Российские химики предложили альтернативный прекурсор серы для синтеза экологичных коллоидных квантовых точек сульфида меди-индия CuInS2. Новые разработки используют отечественные материалы, что упрощает и удешевляет производство этого полупроводникового наноматериала, а также делает его безопасным.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Прикладная физика». Коллоидные квантовые точки — это нанокристаллы полупроводниковых материалов размером от 2 до 10 нм, содержащиеся в жидкой среде, например в растворе. Благодаря своим оптическим и электронным свойствам они широко используются в современной технике. Например, коллоидные квантовые точки из селенида кадмия используются в качестве люминофоров в QLED-экранах мониторов. Однако их существенный недостаток заключается в высокой токсичности соединений кадмия.
В работающем мониторе находится менее 100 миллиграммов кадмия, и он заключен в полимерные или стеклянные матрицы и не опасен для здоровья человека. Однако при неправильной утилизации или разрушении экрана кадмий может попасть в окружающую среду, а это уже небезопасно. Так как кадмий — тяжелый металл, он не распространяется быстро, но может накапливаться в почве и организмах, что влечет долгосрочный экологический риск.
Экологичная альтернатива селениду кадмия — тройные халькогениды индия, такие как сульфид меди-индия (CuInS2) и сульфид серебра-индия (AgInS2). Индий менее токсичен и одновременно прост в утилизации, а тройные халькогениды индия имеют оптические и фотоэлектрические свойства подобные селениду кадмия. Они обладают поглощением и люминесценцией в видимом диапазоне и стабильны в атмосфере. Однако их синтез затруднен из-за сложностей с поставками необходимых прекурсоров.
«Ни один из современных прекурсоров серы для синтеза коллоидных нанокристаллов не производится российской химической промышленностью, поэтому поиск эффективных альтернатив весьма важен»,— рассказал Иван Шуклов, старший научный сотрудник центра испытания функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ.
Исследователи показали, что раствор элементарной серы в децене-1 российского производства может использоваться как прекурсор серы для синтеза квантовых точек сульфидов индия. В качестве аполярных растворителей использовались декан и цетан, которые позволяют проводить реакции при разных температурах. Исходными материалами для индия были галогениды индия (InCl3 и InI3) и стеарат индия. Коллоидные квантовые точки синтезировались путем впрыскивания прекурсора серы к смеси прекурсоров металлов.
Анализ изображений просвечивающей электронной микроскопии показал, что полученные наночастицы обладают формой тетраэдра и усеченного тетраэдра. В зависимости от типа синтеза размер частиц может варьироваться от 9 до 19 нм. Для всех случаев у них наблюдается максимум излучения в видимом диапазоне на длине волны на 540 нм.
Из изготовленных коллоидных квантовых точек ученые создали тонкие пленки и измерили их фотоотклик. При облучении пленки светом с длиной волны 405 нм 1 ватт падающей мощности создает 19,5 мкА тока на пленках. Такой фотоотклик соответствует низкому показателю преобразования доли фотонов в электроны (около 4%). Это значительно ниже, чем у квантово-точечных сенсибилизированных солнечных батарей (доля преобразованных фотонов до 75%). Тем не менее новый материал перспективен для развития его транспортных свойств и может найти применение в гибридных устройствах или фотодетекторов в ультрафиолетовом диапазоне.
«Мы впервые получили прекурсор серы на основе отечественного децена-1. Его можно применять для получения коллоидных квантовых точек халькопиритов индия (CuInS2 и AgInS2). Полученные коллоидные нанокристаллы имеют потенциал заменить экологически проблематичные коллоидные квантовые точки селенида кадмия в мониторах и других фотоэлектронных устройствах, а также могут применяться в фотокатализе»,— пояснил Иван Шуклов.