Экологичные наноматериалы: прорыв в квантовых технологиях
Коллектив ученых под руководством Ивана Шуклова из МФТИ сделал важный шаг на пути к производству экологически безопасных материалов для современных дисплеев. Многолетнее применение коллоидных квантовых точек на основе селенида кадмия в светодиодных и QLED-экранах обеспечило массу новых возможностей для электроники, но при этом остро стояла проблема токсичности самих материалов. Кадмий, хоть и заключен в прочные матрицы, при нарушениях утилизации способен проникать в окружающую среду, провоцируя накопление тяжелого металла в почве и живых организмах, что приводит к долгосрочным экологическим и даже медицинским рискам.
Новый взгляд на материалы для светящихся устройств
В поисках выхода ученые обратились к тройным халькогенидам индия — в частности, сульфиду меди-индия (CuInS2) и сульфиду серебра-индия (AgInS2). Индий менее токсичен по сравнению с кадмием, проще поддается утилизации, а его тройные соединения демонстрируют аналогичные фотоэлектрические и оптические параметры. Квантовые точки на их основе способны поглощать и переизлучать свет в видимом диапазоне спектра, при этом они устойчивы к атмосферному воздействию.
Но, несмотря на столь обещающие свойства, массовое освоение новых материалов сдерживалось из-за нехватки подходящих прекурсоров серы, необходимых для синтеза квантовых точек, особенно российских.
Прорыв с отечественными прекурсорами
Иван Шуклов, старший научный сотрудник центра испытания функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ, выделил эту проблему как ключевую: «Российская химическая промышленность пока не выпускает современные прекурсоры серы для промышленного синтеза подобных наноматериалов, поэтому поиск новых эффективных и доступных сырьевых решений приобретает особое значение».
Выход был найден в использовании раствора элементарной серы в децене-1 российского производства. Этот прекурсор подходит для синтеза квантовых точек на основе сульфидов индия (включая CuInS2 и AgInS2). В роли аполярных растворителей применялись доступные вещества — декан и цетан, которые позволяют варьировать температурные условия синтеза. В качестве индиевых исходных соединений использовались соли — InCl₃, InI₃, а также стеарат индия. Непосредственно синтез заключался в том, что раствор прекурсора серы вводился в реакционную смесь прекурсоров металлов, инициируя формирование нанокристаллов.
Характеристики и возможности новых квантовых точек
Высокоточная просвечивающая электронная микроскопия засвидетельствовала: полученные наночастицы имеют форму тетраэдра либо усеченного тетраэдра. В зависимости от протокола синтеза их размер можно контролировать в пределах 9–19 нм. Независимо от размера, квантовые точки дают интенсивное свечение на длине волны около 540 нм, прямо в центре видимого диапазона.
На основе этих нанокристаллов учёные изготовили тонкие пленки и изучили их фотоэлектрическую реакцию. Эксперимент показал, что при облучении пленки ультрафиолетовым светом с длиной волны 405 нм и мощностью 1 ватт генерируется электрический ток в 19,5 мкА. Это пока соответствует низкой эффективности преобразования фотонов в электроны — около 4% (по сравнению с до 75% у «солнечных» аналогов). Тем не менее, для применения в фотодетекторах ультрафиолетового диапазона, комбинированных или гибридных устройствах эти наноматериалы выглядят весьма перспективно. С дополнительной проработкой электрических свойств возможно существенное увеличение их эффективности.
Перспективы дальнейших разработок
Как отмечает Иван Шуклов, созданный на отечественном децене-1 прекурсор серы открывает дорогу для целого семейства новых наноматериалов — халькопиритов индия (CuInS2 и AgInS2), пригодных для электронной, оптической и каталитической техники. Оценка потенциала синтезированных коллоидных квантовых точек показывает, что их внедрение способно снизить экологическую нагрузку по сравнению с традиционными материалами на основе селенида кадмия.
Кроме использования в современных мониторах, телепанелях и LED-источниках, квантовые точки с CuInS2 и AgInS2 могут занимать новые ниши в фотокатализе, сенсибилизаторах солнечных панелей, а также в чувствительных элементах оптических сенсоров для медицины, экологии и транспорта. Благодаря продуманной химии синтеза, отечественное сырьё снижает зависимости от иностранных поставщиков и позволяет создать суверенный технологический цикл.
Значимость работы для российской науки и экологии
Работа команды МФТИ под руководством Ивана Шуклова закладывает фундамент для формирования безопасной, технологически независимой и инновационной базы в сфере оптоэлектроники и наноматериалов. Современный мир стремится к экологизации производства, а потому переход на CuInS2 и AgInS2-содержащие материалы — оптимистичный пример реальных и полезных инноваций российских ученых.
Появление отечественных решений и сырьевых основ для производства наноматериалов способствует не только развитию фундаментальной науки, но и внедрению новых технологий в реальный сектор, что открывает целый ряд преимуществ для российской промышленности и окружающей среды. Оптимизм и уверенность в успешной реализации данного направления поддерживают всю научную команду, а пример Ивана Шуклова и МФТИ вдохновляет будущее поколение исследователей и инженеров.
Источник: naked-science.ru
