Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова вместе с иностранными коллегами обнаружили, что двумерные листы теллурида кадмия могут самопроизвольно сворачиваться в нанотрубки, что может найти применение в электронике и фотонике. Результаты исследования были опубликованы в высокорейтинговом журнале Chemistry of Materials.
В ходе работы учёные исследовали двумерные полупроводниковые материалы. К ним относятся, например, графен, фосфорен, двумерные слои дисульфида молибдена, двумерные перовскиты — в последнее время они привлекают огромный интерес учёных. Такие материалы представляют собой атомно-тонкие кристаллы с двумерными электронными свойствами. Учёные предполагают, что эти двумерные материалы можно использовать для создания новых приборов.
«Мы изучали двумерный теллурид кадмия CdTe и обнаружили неожиданный эффект спонтанного сворачивания ультратонких, толщиной всего один нанометр, двумерных листов этого полупроводника, которые иначе называются коллоидными квантовыми колодцами», — рассказал один из авторов Роман Васильев, кандидат химических наук, доцент химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.
Коллоидные квантовые колодцы — это новое поколение коллоидных квантовых точек. Квантовые точки обладают выраженными люминесцентными свойствами и уже нашли применение в коммерчески выпускаемых устройствах, например, телевизорах. Квантовые колодцы — двумерный вариант квантовых точек — пока что только исследуются, но они обладают чрезвычайно узкими полосами люминесценции, что имеет большое значение для высокой чистоты цветопередачи в светоизлучающих устройствах.
Учёные исследовали свойства двумерных листов теллурида кадмия, меняя органические молекулы, которые были «пришиты» к их поверхности и обеспечивали стабильность наночастиц. Для синтеза наночастиц двумерного теллурида кадмия химики использовали коллоидный метод и получили их в колбе. Для этого учёные провели реакцию в органическом растворителе в присутствии поверхностно-активных веществ. Подбирая условия, исследователи смогли добиться роста наночастиц в виде атомно-тонких листов.
Сначала авторы вырастили плоские двумерные fлисты, покрытые стабилизатором — олеиновой кислотой. Удалось получить размеры листов в сотни нанометров при толщине строго в один нанометр. Затем учёные стали заменять молекулы олеиновой кислоты на другие органические молекулы и анализировать размер, форму получившихся наночастиц, их состав и кристаллическую структуру. Для этого они использовали электронный микроскоп Центра коллективного пользования МГУ.
Во время работы они обнаружили, что при использовании специального класса стабилизаторов — тиолов — плоские листы теллурида кадмия свернулись в аккуратные и однородные трубочки. Присоединяясь к поверхности листа, молекулы тиола увеличивают толщину ровно на один монослой (0,15 нанометра) и вызывают механические напряжения, которые приводят к сворачиванию листа в строго определённом кристаллографическом направлении. Сворачивание происходит у всех наночастиц одновременно, и радиус “свёртка” одинаков для всех наноструктур.
«Проведённое исследование открывает новые возможности для манипуляций с двумерными материалами и наночастицами. Весьма неожиданный эффект сворачивания напоминает оригами, только в нашем случае листы имеют толщину один нанометр. Возможность управлять пространственной формой наночастиц может найти применение в создании оптических материалов с анизотропными свойствами и с поляризованной люминесценцией. С их помощью можно разработать активные светоизлучающие матрицы для дисплеев, которые уменьшат энергопотребление и увеличат яркость и контрастность устройства. Можно также предположить возможность конструирования новых наноустройств, например, транзисторов с формой трубки. Данные интересные свойства могут быть востребованы в новых поколениях светоизлучающих и сенсорных устройств, в оптических и оптоэлектронных технологиях и нанотехнологиях», — заключил учёный.
Работа была выполнена при поддержке двух грантов Российского фонда фундаментальных исследований в сотрудничестве с учёными из Национального института наук о материалах (Япония).
Фото: Изображения просвечивающей электронной микроскопии для двумерных листов теллурида кадмия. На левой панели — исходные листы с плоской формой, на правой — листы после сворачивания в свёртки. В правом верхнем углу дано изображение свёрнутого листа.