Спосіб колоїдного синтезу стабілізованих нанокристалів кадмію телуриду

Реферат: Спосіб синтезу нанокристалів кадмію телуриду в колоїдному розчині в деіонізованій воді з -2 прекурсорів кадмію, телуру та модифікатора - тіогліколевої кислоти з концентрацією 4,6··10 -1 1,15·10 моль/л включає взаємодію прекурсорів в періодичному реакторі повного змішування впродовж 2-9 хв. Додатково здійснюють трансфер отриманих у водному середовищі нанокристалів CdTe в диметилформамід шляхом прикапування ізопропілового спирту при кімнатній температурі до появи опалесценції та центрифугування впродовж 14-16 хв. для отримання флокули, яку пептизують диметилформамідом так, щоб об'єм диметилформаміду дорівнював об'єму деіонізованої води у вихідному колоїдному розчині і в подальшому змішують поміщені в диметилформамід нанокристали CdTe із 0,9-0,12 % розчином полімеру-поліаніліну непровідної форми. UA 102352 U (12) UA 102352 U UA 102352 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології напівпровідникових наноматеріалів, а саме до хімічної технології отримання низькорозмірних високолюмінесцентних напівпровідникових структур, зокрема нанокристалів кадмій телуриду, і може бути використана у наноелектроніці для виготовлення світловипромінюючих пристроїв. В останні роки спостерігається сплеск інтересу до створення та дослідження нанорозмірних структур, тобто структур, чиї розміри знаходяться в діапазоні від 1 до 100 нм. Частинки манометрових розмірів проявляють особливі властивості, відмінні від властивостей аналогічних масивних матеріалів: механічні, оптичні, електричні, каталітичні і магнітні. Особливо великий інтерес дослідників викликають нанокристали (НК) напівпровідників типу ІІ VI А В , у яких зав/дяки ефекту просторового квантування носіїв заряду проявляються квантоворозмірні ефекти. Ці ефекти найбільш чітко проявляються для кадмій телуриду у зв'язку із великим борівським радіусом екситону. Проте серед халькогенідів кадмію, які існують в нанорозмірному стані, кадмій телурид є найменш дослідженим, що закономірно, зважаючи на складність отримання його колоїдних розчинів, зумовлену тенденцією первинних сполук Те (II) до розпаду та їх високою токсичністю, їх широке застосування ускладнене через те, що вони знаходяться в колоїдному розчині. Тому зараз досить активно розвиваються методи впровадження ІІК напівпровідників у тверду полімерну матрицю чи одержання компактних шарів, які можна використовувати при виготовленні робочих елементів різноманітних приладів. В патенті США (аналог) [1] запропоновано метод хімічного синтезу НК CdTe з прекурсорів кадмію та телуру з використанням для модифікації поверхні утворених НК три-н-оксилфосфіну (ТОР) та три-н-оксилфосфіну оксиду (ТОРО) при температурах 250-300 °C, причому розміри НК задаються часом і температурою реакції. Використання високих температур, при яких проводиться неводний синтез, призводить до утворення НК із високою кристалічністю і високим квантовим виходом фотолюмінесценції (ФЛ). Проте недоліком даної методики є необхідність проведення синтезу в спеціальному реакторі при підвищених температурах, що потребує в свою чергу додаткового громіздкого і дорогого обладнання та значних енергозатрат. Крім цього, отримані НК не є достатньо стабільними, і впродовж кількох місяців спостерігається поступова деградація їх властивостей, зокрема відбувається об'єднання їх у неоднорідні утворення. Найбільш близьким до способу, що заявляється, (прототип) є патент України |2]. НК CdTe отримують методом колоїдного синтезу з прекурсорів кадмію та телуру. Для модифікації поверхні отриманих НК використовують тіогліколеву кислоту та підсилювач дії модифікатора етиленгліколь. Реакція синтезу проходить у спеціальному періодичному реакторі повного змішування при кімнатній температурі. Розміри отриманих НК CdTe задаються тривалістю реакції та концентрацією прекурсорів. Такий спосіб також дозволяє отримувати НК CdTe задовільної якості зі збереженням високого квантового виходу