Ученые МФТИ впервые в мире синтезировали нанокристаллы сульфид индия-серебра (AgInS₂) необычной формы — напоминающей головастиков с хвостами — и доказали, что их вытянутая морфология радикально улучшает работу фоторезисторов. Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, подобные наночастицы обладают в семь раз более сильным фотооткликом (мера фоточувствительности), чем их сферические «собратья», и позволяют создавать более чувствительные детекторы света. Исследование опубликовано в журнале Nano-Structures & Nano-Objects.
Коллоидные квантовые точки — нанокристаллы, чьи оптические и электронные свойства зависят от размера частиц, — уже нашли широкое применение в медицине и бытовой электронике. Но большинство коммерчески успешных решений по их применению основано на кадмии или свинце — материалах, которые не совсем безопасны для человека и окружающей среды. Именно поэтому ученые ищут альтернативы — менее токсичные. Одним из самых многообещающих кандидатов на их замену считается AgInS₂ — полупроводник с шириной запрещенной зоны около 1,87 электронвольта, который стабилен на воздухе, устойчив к гидролизу и состоит из серебра и индия, чьи соединения гораздо безопаснее. Но чтобы добиться высокой производительности новых устройств, необходимо научиться управлять ключевым свойством наночастиц — их поверхностью.
У любой наночастицы, особенно полупроводниковой, есть одна критическая особенность: ее поверхность — не просто граница раздела фаз, а активная зона, где происходит обмен зарядами и взаимодействие с окружением. Сразу после синтеза нанокристаллы покрываются длинными органическими молекулами-лигандами, которые предотвращают слипание, но при этом работают как изолятор: они мешают электронам перепрыгивать с одной частицы на другую. Затем, чтобы создать новый прибор, эти длинные «изолирующие щупальца» нужно заменить на короткие проводящие молекулы, то есть провести лигандный обмен. И здесь, как выяснили химики из МФТИ, форма нанокристалла играет решающую роль.
В целом удлиненные структуры, наподобие наностержня или нанотрубок имеют лучшую проводимость, но в своей работе мы хотели в первую очередь найти возможность замены сульфида кадмия на более экологически безопасные материалы. Но в процессе исследования мы натолкнулись на так называемый биоморф — частицы, которые морфологически напоминают живые объекты. Мои студенты называют их наночервяками или, как чаще обозначают в литературе, — наноголовастиками. Эти удлиненные структуры характерны тем, что в процессе роста у них вырастает хвост, образующий несколько изгибов. Что примечательно, на практике для данного материала подобные структуры не были известны, но именно они и способны повысить производительность.
Форма наночастиц определяется условиями химического синтеза. Ученые установили, что, меняя параметры процесса — соотношение серебра и индия, температуру, а также добавляя олеиновую кислоту, — и используя в качестве прекурсора раствор серы в децене‑1, можно целенаправленно получать частицы с разной морфологией. Анизотропный рост обусловлен преимущественным обнажением отдельных кристаллографических граней — именно это и приводит к формированию частиц в виде головастиков.
Это похоже на то, как форма кристалла льда зависит от того, с какой стороны он намерзает. В итоге мы впервые получили такие структуры для AgInS₂. Отработав технологию их получения, мы поняли, в каких условиях растут наши наноголовастики, а в каких сферические нанокристалы. При сравнении их с известными наночастицами этого же материала оказалось, что наш материал действительно лучше чувствует свет, а значит для изготовления светочувствительного слоя, он может быть более интересным. Мы уже сделали на их основе фоторезистор и показали, что эта морфология не только забавная, с точки зрения формы, но и интересна с точки зрения возможных практических применений.
Изучив «головастиков» с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, ученые подтвердили, что они имеют орторомбическую кристаллическую решетку (пространственная группа Pna2₁) и среднюю длину около 35 нанометров при ширине около 12 нанометров — соотношение сторон примерно 3:1. Для сравнения: сферические нанокристаллы того же состава, синтезированные по модифицированной методике с додекантиолом, имели диаметр всего 4,5 нанометра и демонстрировали заметно более широкую запрещенную зону (2,48 эВ против 1,96 эВ у головастиков) из-за классического квантово-размерного эффекта.
При лигандном обмене поведение частиц оказалось нетривиальным: стандартные методы замены длинных лигандов на короткие в жидкой фазе не сработали. Решение нашли в смеси иодида индия, 2‑меркаптоэтанола и н‑бутиламина — полученные чернила оставались стабильными неделю, а замена лигандов достигала 80%. Однако фоторезисторы из них показали невысокие параметры (фототок ~0,18 пА при токе темноты 0,01 пА) — это лишь подтверждение концепции, требующей доработки.
Эксперимент с послойным осаждением пленок показал, что для «головастиков» конверсия лигандов превышала 80% уже в первую минуту — анизотропная форма ускоряет химическое взаимодействие за счет разного набора кристаллических граней.
В планах ученых — повысить стабильность и проводимость чернил для печати фоточувствительных структур и распространить метод на полупроводники на основе меди и индия. Управление формой нанокристаллов — важный инструмент наряду с контролем их размера; это позволит создавать недорогие, нетоксичные фотосенсоры для гибкой электроники, медицины и экологического мониторинга.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что инженеры научились печатать микросхемы на обычной бумаге.
