Ученые ИТМО разработали простой и недорогий способ производства ярких светодиодов на основе углеродных точек. Для этого полиэтиленгликолем обрабатывают точки непосредственно во время их синтеза в печи. Этот метод существенно повысил интенсивность фотолюминесценции наночастиц при прежних затратах энергии и позволил изготовить стабильные светодиоды с яркостью, сравнимой с более сложными аналогами. опубликованы в журнале Small Structures.
Углеродные точки представляют собой перспективный материал для изготовления светодиодов и дисплеев.
Это нетоксичные, биосовместимые наночастицы, которые легко изготавливаются из доступных компонентов, таких как лимонная кислота и хлорофилл. В отличие от перовскитов, углеродные точки обладают высокой стабильностью и могут существовать в разных растворителях, включая воду. Их поверхность может быть функционализирована — к ней присоединяют различные группы и полимеры. Это облегчает интеграцию частиц в другие материалы, делая их подходящей основой для композитов, например, светоизлучающих слоев в светодиодах.
Применение углеродных точек в массовом производстве пока затруднительно из-за низкого квантового выхода фотолюминесценции. Этот показатель определяет яркость наночастиц. В перовскитах и квантовых точках он может достигать почти ста процентов, у водных углеродных точек чаще всего ниже 60–70%, а у амфифильных, растворимых как в полярных, так и неполярных растворителях, обычно не превышает 15–20%. Такой показатель недостаточен для использования наночастиц в ярких светодиодах.
В ИТМО учёные разработали метод повышения оптических характеристик углеродных точек с помощью обработки полиэтиленгликолем — доступного и недорогого полимера. Молекулы полиэтиленгликоля служат дополнительным источником углерода, устраняя дефекты в наночастицах и увеличивая квантовый выход. При этом структура, цвет, форма спектра и другие свойства частиц остаются неизменными. Для получения наночастиц, готовых для светодиодов, обработанные полиэтиленгликолем точки подвергались гидротермальной обработке в герметичном автоклаве в течение шести часов.
Ученые исследовали два типа точек: гидрофильные, растворяющиеся в полярных растворителях (например, воде), и амфифильные, растворяющиеся во всех растворителях. Обработка наилучшим образом улучшила оптические характеристики гидрофильных углеродных точек: максимальный квантовый выход достиг 75–80%, в то время как у необработанных — 30%.
Выход квантовых амфифильных точек, применяемых в производстве светодиодов, увеличился с двадцати до двадцати пяти-тридцати процентов. Максимальная яркость светодиодов из обработанных углеродных амфифильных точек составила два тысячи пятьсот кандел на квадратный метр (из необработанных — два тысячи кандел), что примерно равно яркостям существующих светодиодов с органическими красителями и перовскитами.
Светодиоды, созданные на основе обработанных углеродных точек, оказались устойчивыми: выдержали более 50 циклов включения-выключения без дополнительного охлаждения, непрерывную работу в течение 30 минут и не деградировали. Это считается хорошим результатом.
В перспективе планируем увеличить квантовый выход точек путем изменения структуры светодиода для лучшей передачи заряда и модификации синтеза углеродных точек. Работаем также с другими заряженными полярными полимерами для обработки наночастиц, что позволит управлять способностью точек создавать пленки на разных поверхностях. Планируем изучить поведение материалов при этом, поскольку это может быть полезным в медицинской биовизуализации и изготовлении устройств, таких как светодиоды и дисплеи. — сказал инженер центра «Информационные оптические технологии» ИТМО Михаил Мирущенко.
Университет ИТМО поделился информацией.
Источник фото: ru.123rf.com