Ученые МФТИ и ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН создали гибридный люминофор в виде коллоидных квантовых точек — кристаллофосфор фосфида индия, модифицированный марганцем. опубликованы Работы, опубликованные в изданиях «Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry» и «High Energy Chemistry», могут послужить основой для создания уникальных устройств нанофотоники.
Рисунок 1. Фотолюминесцентные характеристики коллоидных квантовых точек InP:Mn. Источник: Д. Певцов.
Люминесценция — Это явление выделения света материалом при его возбуждении. Возбуждение возможно при поглощении света, механическом или другом воздействии.
Люминофоры используются энергетической промышленностью, медициной, системами контроля качества и других областях. В лампах дневного света в наших домах содержится люминофор. Многие медико-биологические исследования проводятся с помощью этих соединений. Явление люминесценции используется для защиты от подделок различных объектов, например ценных бумаг и банкнот.
Первое поколение люминофоров — кристаллофосфоры — это широкозонный полупроводник с добавленными люминесцирующими ионами. Полупроводник выполняет роль матрицы поглощения света, а примесные ионы — центров излучения рекомбинации. Из-за этого контроль спектральных характеристик в основном определяется выбором донорных ионов. Второе поколение люминофоров — молекулярные люминофоры, свойства которых зависят от конструкции молекулы и выбора функциональных групп. Создание гибридных люминофоров, объединяющих принципы разных поколений, малоизучено.
Коллоидные квантовые точки — новый класс люминофоров, применяемых в светоизлучающих диодах, солнечных элементах, фотодетекторах и биомедицинских метках. Квантовые точки представляют собой полупроводниковые нанокристаллы, структура электронных уровней которых зависит от их размера. Это приводит к изменению спектральных свойств, эффект называется квантово-размерным. Такой подход позволяет создавать люминофоры с заданными спектральными свойствами и выделяет их среди предыдущих поколений.
Ученые МФТИ и ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН изучают способы создания кристаллофосфора InP:Mn в виде коллоидных квантовых точек и исследования его спектрально-кинетических характеристик. Спектральные свойства в данном случае обусловлены квантово-размерным эффектом в матрице InP, а также присутствием примесного иона Mn. 2+…и взаимодействием энергий уровней матрицы с уровнем иона-допанта.
В подобных системах наблюдаются три вида излучения: флуоресценция, фосфоресценция и замедленная флуоресценция. Время жизни первого вида составляет около 50 нс, второго — порядка 1 мс, третьего — от 100 нс до нескольких мкс. Ученые (Рисунок 1) продемонстрировали, как квантово-размерный эффект в таких системах определяет соотношение этих трех видов излучения.
Практическое применение коллоидных квантовых точек в фотонике определяется не отдельными точками, а их коллективными свойствами в организованных структурах — плотноупакованных слоях или нанокластерах. В таких системах возможен перенос носителей заряда (фотопроводимость) и энергии (Ферстеровский резонансный перенос возбуждения). Фотопроводимость наблюдается при расстоянии между гранями квантовых точек до доли нанометра, а Ферстеровский резонансный перенос возбуждения — на любых расстояниях до десятка нанометров. Таким образом, он влияет на транспортные свойства в практически любых плотноупакованных системах из коллоидных квантовых точек.
В работе, опубликованной В области высокоэнергетической химии исследователи изучили влияние флуоресцентных свойств коллоидных квантовых точек InP:Mn/ZnS на процессы переноса электронного возбуждения.
Рисунок 2. Спектры люминесценции коллоидных квантовых точек индигопалладия-марганца. Источник: Д. Певцов.
«Присутствие примеси марганца вызывает появление нового люминесцентного эффекта — задержки переноса возбуждения. пояснил Дмитрий ПевцовСпециалист по фотонике в лаборатории квантово-размерных структур МФТИ. — Эффект проявляется в возможности наблюдать передачу возбуждения на длительное время, достигающее миллисекунд – периода времени, соответствующего продолжительности фосфоресценции. Перенос происходит через короткие уровни возбуждения квантовых точек, связанных с ионом двухвалентного марганца. ».
Эффект проявляется в системах с добавленными коллоидными квантовыми точками, где отмечается замедленное свечение.
Выводы исследований, например замедленный процесс распространения возбуждения, могут стать основой для совершенно новых приборов нанофотоники, не имеющих мировых аналогов.
Работа поддержана РНФ, проект № 21-73-20245.
Никиленко Л.М., Певцов Д.Н., Гак В.Ю., Назаров В.Б., Акимов А.В., Товстун С.А., и Разумов В.Ф. (2024). Задержанное флуоресцирование нанокристаллов InP: Mn/ZnS. Журнал Фотохимии и Фотобиологии A: Химия, 448, 115298.
Попков Д.С., Певцов Д.Н., Николенко Л.М., и Разумов В.Ф. (2024). Перенос возбуждения электронов в нанокластерах коллоидных квантовых точек InP/ZnS, модифицированных ионами марганца. Химия высоких энергий, 58(6), 456-463.
Пресс-служба МФТИ предоставила информацию и изображения.