Российские ученые синтезировали высокоэффективные углеродные точки и создали на их основе органические светоизлучающие диоды. Материалы перспективны для широкого круга областей: от оптоэлектроники до биомедицины. Результаты работы опубликованы в журнале «Письма в ЖЭТФ».
Углеродные точки — это наноматериалы с размерами порядка 10 нанометров (нм), чаще всего имеют сферическую форму. Они состоят из углеродного ядра, окруженного функциональными группами, которые можно модифицировать для получения необходимых свойств. Такие частицы экологичны, нетоксичны, биосовместимы и обладают фотолюминесценцией. Углеродные точки могут применяться в медицине и биовизуализации — как флуоресцентные метки для отслеживания клеток или доставки лекарств; в энергетике — для повышения эффективности солнечных батарей; в экологии — в фотокатализе для разложения загрязнений под действием излучения.
Углеродные точки активно изучаются с середины 2000-х, и их синтез на основе комбинации лимонной кислоты и этилендиамина хорошо исследован. На этот раз исследователи выбрали менее изученный путь, применив в качестве углеродного прекурсора транс-аконитовую кислоту. Авторы работы сосредоточились на подробном изучении оптических свойств полученных углеродных точек.
«Мы хотели создать экологически чистую альтернативу традиционным квантовым точкам на основе тяжелых металлов, используя простой и дешевый гидротермальный синтез из доступных прекурсоров»,— объяснила Александра Томская, младший научный сотрудник лаборатории углеродных наноматериалов МФТИ.
Синтезированные наноматериалы исследовались методами ИК-спектроскопии, UV-Vis спектроскопии, спектрометрии фотолюминесценции. Анализ образцов показал наличие молекулярных флуорофоров — молекул, благодаря которым происходит свечение. Углеродные точки обладают максимумом излучения при 443 нм с квантовым выходом до 77,5%. Это значит, что полученные наночастицы являются эффективными люминофорами.
«Значение 77,5%— очень высокое на фоне большинства известных углеродных точек, у которых КВ обычно в диапазоне 30–70%. Это указывает на высокое качество и чистоту наших материалов»,— рассказал Андрей Ващенко, высококвалифицированный старший научный сотрудник отдела люминесценции им. С. И. Вавилова ФИАН им. П. Н. Лебедева.
Физики создали рабочие органические светоизлучающие диоды (OLED), используя в качестве излучающего слоя синтезированные углеродные точки.
«Мы не просто синтезировали порошок, а успешно интегрировали его в работающее устройство, которое продемонстрировало электролюминесценцию с яркостью до 30кд/м². Это доказывает практическую применимость наших углеродных точек», — пояснила Елена Образцова, заведующая лабораторией углеродных наноматериалов МФТИ.
У современных коммерческих OLED-устройств типичные значения находятся в диапазоне 500–1300 кд/м². Ученые считают, что низкая яркость диодов на основе углеродных точек обусловлена эффективностью переноса заряда и плотностью флуорофоров. Эти ограничивающие факторы — предмет для дальнейших исследований.
Рисунок. Спектр OLED-устройства на основе углеродных точек. Вставка: фотография ОСИД, излучающего голубой цвет. Источник: журнал «Письма в ЖЭТФ»
«Наши будущие планы сосредоточены на повышении эффективности OLED. Мы планируем модифицировать архитектуру устройства, подбирать более подходящие транспортные слои и создавать гибридные излучающие слои, чтобы улучшить инжекцию и перенос зарядов, что позволит значительно повысить яркость и эффективность наших светодиодов»,— поделилась Светлана Смагулова, заведующая лабораторией графеновых нанотехнологий СВФУ им. М. К. Аммосова.
_______________________________________
Исследование провели ученые из МФТИ, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.
