Физики разработали новый метод для улучшения свойств тонких пленок квантовых точек

Коллоидные квантовые точки представляют собой полупроводниковые наночастицы размером от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов. Они покрыты слоем органических молекул, обычно описываемых как лиганды.

Благодаря своим физическим и оптическим свойствам квантовые точки находятся в центре внимания современных исследований. Они активно применяются в разработке фоточувствительных и фотоэмиссионных устройств, а также биомаркеров. Успешное применение коллоидных квантовых точек, излучающих в видимом диапазоне, в дисплеях, инициировало изучение их для применения в инфракрасной части спектрального диапазона. На рынок уже выпустили новые SWIR-камеры на основе коллоидных квантовых точек сульфида свинца. Также большой интерес представляют и новые биомаркеры, поскольку коллоидные квантовые точки имеют эмиссию, намного превышающую показатели классических органических красителей.

В то же время влияние и эффективность обмена лигандами на оптические свойства тонких пленок мало изучены. Ученые МФТИ, изучая процесс обмена, разработали новый подход его отслеживания с помощью ИК-Фурье спектроскопии. До настоящего момента большинство исследований пленок были сосредоточены на фотоэлектрических свойствах. Новый разработанный метод позволяет сравнить эффективность обмена лигандов, а также скорость реакции обмена. Самая высокая доля замещения олеата — 95 % — наблюдалась у 1,4-димеркаптобензола.

«Наша работа посвящена исследованию замещения лигандов в тонких слоях коллоидных квантовых точек селенида ртути HgSe. В ходе исследований нам удалось довести до совершенства один перспективный метод отслеживания замены. Зачем это нужно? Это позволяет создать современные приборы с более совершенными свойствами. Например, фотосенсоров для ИК диапазона. Благодаря нашему способу мы можем отслеживать, насколько хорошо заместились лиганды в пленках создаваемых наноматериалов», — рассказал об исследовании Иван Шуклов, старший научный сотрудник центра испытания функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ.

По словам ученого, для создания идеальной фоточувствительной пленки нужно пройти две стадии. В первой необходимо получить квантовые точки изначально в виде коллоидного раствора с хорошим распределением. Для этого необходимы длинноцепочечные лиганды. Вторая стадия — сделать из них проводящую пленку. При этом начальные длинноцепочечные лиганды меняются на короткоцепочечные.

«Наша разработка позволяет отслеживать скорости замены. Потому что в большинстве работ все сконцентрированы на простом качественном результате — получить тонкую пленку коллоидных квантовых точек. Но необходимо достичь и высоких качественных показателей. Установить, проводит или не проводит данная пленка, чувствует или не чувствует свет. А мы можем с помощью нашей модели на приставке с очень высокой чувствительностью отслеживать скорость процесса замены и установить, насколько эффективно заменились лиганды. Этот сложный процесс и определяет во многом будущие свойства нанопленки. Например, часто используются замены на галогениды. При этом выяснилось, что процент замены первоначальных лигандов очень низкий. И в итоге очень много остается исходных — длинноцепочечных. Это приводит к сниженной чувствительности и проводимости», — подчеркнул Иван Шуклов.

Эффективность устройств зависит от состава оболочек нанокристаллов в тонких пленках. Для получения лучших показателей ученые разработали и протестировали новый чувствительный метод. Несколько неорганических и органических лигандов были протестированы при их обмене в оболочке в спиртах и ацетонитриле. Разработанный метод и полученные результаты являются важным шагом для получения тонких пленок ККТ HgSe с заданным составом и устройств на их основе. Например, было установлено, что многие системы лиганд-растворитель не вызывают конверсии более 50 % даже через 30 минут.

Результаты работы опубликованы в журнале Nanoscience and Technology.