фотолюмінесценції та з незначним розкидом за розмірами, проте як і в роботі [1J, отримані НК також не є достатньо стабільними і через шість місяців настає деградація їх властивостей, зокрема відбувається об'єднання їх у неоднорідні утворення. Свіжоприготовлені розчини НК CdTe, отримані методом колоїдного синтезу, характеризуються достатньо широким розкидом одержаних частинок за розмірами, що суттєво впливає на їх фотолюмінесцентні властивості і призводить до уширення смуг ФЛ. Стабілізовані тіогліколевою кислотою НК CdTe є надзвичайно токсичними тому, що окрім токсичного нанокристалічного, кадмій телуриду після закінчення синтезу НК CdTe в отриманому колоїдному розчині також залишається надлишок стабілізатора, іони Г та, залежно + 2+ від співвідношення вихідних речовин, іони Na , Cd , а також дрібнодисперсний кристалічний телур. Зважаючи на те, що НК CdTe, синтезовані за методикою прототипу, характеризуються наявністю на їх поверхні негативного заряду, присутність В системі заряджених іонів призводить до їх взаємодії з НК CdTe, що, в свою чергу, спричиняє деградацію оптичних властивостей системи, зокрема зменшення інтенсивності та квантового виходу фотолюмінесценції після шести місяців. Задачею корисної моделі є створення методики отримання менш токсичних і більш стійких до деградації колоїдних розчинів НК CdTe. Поставлена задача вирішується тим, що синтез НК кадмію телуриду в колоїдному розчині в деіонізованій воді проводять з прекурсорів кадмію, телуру та модифікатора-тіогліколевої -2 -1 кислоти з концентрацією 4,6·10 -1,15·10 моль/л шляхом взаємодії прекурсорів в періодичному реакторі повного змішування впродовж 2-9 хв. та додатково здійснюють трансфер отриманих у водному середовищі напокристалів CdTe в диметилформамід шлях ом прикапування ізопропілового спирту (ІПС) при кімнатній температурі до появи опалесценції та центрифугування впродовж 14-16хв. для отримання флокули, яку пептизують 1 UA 102352 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 диметилформамідом (ДМФА) так, щоб об'єм ДМФЛ дорівнював об'єму деіонізованої води у вихідному колоїдному розчині і в подальшому змішують поміщені в ДМФЛ нанокристали CdTc із 0,9-0,12 % розчином полімеру - поліаніліну непровідної форми (ПАНІ). Трансфер НК CdTe шляхом прикапування ІПС до появи опалесценції та подальше центрифугування необхідні для отримання флокули НК CdTe, яка вже не містить надлишку стабілізатора та інших непотрібних домішок. Пептизування ІПС потрібне для того, щоб ефективно провести трансфер НК CdTe з флокули в ДМФА і мати змогу достатньо однорідно провести змішування з розчином полімеру ПАНІ. Таким чином в запропонованій методиці трансфер отриманих нанокристалів із водного середовища в ДМФЛ дозволяє відокремити нанокристали від залишків прекурсорів і при додаванні до отриманого колоїдного розчину ПАНІ дозволяє підвищити стабільність НК CdTe в часі, а також робить їх нетоксичними і більш придатними для подальшого формування наногетерогенних плівкових структур в зв'язку з тим, що полімер ПАНІ є достатньо стійким до деградації та зовсім нетоксичним. Синтезовані запропонованим способом НК CdTe є нетоксичними і більш стійкими, ніж ті, що описані в прототипі тому, що високостабільний полімер ПАНІ надійно екранує їх від взаємодії з навколишнім середовищем. Приклад конкретного виконання Синтез НК CdTe проводили в періодичному реакторі повного змішування так само, як і в прототипі. Для синтезу використовували водний розчин кадмію йодиду (Cdl2) та електрохімічно отриманий телуроводень (Н2Те), необхідний рівень р/І реакційної суміші підтримували за допомогою розчину NaOH. В ході синтезу НК CdTe як модифікатор використовували -2 тіогліколеву кислоту з концентрацією 9,6·10 моль/л. Слід відмітити, що, на відміну від прототипу, нами не використовувався підсилювач дії модифікатора етиленгліколь тому, що ми в подальшому проводили трансфер НК CdTe з колоїдного розчину в ДМФА і, як показали наші дослідження, такі НК були більш стабільними та не потребували підсилення дії модифікатора. Синтез НК CdTe проводили протягом 4 хв. при кімнатній температурі. Таким способом були отримані стабілізовані НК CdTe з дисперсією за розмірами не більше ніж 10 %. Всі хімічні реактиви марки "х.