Ученые МФТИ впервые 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 (мера фоточувствительности), чем их сферические «собратья», и позволяют создавать более чувствительные детекторы света. Исследование опубликовано в журнале Nano-Structures & Nano-Objects. Выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № ФСМГ-2026-0013).
Коллоидные квантовые точки (ККТ) — нанокристаллы, чьи оптические и электронные свойства зависят от размера частиц,— уже нашли широкое применение в медицине и бытовой электронике. Но большинство коммерчески успешных решений по их применению основано на кадмии или свинце — материалах, которые не совсем безопасны для человека и окружающей среды. Именно поэтому ученые ищут альтернативы — менее токсичные.
Одним из самых многообещающих кандидатов на их замену считается AgInS₂ — полупроводник с шириной запрещенной зоны около 1,87 электронвольта, 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 ключевым свойством наночастиц — их поверхностью.
У любой наночастицы, особенно полупроводниковой, есть одна критическая особенность: ее поверхность — 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. Затем, 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 своей работе мы хотели в первую очередь найти возможность замены сульфида кадмия на более экологически безопасные материалы. Но в процессе исследования мы натолкнулись на так называемый биоморф — частицы, которые морфологически напоминают живые объекты. Мои студенты называют их наночервяками или, как чаще обозначают в литературе,— 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»,— прокомментировал первый автор Иван Шуклов, старший научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ.
Исследователи пришли к выводу, что ключ к управлению формой наночастиц лежит 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. Приоритетное 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 подтвердили, что они имеют орторомбическую кристаллическую решетку (пространственная группа Pna2₁) и среднюю длину около 35 нанометров при ширине около 12 нанометров — соотношение сторон примерно 3:1.
Для сравнения: сферические нанокристаллы того же состава, синтезированные по модифицированной методике с додекантиолом, имели диаметр всего 4,5 нанометра и демонстрировали заметно более широкую запрещенную зону (2,48 эВ против 1,96 эВ у головастиков) из-за классического квантово-размерного эффекта.
Также поведение новых частиц отличалось при испытании их на прочность в ходе лигандного обмена. Сначала химики попытались заменить длинные лиганды на короткие прямо в жидкой фазе, чтобы получить «чернила» — стабильный коллоидный раствор, пригодный для нанесения на подложку методом спин-коатинга или струйной печати. Но стандартные методы здесь не сработали.
Выход нашелся в использовании смеси иодида индия, 2-меркаптоэтанола и н-бутиламина. Полученные чернила на основе обоих типов частиц оставались стабильными целую неделю, и по данным ИК-спектроскопии не менее 80% исходных длинных лигандов были успешно заменены. Тем не менее фоторезисторы, напрямую изготовленные из таких чернил, показали скромные результаты (фототок около 0,18 пикоампер при токе темноты 0,01 пА). Как поясняют авторы, это лишь доказательство принципиальной возможности, но до промышленных характеристик их необходимо доработать.
Также показательным оказался эксперимент по послойному осаждению тонких пленок прямо на подложке с одновременной заменой лигандов. Для «головастиков» оба лиганда продемонстрировали практически одинаково высокую скорость и степень конверсии — более 80% длинных молекул покидали поверхность уже в первую минуту реакции. Это наглядная иллюстрация того, как анизотропная форма и, как следствие, разный набор кристаллических граней ускоряют химическое взаимодействие.
В ближайших планах исследователей — улучшить стабильность и проводимость получаемых «чернил» для прямой печати фоточувствительных структур, а также распространить предложенный подход на другие перспективные полупроводники на основе меди и индия.
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, что дает разработчикам еще один немаловажный рычаг влияния.
Научная статья: Ivan A. Shuklov, Vladimir V. Lim, Margarita A. Troyanova, Alexander Yu. Shalagin, Marina I. Aleshina, Viktor O. Yakovlev, Victor S. Popov, Victor V. Ivanov. Exploring the impact of morphology on the properties of thin films based on colloidal AgInS₂ nanocrystals; Nano-Structures & Nano-Objects, Volume 46, 2026, 101694, ISSN 2352-507X. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2026.101694
