Чернила из нанокристаллов: в МФТИ создали экологичную альтернативу для печати фоточувствительных структур

Сотрудники Центра испытаний функциональных материалов МФТИ разработали новый тип чернил для прямой печати фоточувствительных элементов на основе нанокристаллов сульфида индия-серебра (AgInS₂). Ученым впервые удалось получить стабильный коллоидный раствор, который можно наносить на подложку с помощью микроплоттера, минуя сложные и дорогостоящие этапы послойной обработки. Напечатанные таким способом фоторезисторы продемонстрировали отчетливый фотоотклик при облучении лазером с длиной волны 405 нанометров. Результаты открывают перспективы для создания гибкой электроники, оптических сенсоров и элементов «умных» дисплеев. Работа, поддержанная Министерством науки и высшего образования РФ, опубликована в журнале «Прикладная физика».

Коллоидные квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы размером всего несколько нанометров, оптические свойства которых зависят от их размера. Они способны поглощать и излучать свет в определенных диапазонах длин волн, что делает их перспективным материалом для дисплеев нового поколения, солнечных батарей и фотодетекторов. Однако у технологии есть существенный недостаток: при синтезе нанокристаллы покрываются длинными органическими молекулами-стабилизаторами — изолирующими лигандами. Они препятствуют переносу электрического заряда между соседними кристаллами. Поэтому после нанесения материала ученым приходится дополнительно заменять длинные лиганды на короткие молекулы, чтобы сделать пленку проводящей. Такая многоэтапная обработка усложняет технологию и затрудняет ее масштабирование.

Группа ученых под руководством старшего научного сотрудника Ивана Шуклова предложила решить эту проблему еще до нанесения материала на подложку: заменить изолирующие лиганды непосредственно в коллоидном растворе и превратить его в готовые к печати «чернила». В качестве основы исследователи выбрали сульфид индия-серебра — полупроводниковый материал, который рассматривается как экологически более безопасная альтернатива широко используемому, но токсичному селениду кадмия.

«Нам впервые удалось получить чернила на основе коллоидных нанокристаллов с заменой лигандов еще на начальном этапе. Наш подход позволяет заменить громоздкую процедуру замены на простой одностадийный процесс в растворе, что критически важно для масштабирования технологии. Обычно коллоидные квантовые точки, используемые для получения фоточувствительного слоя, имеют толстую изолирующую “шубу” из лигандов. Но в процессе создания пленки нам требуется процедура переодевания, так как в конечном продукте эта шуба уже мешает.Изготовление чернил позволяет нам готовить коллоидный раствор сразу без шубы, но здесь возникает уже следующая проблема: такие системы очень плохо живут. Поэтому чернила не использовались. Но в ходе исследований нам впервые удалось зафиксировать стабильное состояние и получить конечный фоточувствительный слой с уже замененными лигандами», — прокомментировал исследование Иван Шуклов.

Главной задачей стало подобрать химическую систему, которая позволила бы нанокристаллам AgInS₂ оставаться стабильными в новом растворителе — диметилформамиде — и при этом не слипаться и не выпадать в осадок. Ученые исследовали различные комбинации солей и стабилизаторов и установили, что для замены исходных длинных карбоксилатных лигандов подходят бутиламин и меркаптоэтанол. Сам процесс замены можно было контролировать визуально: после добавления реагентов наночастицы, находившиеся в гидрофобной органической фазе, переходили в гидрофильную, что сопровождалось изменением цвета раствора. Чтобы подтвердить полноту реакции, исследователи провели инфракрасную спектроскопию. Полученные спектры показали, что сигналы длинноцепочечных молекул исходной оболочки практически исчезли и были заменены характерными пиками новой короткоцепочечной оболочки.

Разработанные чернила сохраняли стабильность в течение двух недель без существенной агломерации нанокристаллов. Этого времени оказалось достаточно, чтобы использовать раствор для печати фоточувствительных структур.

«Наша технология скорее напоминает струйный принтер. Получить светочувствительный элемент возможно прямой печатью на подложке.Это очень удобно и дает нам возможность печати даже на кривых поверхностях, плюс сам процесс не требует дополнительных этапов обработки. Кроме того, мы впервые создали функциональные чернила без токсичного кадмия, использование которого несет дополнительные требования к производственной безопасности и повышает риск загрязнения окружающей среды при утилизации устройств. Именно это является одним из важных сдерживающих факторов для распространения технологий на его основе», — отметил Иван Шуклов.

Для нанесения функциональных структур исследователи выбрали микроплоттер SonoPlot GIX Microplotter II. В отличие от обычной струйной печати, эта технология позволяет работать с более вязкими жидкостями и обеспечивает точность позиционирования до 5 микрометров. С помощью микроплоттера ученые наносили разработанные чернила на подложки из оксида кремния, формируя миниатюрные фоторезисторы. Атомно-силовая микроскопия показала, что напечатанные пленки отличаются высокой однородностью — важным условием для стабильной работы электронных устройств. При облучении лазером с длиной волны 405 нанометров созданные структуры продемонстрировали выраженный фотоотклик, подтвердив работоспособность нового подхода.

Следующий этап работы — дальнейшее улучшение фотоэлектрических характеристик полученных структур и адаптация разработанных чернил для печати более сложных многослойных устройств. В перспективе технология может быть использована для создания таких компонентов, как фотодиоды и элементы солнечных батарей, непосредственно на различных типах подложек.

Источник: Чернила из нанокристаллов: в МФТИ создали экологичную альтернативу для печати фоточувствительных структур — За науку