Госзадание. Исследование квантовых точек

Госзадание. Исследование квантовых точек

Компьютерный нанодизайн, синтез и диагностика квантовых наноструктур.


Начало активности (дата): 18.07.2014
Окончание активности (дата): 31.12.2016
Руководитель: Солдатов Александр Владимирович
Ответственный исполнитель: Кравцова Антонина Николаевна
Исполнители: Бутова Вера Валерьевна / Сучкова Светлана Алексеевна / Панкин Илья Андреевич

Объект исследования
 
Объектом исследования явились квантовые наноструктуры на основе коллоидных полупроводниковых квантовых точек (КТ) семейств CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnS, в том числе допированных “магнитными” атомами переходных (Mn, Co) и редкоземельных (Eu, Gd) элементов.

Актуальность проекта

В последнее время значительные исследовательские усилия направлены на определение зависимости между размером, атомной структурой и электронными свойствами КТ. Благодаря размерной зависимости оптических свойств, вариации размеров КТ позволяют влиять на параметры поглощения света и люминесценции.

Особый интерес представляют полупроводниковые коллоидные КТ вследствие широких возможностей их использования в высокотехнологичных секторах экономики. Коллоидные КТ могут использоваться для LED дисплеев нового поколения, как элементы сенсоров для охраны окружающей среды. Уникальные свойства коллоидных КТ делают их перспективными в таких областях, как фотовольтаика и био-медицинские применения: визуализация, терапия онкологических заболеваний, биосенсоры.

Цели и задачи проекта

Цель научного проекта заключается в установлении фундаментальных закономерностей взаимосвязи наноразмерной атомной структуры и электронного строения коллоидных КТ.

Цель этапа 2015 года заключалась в разработке методик синтеза, оптимизации технологических параметров и синтезе квантовых наноструктур типа коллоидных полупроводниковых КТ (CdTe, CdS, CdSe, ZnSe, ZnS) на основе гидротермального метода и метода с использованием микроволнового облучения.

Основные результаты этапа 2015 года

Синтез

В процессе выполнения работ разработаны методики синтеза, проведена оптимизация технологических параметров и проведен синтез квантовых наноструктур типа полупроводниковых коллоидных КТ, в том числе допированных атомами переходных элементов, на основе гидротермального метода и метода с использованием микроволнового облучения. Выполнен сравнительный анализ данных методик синтеза. Особое внимание уделено вопросам использования различных поверхностно-активных веществ и их влиянию на размеры и свойства синтезированных КТ. Проведен синтез композитного материала на основе КТ CdSe и магнитных наночастиц γ-Fe2O3, перспективного для биомедицинских применений.
  


Рисунок 1 - Коллоидные растворы наночастиц CdS, полученные фоторазложением тиосульфата кажмия с разными концентрациями


Рисунок 2 - Частицы "core-shell" с сульфидами двух металлов. Слева - CdS -ZnS, справа - CuS-CdS.


(а)


(б)

Рисунок 3 - Синтез КТ состава CdS в матрице Basolite C300 (производства Sigma Aldrich). (a) фотография исходного порошка Basolite C300, использованного для функционализации, (б) фото образца после функционализации

Характеризация синтезированных образцов

Проведена комплексная характеризация синтезированных квантовых наноструктур на основе таких методов, как рентгеновская дифракция, просвечивающая электронная микроскопия, рентгенофлуоресцентный анализ, динамическое рассеяние света, инфракрасная спектроскопия, спектроскопии в видимой и ультрафиолетовой области.


Рисунок 4 - Сравнение изображений,полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии, образцов КТ на основе CdS, синтезированных гидротермальным (слева)  и микроволновым методом (справа)

Моделирование: Разработка методики

В рамках разработки комплексной неразрущающей спектральной методики анализа наноразмерной атомной полупроводниковых структур типа коллоидных КТ, проведены тестовые измерения спектров рентгеновского поглощения (XANES) в коллоидных квантовых точках CdSe с использованием синхротронного излучения НИЦ “Курчатовский институт”. Показано, что экспериментальные и рассчитанные теоретические спектры XANES чувствительны к небольшим изменениям параметров структуры и размеров частиц, что дает возможность использования на следующем этапе исследований спектроскопии XANES для выделения с высокой точностью информации о параметрах структуры синтезированных КТ. На следующем этапе выполнения работ будет разработана комплексная методика неразрушающей спектральной нанодиагностики (включая in-situ измерения) наноразмерной атомной и электронной структур квантовых нанообъектов типа полупроводниковых коллоидных квантовых точек (CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnS), установлены фундаментальные закономерности взаимосвязи их наноразмерной атомной структуры и электронного строения.


