- Дата начала : 22 апреля
- Дата окончания : 2019 г.
- Руководитель : Федоров Анатолий Валентинович
Проект №19-13-00332 Российского научный фонд.
Руководитель проекта: проф. А.В. Федоров
Проект посвящен разработке материалов для высокоэффективных источников излучения ближнего ИК диапазона на основе эмиссии 2D квантовых нанопластин. Задача является новой и комплексной, и в рамках ее выполнения планируется: развить методы контролируемого и воспроизводимого коллоидного синтеза полупроводниковых квантовых нанопластин, излучающих в ближнем ИК диапазоне; разработать методы коллоидного синтеза полупроводниковых квантовых нанопластин на основе тройных соединений для продвижения в ИК область спектра; исследовать оптические свойства полупроводниковых нанопластин; разработать эффективную архитектуру светоизлучающего устройства на основе полупроводниковых квантовых нанопластин.
В соответствии с планом работ на первом этапе выполнения проекта «Источники излучения ближнего ИК диапазона на основеполупроводниковых квантовых нанопластин» были получены следующие основные результаты:
1. Разработаны методики коллоидного синтеза полупроводниковых квантовых нанопластин (НП) на основе халькогенидов свинца и ртути различных толщин и латеральных размеров с оптическими переходами в ближней ИК области спектра. НП химического состава PbS были получены методом прямого синтеза с использованием двух различных подходов. В первом случае в синтезе используются хлоралканы в качестве координирующего со-растворителя. Подобраны температурные условия, при которых действие хлоралкана эффективно, а также выполнена серия синтезов с различными лигандами и источниками серы. При втором подходе реакция основана на разложении тиоцианата свинца. Также были получены НП химического состава PbSe методом катионного обмена из нанопластин CdSe. НП химического состава HgS были синтезированы с помощью реакции окисления тиоцианата ртути. Лабораторные образцы квантовых НП, люминесцирующие в спектральном диапазоне 900-2000 нм, были подготовлены по разработанным методикам при разных режимах синтеза.
2. Были определены параметры геометрии и форма самоорганизации синтезированных полупроводниковых НП исследовались с помощью методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Для образцов, синтезированных из тиоцианата свинца, толщина НП была определена с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Средний размер объектов составил 182×55×5.5 нм. НП, полученные методом катионного обмена, были исследованы методом рентгеноструктурного анализа для подтверждения сохранения кристалличности получаемых образцов. Проведенные для них оптическая характеризация и анализ морфологии методом АСМ на основе 121 объекта показали среднее значение толщины НП в 4.1 нм при дисперсии в 1.3 нм.
3. Выявлены закономерности формирования полупроводниковых квантовых НП в зависимости от методик и режимов синтеза. НП, полученные с использованием хлороформа, составляли однородные многочисленные стопки листов, неотделенных друг от друга. Введение небольшого количества триноктилфосфина (TOP) и использование трихлорэтана преимущественно приводит к образованию НП, организующихся аналогично стэковым структурам, при этом отдельных НП практически не наблюдается. Реакция оксида свинца со смесью ТОР с гексаметилдисилатианом приводит к формированию структур в виде дисков. Все образцы из серии НП, полученных при разложении тиоцианата свинца, имели схожую вытянутую форму, латеральные размеры которых были определены с помощью АСМ и СЭМ.
4. Получены спектры оптического поглощения, фотолюминесценции (ФЛ), кривые затухания, а также основные параметры ФЛ (квантовый выход, ширина полосы ФЛ, коэффициенты температурного сдвига полосы ФЛ, времена затухания ФЛ), для полупроводниковых квантовых НП разного размера. Для НП на основе халькогенидов селена проведены исследования температурных зависимостей спектральных и кинетических параметров ФЛ в диапазоне температур 78-300 К. Установлены основные параметры ФЛ для НП PbSe, включая коэффициенты температурного сдвига, энергию и спектральную ширину линий излучательного перехода при нулевой температуре, энергию активации.
