В МФТИ синтезировали нанокристаллы, повышающие чувствительность фоторезисторов в семь раз
Ученые МФТИ первыми в мире синтезировали нанокристаллы сульфида индия-серебра (AgInS₂) необычной формы, напоминающей головастиков с хвостами, и доказали, что их вытянутая морфология радикально улучшает работу фоторезисторов. Подобные наночастицы обладают в семь раз более сильным фотооткликом, чем их сферические «собратья», и позволяют создавать более чувствительные детекторы света.
Коллоидные квантовые точки (ККТ) — нанокристаллы, оптические и электронные свойства которых зависят от размера частиц, уже нашли широкое применение в медицине и бытовой электронике. Но большинство коммерчески успешных решений с ККТ основано на кадмии или свинце — металлах, которые небезопасны для человека и окружающей среды. Поэтому ученые ищут менее токсичные альтернативы.
Одним из самых многообещающих кандидатов на замену считается AgInS₂ — полупроводник с шириной запрещенной зоны около 1,87 эВ, 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 ключевой особенностью наночастиц — свойствами их поверхности.
Поверхность любой наночастицы, особенно полупроводниковой — 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. 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 процессе исследования мы натолкнулись на так называемый биоморф — частицы, которые морфологически напоминают живые объекты. Мои студенты называют их наночервяками, или 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», — рассказал первый автор статьи, старший научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ Иван Шуклов.
Исследователи пришли к выводу, что ключ к управлению формой наночастиц — в химических условиях синтеза: при использовании раствора серы в децене-1 в качестве прекурсора и варьировании соотношения серебра и индия, температуры и присутствия олеиновой кислоты можно получать частицы разной морфологии. Обнажение определенных кристаллографических граней приводит к анизотропному росту и образованию «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», — отметил Иван Шуклов.
Изучив «головастиков» с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, ученые установили, что они имеют орторомбическую кристаллическую решетку и среднюю длину около 35 нм при ширине около 12 нм — соотношение сторон примерно 3:1. Для сравнения: сферические нанокристаллы того же состава, синтезированные по модифицированной методике с додекантиолом, имели диаметр всего 4,5 нм и демонстрировали заметно более широкую запрещенную зону (2,48 эВ против 1,96 эВ у головастиков) из-за классического квантово-размерного эффекта.
В ближайших планах исследователей — улучшить стабильность и проводимость получаемых из новых наночастиц чернил для прямой печати фоточувствительных структур, а также распространить предложенный подход на другие перспективные полупроводники на основе меди и индия.
По словам ученых, успешное применение AgInS₂ открывает путь к созданию новых высокоэффективных, нетоксичных и дешевых фотосенсоров, которые могут найти применение в гибкой электронике, медицинской визуализации и экологическом мониторинге. Более того, эти эксперименты показывают, что умение управлять формой нанокристаллов так же важно, как и умение управлять их размером.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.