Рисунок 5



Рисунок 6

Эффекты от внедрения результатов проекта

Разработанные оптимизированные методики синтеза квантовых наноструктур типа полупроводниковых коллоидных КТ могут быть использованы в НИР, НИОКР и ОКР широкого круга научных организаций и предприятий высокотехнологичного сектора экономики, а также при создании новых и оптимизации существующих технологических процессов синтеза широкого класса других активных функциональных наноматериалов без дальнего порядка.

Показатели
 
По результатам работ по разработке способов синтеза полупроводниковых квантовых точек зарегистрирован объект интеллектуальной собственности НОУ-ХАУ (секрет производства) “Синтез квантовых наноструктур типа полупроводниковых коллоидных квантовых точек”.
Регистрационный номер НИОКРТ: 114072270020
Регистрационный номер РИД: 616012750028
Дата регистрации РИД: 27.01.2016

Публикации по проекту за 2015 год

1) А.Н. Кравцова, С.А. Сучкова, М.Б. Файн, А.В. Солдатов “In silico исследование атомной и электронной структур квантовых точек семейства CdTe, допированных атомами редкоземельных элементов“ // Журнал структурной химии ( принята к печати).
2) А.Н. Кравцова, И.А. Панкин, М.А. Солдатов, В.В. Бутова, И.А. Боброва, А.В. Солдатов “Синтез и анализ локальной атомной структуры квантовых точек семейства CdS” // Журнал структурной химии (принята к печати).
3) А.Н. Кравцова, И.А. Панкин, А.П. Будник, В.В. Бутова, Т.А. Ластовина, А.В. Солдатов “Синтез и моделирование структуры квантовых точек на основе ZnS” // Журнал структурной химии (принята к печати).
4) А.Н. Кравцова, И.А. Панкин, Л.Д. Попов, М.А. Солдатов, А.П. Будник, В.В. Бутова, А.В. Солдатов “Локальная атомная и электронная структура квантовых точек на основе ZnS, допированных Mn и Co” // Журнал структурной химии (принята к печати).
5) И.А. Панкин, А.Н. Кравцова, О.Е. Положенцев, М.А. Солдатов, А.Л. Тригуб, А.В. Солдатов “Анализ атомной структуры коллоидных квантовых точек семейства CdSe: рентгеноспектральная диагностика и компьютерное моделирование” // Журнал структурной химии (принята к печати).

Также разработано учебно-методическое пособие к лабораторной работе для магистерской образовательной программы «Синтез квантовых наноструктур типа полупроводниковых коллоидных квантовых точек».

Публикации по проекту за 2014 год
 
1) А. Н. Кравцова, К. А. Ломаченко, С. А. Сучкова, И. А. Панкин, М. Б. Файн, А. Л. Бугаев, А. В. Солдатов “Допированные квантовые точки семейства CdTe” // Известия РАН. Серия физическая. -2015. - T. 79, № 11. - C. 1612–1616.
DOI: 10.7868/S0367676515110150
2) А.Н. Кравцова, М.А. Солдатов, С.А. Сучкова, В.В. Бутова, А.Л. Бугаев, М.Б. Файн, А.В. Солдатов “Атомная и электронная структура квантовых точек на основе CdS” // Журнал структурной химии. – 2015. – Т. 56 (3). – С. 549-555. DOI 10.15372/JSC20150319

Благодарность

Работы выполняются при поддержке грантом “Компьютерный нанодизайн, синтез и диагностика квантовых наноструктур”, Минобрнауки, проектная часть госзадания № 16.148.2014/K.