5. Получены закономерности изменения оптических откликов и энергетической структуры полупроводниковых НП в зависимости от режимов синтеза, толщин и латеральных размеров полупроводниковых квантовых нанопластин селенида свинца. Сокращение толщины НП приводит к усилению эффекта конфайнмента, что вызывает синий сдвиг спектральных откликов. При уменьшении толщины с 4 до 3 монослоев максимум спектра ФЛ смещается с 1515 нм до 1250 нм, что свидетельствует о сильном эффекте конфайнмента в поперечном направлении. Влияние конфайнмента отражается и на динамике энергетической релаксации в НП. Уменьшение толщины НП приводит к сокращению времени затухания ФЛ. Исследование квантового выхода ФЛ НП, синтезированных методом катионного обмена с в смеси координирующих и некоординирующих растворителей, позволило получить информацию о влиянии режимов синтеза и постсинтетической обработки НП на эффективность свечения. Важным параметром является время катионного обмена. При увеличении времени катионного обмена с 1 до 3 часов происходит увеличение квантового выхода с 0.06 % до 0.2 % для НП толщиной 4 монослоя, что сопровождается уменьшением ширины спектральной линии. Более длительное время реакции необходимо для формирования НП высокого качества. Для подтверждения влияния поверхностных ловушечных состояний на эффективность ФЛ НП PbSe были определены значения квантового выхода для НП толщиной 4 монослоя, полученных с использованием некоординирующего растворителя, при отмывке реакционной смеси в условиях атмосферного воздуха и в условиях инертной атмосферы. Значение квантового выхода увеличивается с ~0.4 % до ~1.15 % при работе в инертной атмосфере. Для дальнейшего увеличения квантового выхода НП необходима разработка методик пост-синтетической обработки поверхности НП и разработки методик синтеза гетероструктур на основе НП.
6. В ходе работы над проектом был предложен способ повышения эффективности солнечных элементов на основе квантовых точек PbS путем введения в их активную среду промежуточных слоев функционализированного восстановленного оксида графена.
7. Была развита теория энергетического спектра и прямых межподзонных оптических переходов в двухслойных квантовых ямах с гетеропереходом. Показано, что в отличие от однослойных квантовых ям размерно-квантованные подзоны двухслойных квантовых ям непараболичны и характеризуются эффективными массами, которые зависят от волнового вектора электрона и номера подзоны. Установлено, что эффективные массы связаны с локализацией волновой функции электрона в слоях квантовой ямы и могут контролироваться путем изменения химического состава или геометрических параметров структуры. Также получено аналитическое выражение для вероятности оптических переходов между подзонами двухслойной квантовой ямы. В соавторстве с исследователями из Пакистана, Турции и Кореи была смоделирована, изготовлена и экспериментально исследована однослойная пропускная мета-голограмма, работающая в видимой спектральном диапазоне и восстанавливающая разные изображения при освещении ее с разных сторон. В соавторстве с исследователями из Китая были проведены исследования резонансного взаимодействия мод в полностью диэлектрическом метаматериале, элементарная ячейка которого представляет собой кольцо со вставленным в него цилиндром.
Публикации в журналах, индексируемых в Web of Sciense и Scopus:
A.A. Babaev, P.S. Parfenov, D.A. Onishchuk, A. Dubavik, S.A. Cherevkov, A.V. Rybin, M. Baranov, A.V. Baranov, A.P. Litvin, A.V. Fedorov, Functionalized rGO Interlayers Improve the Fill Factor and Current Density in PbS QDs-based Solar Cells // Materials -2019, Vol. 19. IF 2.972.
I.A. Vovk, A.P. Litvin, E.V. Ushakova, S.A. Cherevkov, A.V. Fedorov, I.D. Rukhlenko, Nonparabolicity of size-quantized subbands of bilayer semiconductor quantum wells with heterojunction // Optics Express – 2020. IF 3.561, Q1.
M.A. Ansari, I. Kim, I.D. Rukhlenko, M. Zubair, S. Yerci, T. Tauqeer, M.Q. Mehmood, J. Rho, Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize an efficient direction-multiplexed visible meta-hologram // Nanoscale Horizons - 2019, DOI 10.1039/c9nh00460b. IF 9.095, Q1.
K. Cai, C. He, F. Xiao, I.D. Rukhlenko, W. Zhu, Resonant mode coupling in hybrid all-dielectric metamaterial // Materials Research Express - 2019, Vol. 6, No. 12, P. 125801-(1-7), DOI 10.1088/2053-1591/ab5456. IF 1.449.
Доклады на международных конференциях:
Dubavik A., Litvin A., Cherevkov S., Baranov M., Skurlov I., Baranov A., Fedorov A. Near-IR Semiconductor Nanocrystals: from quantum dots to nanoplatelets // 11th International Conference on Nanomaterials - Research & Application (NANOCON 2019). Book of abstracts.
Cherevkov S.A., Litvin A.P., Kormilina T.K., Dubavik A.U., Sokolova A.V., Fedorov A.V., Baranov
A.V. Near infrared colloidal PbSe/PbS core/wing nanoplatelets оbtained by a cation exchange reaction // 11th International Conference on Nanomaterials - Research & Application (NANOCON 2019). Book of abstracts.