Ученые Университета ИТМО систематизировали варианты создания двумерных гетероструктур, перспективных для оптоэлектроники и биомедицины

Поиск новых материалов с уникальными оптическими характеристиками, а также уменьшение размеров уже существующих устройств — одни из актуальных задач последних лет в таких областях, как оптоэлектроника и биомедицина. Новые полупроводниковые лазеры позволят работать на наномасштабах и реализовать задачи, которые недоступны традиционным аналогам. Создание таких устройств возможно благодаря появлению новых наногетероструктур, в основе которых — комбинация полупроводниковых и металлических компонентов. Различные варианты гетероструктур, которые можно создать на основе халькогенидов кадмия, а также перспективы их применения в современных лазерах, оптоэлектронных устройствах и материалах для биомедицинской сферы группа ученых из Университета ИТМО рассмотрела в обзорной статье, опубликованной в сентябре в журнале Small. Работа предоставляет полную классификацию и сравнение новых типов гетероструктур, а также систематизирует последние разработки и терминологию, применяемую научными группами, работающими над созданием таких материалов.

Основной задачей современной науки об оптических материалах является поиск новых материалов с уникальными оптическими характеристиками, а также новых методов для улучшения некоторых свойств уже известных материалов, применяемых в промышленности. Среди наиболее известных в последнее время материалов, позволяющих решать эти задачи, — двумерные полупроводниковые нанокристаллы (нанопластины), активное исследование которых продолжается последние десять лет. Именно за это время такие нанопластины научились получать коллоидным способом (путем химического синтеза, отдельно от подложки), что дало возможность раскрыть их новые свойства.

Последнее направление в эволюции двумерных полупроводниковых нанокристаллов связано с комбинацией металлических и полупроводниковых компонентов и созданием на их основе новых материалов, называемых наногетероструктурами. Сочетание полупроводниковых и металлических компонентов может привести к значительному улучшению свойств нанокристаллов. В частности, одной из наиболее важных особенностей таких гетероструктур становится возможность пространственного разделения носителей заряда между материалом ядра и оболочки. Это позволяет на высоком уровне контролировать оптические характеристики наноструктуры. Кроме того, гетероструктуры позволяют реализовать оптические, электрические и магнитные явления, что невозможно сделать с помощью однокомпонентных нанокристаллов.

Различные архитектуры гетероструктур на основе нанопластин халькогенида кадмия, основные механизмы сочетания полупроводниковых и металлических компонентов, их влияние на оптические свойства нанопластин и текущее состояние их изучения, а также уже существующие приложения и перспективы их дальнейшего развития группа исследователей из Университета ИТМО рассмотрела в обзорной статье, опубликованной в сентябре в журнале Small. Работа структурирует накопленный материал и терминологию вышедших в последние годы исследований различных научных групп, занимающихся созданием наногетероструктур.

Создание IBM кремниевых нанопластин для 5 нм чипов. Источник: gapp.az
Создание IBM кремниевых нанопластин для 5 нм чипов. Источник: gapp.az

«В своей лаборатории мы тоже работаем с нанопластинами — как с однокомпонентными, так и с гетероструктурами из нанопластин. В частности, мы проводили исследования по кинетике затухания люминесценции в ультратонких нанопластинах селенида кадмия. Во время работы мы столкнулись с проблемой отсутствия систематизации накопленных знаний. Различные исследования, которые были сделаны до нас различными группами, зачастую мало учитывают друг друга, кроме того, нередко в работах разнятся термины, которые специалисты используют для обозначения структур. Поэтому возникла необходимость такого анализа, который позволит систематизировать накопленный опыт и поможет объяснить текущие тенденции тем, кто только начинает работать с этой областью. Зачастую специалисты, которые занимаются применением или внедрением этих материалов в оптоэлектронные устройства (лазеры, светодиоды, солнечные батареи на различных наноматериалах и так далее), не совсем точно представляют, что происходит на наноуровне. Такие обзоры могут позволить им рассмотреть различные варианты новых структур, которые уже научились получать в лабораториях, их свойства, а также определить их перспективные применения», — комментирует Татьяна Кормилина, первый автор обзорной статьи, сотрудник центра «Информационные оптические технологии», студент четвертого курса кафедры оптической физики и современного естествознания Университета ИТМО.

Полупроводниковые нанокристаллы, различные гетероструктуры и многокомпонентные системы, содержащие их, считаются весьма привлекательными для широкого спектра применений — от биологической визуализации до цветных дисплеев. Как отмечают авторы работы, на сегодняшний момент уже сделаны значительные шаги по внедрению нанопластин халькогенида кадмия и созданию на их основе недорогих высокоэффективных светоизлучающих устройств нового поколения. Как и в случае применения любых нанокристаллов, одним из перспективных на данный момент приложений наногетероструктур являются новые полупроводниковые лазеры с возможностью использования их на наномасштабах, что открывает новые перспективы их применения в биомедицине, добавляет Татьяна Кормилина.

Татьяна Кормилина
Татьяна Кормилина

Чтобы в полной мере реализовать огромный потенциал наногетероструктур, специалистам предстоит решить проблемы, связанные со сложностью их получения и нахождением оптимального соотношения присущих им преимуществ и недостатков — в частности, решить вопрос стабильности структуры. Например, полупроводниковая оболочка большей толщины увеличивает интенсивность люминесценции и стабильность наноструктуры, но вместе с этим приводит к ослаблению квантово-размерных эффектов, определяющих уникальные свойства нанокристаллов (на практике это приводит к уширению полосы люминесценции). Таким образом, при определении толщины наращиваемой оболочки, необходимо выбрать «золотую середину» между этими конфликтующими свойствами, подчеркивают авторы обзора.

Кроме того, одними из ключевых задач, которые в будущем будут способствовать развитию области, является расширение диапазона доступных материалов для формирования гетероструктур, доработка протоколов синтеза, а также обеспечение защиты от воздействия окружающей среды и организация условий эксплуатации, которые смогут позволить сохранить уникальные особенности коллоидных наногетеропластин.

Статья: Tatiana K. Kormilina, Sergei A. Cherevkov, Anatoly V. Fedorov and Alexander V. Baranov, Cadmium Chalcogenide Nano-Heteroplatelets: Creating Advanced Nanostructured Materials by Shell Growth, Substitution, and Attachment, Small, 2017

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба