels in biological applications, given their nanometric size (4-15 nm) and unique optical properties, such as high photoluminescence quantum yield, narrow emission spectra, and the possibility to tune their emission based on size and composition. This enables a wide color gamut in the visible region (410-700 nm), making them promising candidates in multiplexing. Moreover, perovskite nanocrystals exhibit strong multi-photon absorption properties in the near-infrared region and upconversion emission, which are an advantage for bioimaging applications since near-infrared radiation is less hazardous to living organisms, has deeper tissue penetration, reduces cellular autofluorescence and enhances signal-to-noise ratio. Despite the exceptional optical properties of perovskite nanocrystals, their potential in biosensing and bioimaging applications is hindered by their poor stability against moisture, oxygen, light and heat. To overcome these issues, in the last years, several strategies have been developed to improve their stability through the encapsulation of perovskite nanocrystals in a wide variety of protective materials, such as inorganic oxides, polymers, or semiconductors, in the form of core-shell nanoparticles or embedded in a matrix. This thesis focuses on the synthesis and stabilization of perovskite nanocrystals in aqueous environments with the aim of using them as luminescent labels in biosensing or in vitro bioimaging. Different methodologies have been employed to yield particles that meet specific requirements: nanometric size (< 200 nm), high photoluminescence quantum yield, robust chemical and structural stability in saline buffers or culture media, and facile conjugation with bioreceptors. This thesis contributes to the development of luminescent nanomaterials based on metal halide perovskite nanocrystals, facing the challenge of stabilizing them in aqueous media and testing their viability in biologic media. We envision that, in the near future, it will be possible to incorporate perovskite nanoparticles in the development of high-throughput analytical platforms for the optical detection and/or quantification of clinically, environmentally or food-related analytes at the point of care, meeting the criteria of speed, reliability, ease of use, and low cost, surpassing current systems in sensitivity and multiplexing, most of them based on gold nanoparticles, organic dyes or chemiluminescent systems. / Quiero expresar mi gratitud a Mª José Bañuls y Ángel Maquieira, por concederme la beca de formación predoctoral FPI (BES-2017-080242), asociada al proyecto de Biosensores holográficos. Prueba de concepto y demostración en aplicaciones clínicas (CTQ2016-75749-R), financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad / Collantes Pablo, C. (2024). Síntesis, estabilización y funcionalización de nanocristales de perovskita de haluros metálicos para su empleo como reveladores y marcadores en histoquímica, cultivos celulares y biosensado [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202615

Nanočástice perovskitů halogenidů kovů vykazují unikátní vlastnosti, především výjimečně vysoké hodnoty kvantových výtěžků fluorescence, které předurčují tyto materiály pro aplikace v optoelektronických a fotonických zařízeních. Tato práce popisuje přípravu nanočástic perovskitů halogenidů kovů pomocí stabilizačních činidel inspirovaných přírodou. Stabilizační činidla zde slouží nejen ke stabilizaci, ale i k modifikaci povrchu nanočástic za účelem zvýšení funkčnosti výsledných nanostruktur. Úvod práce popisuje optimalizaci přípravy nanočástic precipitační technikou za použití stabilizačních činidel; jako stabilizační činidlo byl zvolen adamantan-1-amin spolu s hexanovou kyselinou. Bylo prokázáno, že klíčový vliv na optické vlastnosti výsledných koloidních roztoků má volba rozpouštědel a teploty při precipitaci. Mimo jiné byl zkoumán vliv koncentrace prekurzorů na výslednou morfologii a optické vlastnosti nanočástic a jejich koloidních roztoků. V neposlední řadě byly nanočástice stabilizovány adamantan-1-aminem spolu s různými karboxylovými kyselinami a byly studovány optické vlastnosti a koloidní stabilita výsledných koloidních roztoků. V dalším kroku byly nanočástice perovskitů stabilizovány pomocí proetogenních aminokyselin L-lysinu and L-argininu. Takto stabilizované nanočástice vykazovaly úzká emisní spektra ve viditelné oblasti a kvantové výtěžky fluorescence dosahující hodnot téměř 100 %. Stabilizace nanočástic prostřednictvím postranních skupin aminokyselin byla prokázána navázáním chránící terc-butoxykarbonylové skupiny na -amino skupinu. Nanočástice stabilizované modifikovaným lysinem v průběhu jejich přípravy vykazovaly závislost optických vlastností na přítomnosti vody. Předpokládá se, že molekuly vody jsou schopné kontrolovat růst krystalové mřížky po navázání na prekurzory perovskitů a ovlivňovat tak výslednou velikost nanočástic, což vede k projevení kvantových jevů. Spojení nanočástic perovskitů s peptidy představuje nový typ materiálů kombinujících výjimečné optické vlastnosti se samoorganizačními a senzorickými vlastnostmi. Tento koncept byl představen přípravou nanočástic perovskitů stabilizovaných cyklo(RGDFK) pentapeptidem. Vzhledem k citlivosti peptidů na jejich byly nanočástice stabilizovány peptidovými nukleovými kyselinami, robustními analogy nukleových kyselin. Ke stabilizaci nanočástic byl připraven monomer a trimer peptidové nukleové kyseliny obsahující thymin jako dusíkatou bázi. Thymin byl na povrchu nanočástic dostupný k interakci s adeninem přes vodíkové můstky umožňující přenos náboje. Kombinace peptidových nukleových kyselin a perovskitů s unikátními optickými vlastnostmi otevírá aplikační možnosti zejména v oblasti optických senzorů.

