В Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработан новый химический процесс, интегрирующий нанокристаллы халькогенида свинца в продолженные неорганические матрицы халькогенидных стёкол. Неорганическое кэппирование (покрытие защитной стабилизирующей оболочкой), использованное вместо традиционного кэппирования органическими лигандами, позволило осуществить простую низкотемпературную инкапсуляцию этих нанокристаллов в нанесённые из растворов ИК-прозрачные аморфные халькогенидные матрицы As₂S₃. Полученная таким образом полностью неорганическая плёнка демонстрирует стабильную инфракрасную люминесценцию в технологически важном ближнем ИК-диапазоне.

Традиционные методы синтеза нанокристаллов включают их кэппирование с помощью органических молекул-лигандов с длинными углеродными цепями, необходимых для контроля над размером синтезируемых частиц, морфологии и, наконец, стабильности. Но молекулярные колебания этих лигандов буквально высасывают из частицы накачанную энергию возбуждения, резко уменьшая эффективность ИК-эмиссии.

Рис. 1. Синтез полностью неорганических излучающих в ближнем ИК-спектре нанокристаллов PbS/CdS и их интеграция в ИК-прозрачную халькогенидную As₂S₃-матрицу (иллюстрация Argonne National Laboratory).

Команда учёных из Аргоннской лаборатории представила совершенно уникальный подход к решению проблемы:

она разработала раствор-фазовый метод приготовления нанокристаллов со структурой «ядро — оболочка», в которых традиционные органические группы замещены на неорганические As₂S₃-лиганды. Эти полностью неорганические частицы были затем нагреты (до 130 ˚C) для конвертации ионных лигандов в ИК-прозрачную As₂S₃-матрицу.

Низкотемпературная интеграция нанокристаллов в прозрачные неорганические матрицы — один из важнейших шагов, необходимых для обеспечения возможности их дальнейшего использования в оптических и оптоэлектронных устройствах. Согласно последним данным, диэлектрический скриннинг заряда является основной причиной низких скоростей излучательных электронных переходов в традиционных нанокристаллах халькогенида свинца. Эффективная интеграция значительно снижает диэлектрический контраст и обеспечивает высокоскоростные излучательные переходы в материале. Это особенно полезно для нанокристаллов, излучающих в ИК-спектре, в котором лишь несколько материалов-хостов способны обеспечить хорошую оптическую прозрачность.

Результаты исследования представлены в Journal of the American Chemical Society.