Прилипалы с подставкой Как создать самые эффективные углеродные точки Российские ученые синтезировали высокоэффективные углеродные точки и создали на их основе органические светоизлучающие диоды. Материалы перспективны для областей от оптоэлектроники до биомедицины. Результаты работы опубликованы в журнале «Письма в ЖЭТФ». Выйти из полноэкранного режима Фото: Getty Images Фото: Getty Images 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 обладают широким спектром потенциальных применений. В медицине и биовизуализации их можно использовать в качестве флуоресцентных меток для отслеживания клеток или целенаправленной доставки лекарственных средств. В энергетике они способствуют повышению эффективности солнечных батарей. В области экологии углеродные точки находят применение в фотокатализе, где они помогают разлагать загрязнения под действием света. 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 30 кд/кв. м. Это доказывает практическую применимость наших углеродных точек»,— пояснила Елена Образцова, заведующая лабораторией углеродных наноматериалов в МФТИ. У современных коммерческих OLED-устройств типичные значения находятся в диапазоне 500–1300 кд/кв. м. Ученые считают, что низкая яркость диодов на основе углеродных точек обусловлена эффективностью переноса заряда и плотностью флуорофоров. Эти ограничивающие факторы — предмет для дальнейших исследований. «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. В работе участвовали 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. Александра Томская, младший научный сотрудник лаборатории углеродных наноматериалов МФТИ, ответила на вопросы «Ъ-Науки». — Вы получили частицы, которые очень ярко светятся под лампой. Как вы думаете, само углеродное ядро у них светится или же светятся маленькие молекулы-«прилипалы» на его поверхности? Является ли ядро просто «подставкой» для этих светящихся молекул? — В нашем случае главную роль в свечении играют именно те самые молекулы-«прилипалы» — флуорофоры IPCA, которые прочно встроены в структуру частицы. Представьте себе не просто «подставку», а скорее полимерную сетку, в узлах которой закреплены эти яркие молекулы. Углеродное ядро (матрица) не просто пассивно их держит — оно стабилизирует эти флуорофоры, защищает их от окружающей среды, что и позволяет им светить так ярко и стабильно. Так что это синергетический эффект: без флуорофоров не было бы такой яркости, а без «подставки» они бы так хорошо не работали. — Вы использовали не самый популярный ингредиент — трансаконитовую кислоту. Это было просто экспериментом или вы предполагали, что именно она даст частицам какие-то особые свойства? Было ли сложно с ними работать и получать одинаковый результат каждый раз? — Мы предположили, что трансаконитовая кислота (ТА), будучи изомером лимонной кислоты (то есть имеет такой же состав, но другую геометрию молекулы), может создать немного иную архитектуру полимерной сети на этапе синтеза. Мы надеялись, что это может привести к образованию флуорофоров с улучшенными свойствами или к более оптимальной структуре самой углеродной точки. Сложности, безусловно, были. Главная проблема — ТА менее стабильна при высоких температурах синтеза и имеет более высокую температуру плавления. Из-за этого выход наночастиц был ниже, а процесс требовал более тщательного контроля, чтобы добиться воспроизводимости. С лимонной кислотой работать проще и предсказуемее. Но сам факт, что с ТА мы тоже получили частицы с высоким квантовым выходом, подтверждает универсальность нашего подхода. — Ваши частицы сами по себе светятся великолепно, но, когда вы собрали из них готовый светодиод, его яркость оказалась невысокой. Куда пропадает эффективность? В чем главная загвоздка — частицы плохо проводят ток или в устройстве они не могут нормально «загораться» от электричества? — Вы абсолютно точно подметили ключевую проблему. Эффективность «пропадает» на стыках. Представьте, что наши частицы — это великолепные лампочки, но к ним плохо подведены провода. Тут есть две главные загвоздки. Первая — неидеальная проводимость слоя с УТ. Углеродные точки, особенно на основе полимеров, не являются хорошими проводниками электричества. Слой получается как бы «изолятором» с вкраплениями светящихся центров. Вторая — проблемы с инжекцией и балансом носителей. Электронам и «дыркам» (положительным носителям заряда) сложно «запрыгнуть» в слой с УТ из соседних транспортных слоев (это те самые энергетические барьеры на диаграмме). Даже если они туда попали, они не всегда эффективно встречаются друг с другом именно на той молекуле, которая должна светиться. В итоге большая часть электрической энергии тратится впустую — на нагрев, а не на свет. Так что проблема не в том, что частицы «не хотят» светиться от тока, а в том, что мы не можем эффективно доставить к ним этот ток и заставить его там преобразоваться в свет. — Вы говорите, что будете улучшать диод, меняя другие его слои. Можете объяснить проще: вы будете подбирать «соседей» для ваших частиц, которые помогут им лучше принимать электрический ток? Или, может, вы будете смешивать их с другим материалом, чтобы светящийся слой был более качественным? — Да, вы правильно поняли, и мы планируем работать в обоих этих направлениях. Подбор «хороших соседей». Мы будем экспериментировать с другими материалами для транспортных слоев (PEDOT:PSS, поли-TPD, TPBi). Нам нужны такие «соседи», которые будут идеально подходить по энергетическим уровням к нашим частицам — как ключ к замку. Это позволит электронам и «дыркам» легко «перепрыгивать» в слой с УТ, не встречая высоких барьеров. Создание «командного» слоя (гибридный подход). Мы рассматриваем возможность смешать наши углеродные точки с другим, более проводящим органическим материалом. Представьте, что мы рассыпаем наши «фонарики» (УТ) в матрицу из хорошего «проводника». Этот проводник будет эффективно принимать ток и распределять его между фонариками, помогая им всем «загораться». Это может кардинально повысить эффективность всего светящегося слоя. — Пока ваши диоды не могут конкурировать с яркостью экранов смартфонов. Где их можно использовать уже сегодня, несмотря на невысокую яркость? Может, в датчиках для анализов в медицине, где важна их безопасность, или в каких-то индикаторах, где не нужен яркий свет? — Пока рано говорить о дисплеях, но «нишевые» применения есть уже сейчас. Например, биомедицинские датчики. Это одно из самых перспективных направлений. Низкая токсичность наших УТ делает их идеальными для сенсоров, встраиваемых в микрофлюидные чипы для анализа биологических жидкостей. Их свечением можно управлять, и оно может меняться при контакте с определенными мишенями (ионами, белками), сигнализируя о наличии заболевания. Или гибкая и носимая электроника. Яркости в десятки кд/кв. м вполне достаточно для индикаторов на гибких подложках — например, для показа простой информации на браслетах или интеллектуальной одежде. Или пассивные индикаторы. Индикаторы включения/выключения на бытовых приборах, где не требуется ослепительный свет, но важна безопасность и долговечность. — Если отвлечься от вашей работы, что самое сложное во всей области углеродных точек? Что нужно преодолеть всем ученым в мире, чтобы эти частицы перестали быть просто интересной темой для лабораторий и пошли в массовое производство? Нужно ли научиться делать их все абсолютно одинаковыми или до конца разобраться, почему и как они светятся? — Самый сложный вызов — это воспроизводимость и контроль на атомарном уровне. Сейчас синтез углеродных точек во многом напоминает приготовление супа: вы бросаете в котел (автоклав) ингредиенты, нагреваете, и получается некая усредненная смесь. В этой смеси есть и яркие частицы, и не очень, и чуть большего размера, и меньшего, и с разным количеством флуорофоров. Мы не можем с абсолютной точностью контролировать, сколько именно «фонариков» IPCA окажется в каждой частице и как именно они расположены. Поэтому ответ «да» на обе части вашего вопроса. Нам нужно абсолютно разобраться в механизмах свечения на фундаментальном уровне. И на основе этого понимания разработать такие методы синтеза, которые позволят получать абсолютно идентичные частицы заданного размера, с заданным количеством флуорофоров и, как следствие, с абсолютно предсказуемым цветом свечения и электрическими свойствами. Только когда мы сможем «печатать» углеродные точки с такой же точностью, как сейчас печатают микросхемы, они совершат настоящий прорыв из лабораторий в массовую коммерцию. Пока же это прекрасный и многообещающий, но еще очень «молодой» материал. Подготовлено при поддержке Минобрнауки Source: https://www.kommersant.ru/doc/8192932