Die Anpassung der Bandlücke und die Herstellung mittels lösungsbasierter Prozesse charakterisieren Metallhalogenid-Perowskite. Sie sind vielversprechend für die Anwendung in optoelektronischen Bauteilen, die die Abscheidung von hochwertigen Dünnschichten erfordern. Deren Qualität hängt stark vom Kristallisationsverhalten ab, welches durch die Komposition der Lösung bestimmt ist. Ziel dieser Arbeit ist es, Korrelationen im Präkursor-Prozess-Eigenschaftsraum von Metallhalogenid-Perowskit zu bewerten und Formierungsprozesse zu rationalisieren. Phasenreinheit, Morphologie und Absorptionseigenschaften zeichnen die Qualität der Perowskit-Dünnschichten aus. Die Optimierung der Herstellung von hochwertigen Filmen über einen breiten Bandlückenbereich wird zuerst beleuchtet. Die Rationalisierung der Formierungsprozesse erweist sich als fundamental, um reproduzierbare Präparationsroutinen für hochwertige Filme zu entwickeln. Anschließend wird ein optischer in-situ Aufbau zur Rationalisierung von Formierungsprozessen vorgestellt. Abhängig vom Halogenidverhältnis in der MAPb(IxBr1-x)3-Reihe werden verschiedene Formierungswege eingeschlagen. Während sich das reine Bromid direkt und Iodid reiche Perowskite über die intermediäre Solvatphase (MA)2(DMSO)2Pb3I8 bilden, bilden sich gemischte Halogenide zwischen 0.1 ≤ x ≤ 0.6 über beide Wege. Die Formierung über konkurrierende Wege erklärt die kompositorische Heterogenität der gemischten Halogenidproben. Zuletzt werden Formierungsprozesse von Bromid-Perowskiten rationalisiert und Abhängigkeiten der Kinetik von der Lösungskonzentration zeigen sich. Niedrige Konzentrationen führen zu einer beschleunigten Kristallisation und Schichtdickenabnahme des Nassfilms. Dieser Trend wird durch geringere Kolloidwechselwirkungen und niedriger koordinierte Blei-Bromid-Komplexe in verdünnten Lösungen erklärt. Die Korrelation im Präkursor-Prozess-Eigenschaftsraum hebt die Herstellung von Perowskiten aus chemischer Sicht zu einem nicht-trivialen Prozess. / Bandgap tunability by ion substitution and the fabrication due to solution-based processes characterize metal halide perovskites. They are promising for application in various thin-film opto-electronic devices, which require the deposition of high-quality thin-films. The quality strongly depends on the crystallization behavior predetermined by the precursors in solution. This thesis aims to evaluate correlations in the vast precursor-process-property space of metal halide perovskite and rationalizes formation processes. Phase purity, morphology, and absorption properties determine the perovskite thin-film quality. The first part focuses on optimizing the perovskite fabrication to obtain high-quality films over a wide bandgap range. From high-quality films, the exciton binding energy is determined. The rationalization of formation processes proves essential to design reproducible preparation routines for high-quality films. The second part presents an optical in-situ setup to rationalize perovskite formation processes. Different formation pathways are taken, depending on the halide ratio in the MAPb(IxBr1-x)3 series. While the pure bromide forms directly and iodide-rich perovskites form via the intermediate solvate phase (MA)2(DMSO)2Pb3I8, mixed halides between 0.1 ≤ x ≤ 0.6 form via both. Such a heterogeneous formation process via two competing pathways rationalizes the compositional heterogeneity of mixed halide samples. The third part focuses on rationalizing the formation process of pure bromide perovskites and reveals a dependency of the formation kinetics on the solution concentration. Lower concentrations lead to accelerated crystallization kinetics and increase wet-film thinning. Lower colloid interaction and lower coordinated lead-bromide complexes in diluted solutions explain this trend. The strong correlation in the precursor-process-property space raises the preparation of perovskites via spin-coating to a non-trivial process from a chemical point of view.

