Микро- и наноструктурирование пленок из стабилизированных квантовых точек CdSe/CdS/ZnS

Технология Ленгмюра – Блоджетт (Langmuir – Blodgett, LB), позволяющая формировать ультратонкие пленочные структуры с высокой степенью структурного совершенства, находит свое практическое применение в различных областях науки и техники: в электронике и схемотехнике, оптике и фотовольтаике, биологии и медицине. Столь широкий спектр возможностей внедрения ленгмюровских пленок возможен за счет точного контроля их толщины, высокой однородности, низкой шероховатости и достаточно сильной (при определенных условиях) адгезии пленки к поверхности-носителю. По мере развития технологии расширялся диапазон материалов, используемых для получения LB-пленок: жирные кислоты (олеиновая, стеариновая и пр.), жидкие кристаллы. А относительно недавно в качестве поверхностно-активных соединений стали использоваться нанокристаллы (например, сегнетоэлектрической природы), которым химическими методами придаются лиофобные (в частности, гидрофобные) свойства. На сегодняшний день одним из перспективных материалов для создания LB-пленок являются полупроводниковые квантовые точки (quantum dots – QDs), которые благодаря уникальности своих оптических и транспортных характеристик уже нашли свое применение в различных областях науки и техники даже в виде порошков и коллоидных систем (colloidal system – CS). Специфичность свойств QDs обусловлена квантово-размерным эффектом – изменением тех или иный свойств материала в зависимости от размера кристалла, ярким проявлением которого стала размерная зависимость положения пика PL (photoluminescence – PL) QDs. В последнее время активно проводятся исследования и в области центрифугированных (spin coating – SC) пленок из QDs. Несмотря на то, что технология SC для получения пленочных структур давно отлажена, вопрос применения QDs в ней только сейчас получает своё развитие, и работы демонстрируют прекрасную приспособленность QDs для SC-технологии. Перспективным является не только получение моно- и мультислойных структур на основе QDs, но и их внедрение в конструкцию светоизлучающих устройств. Это обусловлено тем, что пленочные структуры из QDs обладают большим светопоглощением при их минимальной толщине, что способствует миниатюризации вновь создаваемых элементов и устройств. Помимо этого, неоспоримым преимуществом QDs перед традиционными (в том числе органическими) люминофорами является их большее время жизни и гораздо более высокий квантовый выход PL, что даёт значительный выигрыш в КПД светоизлучающего устройства и сроке его службы. Бесспорным достоинством методов SC и LB является то, что в них явления самоорганизации выполняют основополагающую роль, что отчасти обусловливает повышенное влияние условий реализации. Так методом SC формируются достаточно однородные и вместе с тем весьма чувствительные к влажности воздуха и поверхности подложки тонкие пленки из QDs. В методе LB высокоупорядоченность моно- и мультислойных структур обеспечивается управляемым ЭВМ молекулярным конструктором при условии контроля по изотермам сжатия формирующихся гетерофазных слоев. Исследованиям оптических и электрических свойств нанопленочных слоев из QDs на поверхности жидко- или твердофазной подложки посвящены многие работы, к примеру. Однако, на наш взгляд, отсутствуют всесторонние исследования процессов формирования и переноса LB-монослоев из QDs на жидкофазных субфазах и SC пленок на твердофазных подложках, в том числе, люминофоры QDs, кинетики их наноструктурирования и пространственной упаковки в зависимости от стабилизирующей оболочки, условий периодических внешних воздействий температуры и давления, что прямо указывает на их актуальность. Цель работы: по результатам комплексной характеризации SC- и LB- нанопленочных структур из стабилизированных QDs CdSe/CdS/ZnS установить: физические закономерности их формирования в зависимости от внешних температурных, механических воздействий; размерно-эмиссионные свойства люминофоров YAG:Ce, дополненных пленками QDs. В соответствии с целью работы были сформулированы и решались следующие задачи: • исследовать CS стабилизированных QDs CdSe/CdS/ZnS; • установить механизмы формирования методами SC и LB нанопленок из стабилизированных QDs CdSe/CdS/ZnS; • определить рациональные параметры нанопленки из QDs тройной системы CdSe/CdS/ZnS и методами SC и LB; • с привлечением широкого арсенала наноинструментальных методов провести комплексную характеризацию созданных микро- и нанопленочных стуктур; • выявить кристаллические и химические структурные особенности получаемых нанопленок и предложить качественную физическую модель их формирования; • установить влияние размеров частиц люминофоров YAG:Ce, концентрации Ce3+ и включений из QDs на PL. Научная новизна: 1. Впервые в режиме in situ изучена кинетика формирования ленгмюровских монослоев из QDs CdSe/CdS/ZnS, позволившая выявить механизм гексагонального упорядочения как предвестника коллапса, адекватно описанный в рамках комбинаторно-геометрического анализа. 2. Доказано действие дискретного механизма формирования LB-моно- и мультислоев, представленного совокупностью интервалов стабильного существования ленгмюровских пленок из QDs в зависимости от температуры водной субфазы, скорости движения барьеров, объема наносимой CS. 3. Впервые установлен размерно-эмиссионный механизм стоксова сдвига фотолюминесценции: коротковолнового – для частиц с размерами менее 10 мкм и с малой концентрацией и длинноволнового – при размерах более 10 мкм с повышенной концентрацией свыше 0.2 %. Результаты работы, полученные на квантовых точках CdSe/CdS/ZnS, могут быть распространены на процессы формирования микро- и наноструктурирования центрифугированных и ленгмюровских гетерофазных моно- и мультислойных пленок для изготовления оптических датчиков, сенсоров, светодиодов, элементов и устройств фотоники или их прототипов.