Исследователи из МФТИ и ИОНХ РАН предложили новый подход к выбору исходных веществ с оптимальной реакционной способностью теллура для синтеза наночастиц. Это поможет ученым-экспериментаторам выбирать оптимальные реагенты для получения коллоидных квантовых точек, которые используются в изготовлении солнечных батарей, телевизоров и систем контроля качества пищевой продукции.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nano-structures & Nano-objects. Теллур — полуметалл, активно используемый в солнечной энергетике и в производстве кристаллов, в том числе наноразмерных кристаллов, так называемых коллоидных квантовых точек, физические свойства которых (частота поглощаемых или испускаемых электромагнитных волн) зависят от их размера.
Это расширяет диапазон их использования в прикладных разработках. Квантовые точки с поглощением в среднем инфракрасном диапазоне возможно получить для нанокристаллов теллуридов, то есть соединений теллура с металлами, — прежде всего теллуридов ртути и свинца. Это открывает новые возможности для применений квантовых точек в системах транспортной безопасности, в охранных системах и термографии.
Как правило, синтез коллоидных квантовых точек теллуридов осуществляется путем смешения двух реагентов, содержащих теллур и требуемый металл. Распространенная сложность при проведении синтеза — температурный режим взаимодействия исходных веществ. Температура синтеза зависит от набора используемых реагентов, и диапазон крайне мал.
«На данный момент в синтезе нанокристаллов теллуридов доминирует один реагент — это раствор теллура в триоктилфосфине. Он известен более тридцати лет, но только проведенные нашей лабораторией исследования позволили понять его природу. Мы получили серию фосфинтеллуридов и исследовали их с помощью ЯМР-спектроскопии, а также с помощью квантовой химии. Полученные данные позволили определять их реакционную способность», — рассказал об исследовании Иван Шуклов, заместитель заведующего лабораторией фотоники квантово-размерных структур МФТИ.
Знание о реакционной способности позволило ученым получить самый оптимальный реагент теллура, благодаря которому можно максимально расширить список металлов для получения наночастиц. Ученые провели синтез теллуридных нанокристаллов кадмия, свинца, ртути и цинка с использованием нового предшественника теллура, который ранее никогда не применялся. «В синтезах нанокристаллов важно иметь реагенты с подходящей реакционной способностью и таким образом управлять условиями синтезов, чтобы иметь возможность провести реакции при более низких либо при более высоких температурах для каждого конкретного металла», — добавил Иван Шуклов.
У каждого металла есть своя реакционная способность, которая определяет, насколько легко он реагирует с прекурсором (исходным материалом). Например, серебро позволяет провести синтез при комнатной температуре, свинец — при 150 градусах, а кадмий может потребовать свыше 300 градусов. Соответственно, возможность манипулировать реакционной способностью прекурсора — это возможность влиять на температуру синтеза.
Если она слишком высокая или низкая — синтез непродуктивен. Например, при низкой температуре не выйдут оптимальные кристаллические точки. В идеале лучше проводить соединение наночастиц при температуре 100–200 градусов, и правильный подбор источников позволяет вписаться в этот интервал для любого металла. Таким образом, в зависимости от реакционной способности исходников, возможно подобрать идеальную комбинацию «металл + прекурсор».
«В проведенном исследовании нами был разработан очень удачный реагент — трициклогексилфосфина теллурид. У него нет недостатков стандартного исходного на основе триоктилфосфина, так как наш реагент свободен от примесей вторичных фосфинов. Таким образом, результаты синтезов с ним намного более предсказуемы. Кроме того, исходники российского производства, в отличие от триоктилфосфина, что особенно важно для современной промышленности», — комментирует Алаа Алддин Мардини, младший научный сотрудник лаборатории квантовой фотосенсорики МФТИ. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования России.