In dieser Dissertation wird eine umfassende Untersuchung von Perowskit-Tintenformulierungen für die Herstellung von hocheffizienten MAPbI3- und FAPbI3-Bauelementen durchgeführt. Darüber hinaus schlagen wir einen kombinatorischen Slot-Die-Beschichtungsansatz für das Screening und die Herstellung von Perowskit-Zusammensetzungen vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Slot-Die-Beschichtung eine vielversprechende Technik für die Hochskalierung von Metallhalogenid-Perowskit-Dünnschichten ist. / This dissertation gives a comprehensive investigation into perovskite ink formulations for the fabrication of highly efficient MAPbI3 and FAPbI3 devices. Additionally, we propose a combinatorial slot-die coating approach for screening and fabricating perovskite compositions. These results demonstrate that slot-die coating is a promising technique for the upscaling of metal-halide perovskite thin-films.

Metallhalogenid-Perowskite (MHP) haben sich als hervorragende Materialklasse im Bereich der Optoelektronik erwiesen, obwohl die Degradation der häufig verwendeten organischen Komponenten ihre Langzeitstabilität begrenzt. Um schnell stabile Alternativen zu finden, ist eine Parallelisierung des Prozesses der Materialentwicklung durch kombinatorische Synthese und Hochdurchsatzanalyse erforderlich. In dieser Arbeit wird dies durch die Entwicklung, Implementierung und Validierung zweier komplementärer Methoden für die kombinatorische Synthese realisiert. Zum einen wurde die lösungsmittelbasierte Methode des kombinatorischen Tintenstrahldrucks weiterentwickelt, indem ein neuer Algorithmus für eine verbesserte Tintenmischung bereitgestellt und validiert wurde. Zum anderen wurde die Synthese von CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y-Doppelgradientenschichten durch Co-Verdampfung erreicht. Kombinatorische Bibliotheken, die durch diese beiden Methoden hergestellt wurden, wurden für die Hochdurchsatzuntersuchung der strukturellen und optischen Eigenschaften der anorganischen CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y-MHP verwendet. Dies ermöglichte die schnelle Erstellung vollständiger Phasendiagramme für Dünnfilme des CsPb(BrxI1-x)3-Mischkristalls, die zeigen, dass die Zugabe von Br die halbleitende Perowskitphase stabilisiert und niedrigere Verarbeitungstemperaturen ermöglicht. Darüber hinaus wurden CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y-Bibliotheken mit automatisierten, kontaktlosen optischen Raster-Messungen untersucht, die eine schnelle Sichtung von über 3400 Zusammensetzungen ermöglichten. Dies ermöglichte die Bewertung des photovoltaischen Potenzials von CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y über einen sehr breiten Bereich von Zusammensetzungen. Das höchste Wirkungsgradpotenzial wurde für stöchiometrische Zusammensetzungen gefunden, wobei ein Überschuss an Pb oder Cs zu erhöhten Verlusten durch nichtstrahlende Rekombination führt. Diese Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die weitere Entwicklung von anorganischen MHP-Bauelementen. / To keep up with the increasing need for specialized materials, a parallelization of the materials discovery process is needed through combinatorial synthesis and high-throughput analysis. The acceleration of materials discovery is especially of interest in the area of optoelectronics where metal halide perovskites (MHPs) have proven to be an excellent material class and have achieved impressive performance in photovoltaic devices among other applications. However, the degradation of the frequently employed organic components contributes to limiting the long-term stability of MHP devices. In this work, accelerated materials discovery is addressed through the development, implementation, and validation of two complementary methods for combinatorial synthesis. Firstly, the solution-based method of combinatorial inkjet printing was further developed by providing and validating a new algorithm for improved ink mixing. Secondly, the vapor-based synthesis of double-gradient CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y was achieved by co-evaporation. Combinatorial libraries created by both methods were used for the high-throughput investigation of the structural and optical properties of the inorganic CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y MHPs. This enabled the fast construction of complete phase diagrams for thin-films of the CsPb(BrxI1-x)3 solid solution which show that the addition of Br stabilizes the semiconducting perovskite phase and allows for lower processing temperatures. Additionally, CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y libraries were investigated by automized, contact-less, optical mapping measurements, enabling the rapid screening of over 3400 compositions. This enabled the assessment of the photovoltaic potential of CsyPb1-y(BrxI1-x)2-y over a very broad compositional range. The maximum efficiency potential was found for stoichiometric compositions, with excess of Pb or Cs causing increased losses by non-radiative recombination. These results provide vital knowledge for further development of inorganic MHP devices.