ч.» використовували без додаткового очищення, а для приготування розчинів брали деіонізовану воду з питомим опором 2,5 МОм. Для проведення трансферу до 24 мл вихідного розчину при постійному перемішуванні за допомогою магнітної мішалки прикапували II ТС при кімнатній температурі до появи опалесценції. Розчин з ознаками опалесценції центрифугували протягом 15 хв., а отриману флокулу пептизували в 24 мл ДМФЛ. Далі змішували отриманий розчин із 0,11 % розчином полімеру - ПАНІ. Таким чином були отримані менш токсичні, стійкіші, ніж описані в прототипі, колоїдні розчини на основі НК CdTe, які є економічно більш вигідними і придатними для подальшого створення наногетерогенних плівкових структур на їх основі. Контроль оптичних властивостей синтезованих запропонованим нами способом ІІК проводили шляхом дослідження спектрів оптичного поглинання (ОП) і фотолюмінесценції (ФЛ). Збудження ФЛ здійснювалося He-Cd лазером з довжиною хвилі 325,0 нм і потужністю 10 мВт. Спектри ФЛ реєструвалися за допомогою автоматизованої установки на основі спектрометра МДР-23, оснащеного неохолоджуваним фотопомножувачем ФЭУ-100. Спектри ФЛ вимірювали при кімнатній температурі. На фіг. 1 представлено спектр ОП ПК CdTe/ТГК/ΠΑΗΙ в колоїдному розчині, дисперсійне середовище - - ДМФЛ. Спектр ОП має характерний вигляд з максимумом поглинання на довжині хвилі 385 нм і не змінюється впродовж одного року. На фіг. 2 представлено спектр ФЛ НК CdTe/ΤΓΚ/ΠΑΗΙ в колоїдному розчині з ДМФЛ як дисперсійне середовище. Максимальна інтенсивність свічення спостерігається близько 570 нм, причому спектр ФЛ також не змінюється впродовж одного року. Наші дослідження показали, що отримані запропонованим способом наноструктури на основі НК CdTe в колоїдному розчині є нетоксичними, стабільними в часі і не змінюють своїх характеристик при повторних дослідженнях після зберігання при кімнатній температурі впродовж року. Відтак можна зробити висновок, що запропонований спосіб дозволяє отримати стійкіші в часі нетоксичні структури, що характеризуються задовільними оптичними властивостями (фіг. 1 та фіг.2). Одержані результати можуть знайти практичне застосування при розробці нових композиційних матеріалів на основі кадмію телуриду, а також при створенні малоінерційних ефективних оптоелектронних приладів для наноелектроніки та при виготовленні люмінофорів, оптичних і люмінесцентних біологічних сенсорів. Використані джерела 2 UA 102352 U 5 1.. Kui Yu. Method of synthesis colloidal nanocrystals / Kui Yu, John Ripmeeeter // United States Patent US 7,267,810 B2. - 2007. 2. Капуш O.A., Тріщук Л.І., Томашик З.Ф., Томашик В.Μ., Калитчук СМ., Корбутяк Д.В., Демчина Л.Л., Будзуляк СІ.// Патент України на корисну модель №72767. - Бюлетень №16 "Промислова власність". -27.08.2012 р. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Спосіб синтезу нанокристалів кадмію телуриду в колоїдному розчині в деіонізованій воді з -2 прекурсорів кадмію, телуру та модифікатора - тіогліколевої кислоти з концентрацією 4,6·10 -1 1,15·10 моль/л, що включає взаємодію прекурсорів в періодичному реакторі повного змішування впродовж 2-9 хв., який відрізняється тим, що додатково здійснюють трансфер отриманих у водному середовищі нанокристалів CdTe в диметилформамід шляхом прикапування ізопропілового спирту при кімнатній температурі до появи опалесценції та центрифугування впродовж 14-16 хв. для отримання флокули, яку пептизують димстилформамідом так, щоб об'єм диметилформаміду дорівнював об'єму деіонізованої води у вихідному колоїдному розчині і в подальшому змішують поміщені в диметилформамід нанокристали CdTe із 0,9-0,12 % розчином полімеру-поліаніліну непровідної форми. 3 UA 102352 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4