Химики из Института квантовых технологий МФТИ разработали новый прекурсор серы и применили его для синтеза экологически безопасных сульфидных нанокристаллов, состоящих из трех элементов. Такие кристаллы перспективны для применения в электронике, медицине и энергетике, предлагая более экологичную альтернативу традиционным квантовым точкам. Работа опубликована в журнале Frontiers in Nanotechnology.
Коллоидные полупроводниковые нанокристаллы сейчас активно изучаются и используются в QLED-дисплеях, ИК-камерах, светодиодах, биосенсорах и фотокатализе. Это наночастицы размером несколько нанометров, в которых проявляется квантово-размерный эффект, что позволяет регулировать ширину запрещенной зоны и улучшать оптические характеристики материала. Это делает их незаменимыми в оптоэлектронных технологиях. Чаще всего используются нанокристаллы халькогенидов кадмия (Cd) и свинца (Pb), однако они токсичны, что ограничивает их применение.
Основная проблема в синтезе нанокристаллов — отсутствие удобных прекурсоров серы. Прекурсор — исходный реагент, который в процессе реакции преобразуется в целевой материал. Особый интерес представляют прекурсоры, позволяющие проводить контролируемый синтез нанокристаллов при умеренных температурах, без образования побочных бинарных сульфидов, также важна возможность легкой замены создаваемой лигандной оболочки.
Для решения этой проблемы в Институте квантовых технологий МФТИ разработали новый прекурсор. Ученые растворили элементарную серу в олефине российского производства при повышенной температуре. Полученное соединение стабильно к воздействию влаги и кислороду. Ученые использовали этот реагент для синтеза нанокристаллов ABS₂ (A = Cu, Ag; B = Ga, In) в углеводородных растворителях (декан или гексадекан).
«Нам удалось создать качественный прекурсор серы на основе отечественных материалов и разработать эффективный метод синтеза целого ряда новых веществ. В ходе работы мы впервые получили коллоидные нанокристаллы Ag₉GaS₆ — ранее неизвестный материал, который демонстрирует высокий потенциал для нелинейной оптики»,— рассказал Иван Шуклов, старший научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ.
Ученые синтезировали нанокристаллы CuGaS₂ и AgInS₂, а также новый материал Ag₉GaS₆ — ранее неизвестный в коллоидной форме. Этот материал перспективен для применения в области нелинейно-оптических приложений, таких как обработка сигналов. Полученные нанокристаллы имеют ширины запрещенной зоны от 1,53 эВ (CuInS₂) до 2,7 эВ (AgGaS₂), что подходит для приложений в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Подобные кристаллы можно использовать для создания экранов, сенсоров и фотокатализаторов. Исследование показало, что новый прекурсор серы обеспечивает синтез таких сульфидных нанокристаллов со средним размером 4,8 нм и узким распределением по размерам, что делает их более подходящими для коммерческого использования.
Новый метод позволил снизить температуру синтеза на 20–30%, делая процесс энергоэффективнее и безопаснее. Он предполагает экономичный, стабильный и менее токсичный способ производства, снижая зависимость от вредных веществ, таких как кадмий и свинец, на 80–100% по сравнению с традиционными квантовыми точками. Кроме того, этот способ позволил впервые синтезировать коллоидные Ag₉GaS₆ нанокристаллы (~9 нм) для нелинейной оптики.
Результаты работы имеют глобальное значение как шаг к устойчивым нанотехнологиям.
____________________________________
Институт квантовых технологий МФТИ (ИКТ) выполняет исследования полного цикла от поисковых НИР до ОКТР по разработке технологий и оборудования в направлениях: квантовые системы, наноэлектроника, разработка приборов для научных исследований и технологии гибридной микроэлектроники.
ИКТ стоит у истоков создания открытого в 2025 году Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники», который занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного научного центра мирового уровня. Его участниками совместно с МФТИ являются ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступают такие техногиганты и ключевые промышленные компании, как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
