Ученые раскрыли путь к сверхэффективным углеродным точкам

Российские ученые синтезировали высокоэффективные углеродные точки и продемонстрировали на их основе работу органических светоизлучающих диодов. Такие материалы открывают возможности для самых разных областей — от оптоэлектроники до биомедицины. Результаты исследования опубликованы в «Письмах в ЖЭТФ».

Углеродные точки — это наночастицы размером около 10 нанометров, обычно сферические по форме. Их структура состоит из углеродного ядра и функциональных групп на поверхности, которые можно модифицировать под требуемые свойства. Эти частицы экологичны, биосовместимы, нетоксичны и обладают выраженной фотолюминесценцией. Благодаря этому их рассматривают в качестве флуоресцентных меток для биовизуализации, компонентов для повышения эффективности солнечных батарей и элементов фотокатализаторов, разлагающих органические загрязнители под действием света.

Исследования углеродных точек активно развиваются с середины 2000-х годов, и один из наиболее изученных способов их получения — синтез из смеси лимонной кислоты и этилендиамина. В новой работе ученые пошли по менее исследованному пути: в качестве углеродного прекурсора использовали транс-аконитовую кислоту. Основное внимание было сосредоточено на изучении оптических свойств полученных наночастиц.
«Мы хотели получить экологичную альтернативу квантовым точкам на основе тяжелых металлов, применив простой и дешевый гидротермальный метод синтеза из доступных органических соединений», — пояснила Александра Томская, младший научный сотрудник лаборатории углеродных наноматериалов МФТИ.

Полученные материалы изучали с помощью ИК-спектроскопии, UV–Vis спектроскопии и фотолюминесцентной спектрометрии. Анализ показал наличие молекулярных флуорофоров — именно они обеспечивают свечение углеродных точек. Максимум излучения пришелся на 443 нм, а квантовый выход достиг 77,5%, что является одним из самых высоких значений для подобных материалов.
«Квантовый выход 77,5% — это выдающийся результат. Для большинства углеродных точек он находится в диапазоне 30–70%, так что мы получили действительно высококачественные и чистые наноматериалы», — отметил Андрей Ващенко, старший научный сотрудник отдела люминесценции им. С. И. Вавилова ФИАН.

Физики продемонстрировали практическую применимость синтезированных точек, создав рабочие органические светоизлучающие диоды (OLED), где углеродные точки выступили в роли излучающего слоя.
«Мы не ограничились синтезом порошка — нам удалось встроить материал в реальное устройство, которое показало электролюминесценцию с яркостью до 30 кд/м². Это убедительное подтверждение того, что наши углеродные точки подходят для оптоэлектроники», — рассказала Елена Образцова, руководитель лаборатории углеродных наноматериалов МФТИ.

Для сравнения: типичные коммерческие OLED-панели достигают яркости 500–1300 кд/м². По мнению исследователей, ограничение яркости новых диодов связано с эффективностью переноса заряда и плотностью флуорофоров в слое углеродных точек. Эти параметры станут предметом дальнейшей оптимизации.

«Дальше мы сосредоточимся на повышении эффективности OLED. Планируем изменять архитектуру устройства, подбирать более подходящие транспортные слои и создавать гибридные структуры, чтобы улучшить инжекцию и перенос зарядов. Это позволит существенно увеличить яркость и общую производительность светодиодов», — сообщила Светлана Смагулова, заведующая лабораторией графеновых нанотехнологий СВФУ им. М. К. Аммосова.

Источник: Физики показали, как создать самые эффективные углеродные точки — За науку