Кинетика формирования ленгмюровских пленок из стабилизированных квантовых точек CdSe/CdS/ZnS

Цель исследования. Сформировать пленочную структуру из стабилизированных квантовых точек CdSe/CdS/ZnS методом Ленгмюра – Блоджетт и комплексно охарактеризовать ее с привлечением современных наноинструментальных методов.

Методы. Определение морфологии поверхностей методом атомно-силовой микроскопии; химической структуры по комбинационному (рамановскому) рассеянию света; размеров квантовых точек CdSe/CdS/ZnS, в том числе методом малоуглового рентгеновского рассеяния.

Результаты. На коллоидной системе квантовых точек CdSe/CdS/ZnS, стабилизированных триоктилфосфином и его оксидом, получено семейство изотерм сжатия ленгмюровских монослоев. Из анализа изотерм установлены рациональные параметры формирования ленгмюровской пленки и ее переноса на твердую подложку. Установлено, что управляющими параметрами формирования квантовых точек в ленгмюровскую пленку являются: температура водной субфазы, поверхностная концентрация квантовых точек. Решающая роль при осаждении пленки отводится скорости движения диппера.

С помощью атомно-силовой микроскопии в пленочной структуре выявлена ее регулярность, определен латеральный размер агрегатов стабилизированных квантовых точек (порядка 50 нм). Методом комбинационного рассеяния света обнаружены продольные оптические фононные моды, характерные для CdSe/CdS/ZnS.

Проведен теоретический расчет положения ленгмюровских барьеров, когда между ними формируется монослойная структура с гексагональной плотной упаковкой квантовых точек.

Заключение. Метод Ленгмюра – Блоджетт, позволяющий формировать квантовые точки в пленочные структуры, выступает в качестве альтернативы, например, элеонным методам, отличаясь автоматизированностью, повторяемостью и неприхотливостью к условиям внешней среды. С помощью метода атомно-силовой микроскопии удается установить рациональный режим формирования ленгмюровских пленок с последующей их комплексной характеризацией.

1. Recent developments in emerging two-dimensional materials and their applications / K. Khan, A. Khan Tareen, M. Aslam [et al.] // Journal of Materials Chemistry C. 2020. Vol. 8(2). P. 387–440. http://doi.org/10.1039/C9TC04187G.

2. Quantum engineering of transistors based on 2D materials heterostructures / G. Iannaccone, F. Bonaccorso, L. Colombo, G. Fiori // Nature nanotechnology. 2018. Vol. 13. P. 183–191. http://doi.org/10.1038/s41565-018-0082-6/

3. Electronic properties of A2B6 quantum dots incorporated into Langmuir–Blodgett films / A. I. Mikhailov, V. F. Kabanov, I. A. Gorbachev [et al.] // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2017. Vol. 81. P. 1472–1475. http://doi.org/10.3103/S1062873817120231.

4. Горбачев И. А., Штыков С. Н., Глуховской Е. Г. Получение и флуоресценция многослойных пленок Ленгмюра – Блоджетт, содержащих квантовые точки CdSe/CdS/ZnS // Известия Саратовского университета. Новая серия: Физика. 2015. Т. 15, № 1. С. 40–45.

5. Quantum dots: Next generation of smart nano-systems / M. A. Jahangir, S. J. Gilani, A. L. Muheem [et al.] // Pharmaceutical Nanotechnology. 2019. Vol. 7. P. 234–245. http://doi.org/10.2174/2211738507666190429113906.

6. Antibacterial and antibiofouling properties of light triggered fluorescent hydrophobic carbon quantum dots langmuir–blodgett thin films / N. K. Stanković, M. Bodik, P. Siffalovic [et al.] // ACS American Chemistry Engineering. 2018. Vol. 6 (3). P. 4154–4163. http://doi.org/ 10.1021/acssuschemeng.7b04566.

7. Photoluminescence of the PbS quantum dots fabricated by the Langmuir-Blodgett technique / D. V. Gulyaev, L. L. Sveshnikova, S. A. Bacanov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 864(1). Р. 012074. http://doi.org/10.1088/1742-6596/864/ 1/012074.

8. Николенко Л. М., Разумов В. Ф. Коллоидные квантовые точки в солнечных элементах // Успехи химии. 2013. № 82. С. 429–448.

9. Chloride-induced thickness control in CdSe nanoplatelets / S. Christodoulou, J. I. Climente, J. Planelles [et al.] // Nano Letters. 2018. Vol. 18(10). P. 6248–6254. http://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02361.

10. Хакен Г. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход к сложным системам / пер. с англ. Ю. А. Данилов, А. В. Берков, В. А. Белавин. М.: URSS: ЛЕНАНД, 2014. 317 с.

11. Self-organization of a sulfonamido-porphyrin in Langmuir monolayers and Langmuir – Blodgett films / D. M. Togashi, R. I. S. Romão, A. M. Gonçalves Da Silva [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. 2005. Vol. 7, Nо. 22. P. 3874–3883. http://doi.org/10.1039/b506442b.

12. Langmuir–Blodgett self organized nanocrystalline tungsten oxide thin films for electrochromic performance / V. V. Kondalkar, S. S. Mali, R. R. Kharade [et al.] // RSC Advances. 2015. Vol. 5 (34). P. 26923–26931. http://doi.org/10.1039/C5RA00208G.

13. Ролдугин В. И. Самоорганизация наночастиц на межфазных поверхностях // Успехи химии. 2004. T. 73, № 2. C. 123–156.

14. Multiple families of magic-sized znse quantum dots via noninjection one-pot and hot-injection synthesis / L.-J. Zhang, X.-C. Shen, H. Liang, J.-T. Yao // Journal of Physical Chemistry. 2010. Vol. 114 (50). P. 21921–21927. http://doi.org/10.1021/jp1044282.

15. Особенности синтеза люминесцирующих полупроводниковых наночастиц в полярных и неполярных средах / Л. Б. Матюшкин, О. А. Александрова, А. И. Максимов [и др.] // Биотехносфера. 2013. № 2(26). С. 28–33.

16. Murray C., Norris J., Bawendi M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperce CdE (E=sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites // Journal of the American Chemical Society. 1993. Vol. 115. P. 8706–8715. http://doi.org/10.1021/ja00072a025.

17. Formation and optoelectronic properties of graphene sheets with CdSe/CdS/ZnS quantum dots monolayer formed by Langmuir – Schaefer hybrid method / A. J. K. Al-Alwani, A. S. Chumakov, O. A. Shinkarenko [et al.] // Applied Surface Science. 2017. Vol. 424. P. 222–227. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.03.235.

18. Исследование многослойных структур на основе пленок Ленгмюра – Блоджетт, содержащих квантовые точки CdSe/ZnS / И. А. Горбачев, А. С. Чумаков, А. В. Ермаков [и др.] // Известия Саратовского государственного университета. Серия: Физика. 2013. Т. 13, № 2. С. 54–57.

19. Langmuir and Langmuir–Blodgett films of quantum dots / Jianmin Xu, Xiaojun Ji, Kerim Gattas Asfura [et al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2006. Vol. 284–285. P. 35–42. http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2005.11.046.

20. Alexandridis P., Olsson U., Lindman B. A record nine different phases (four cubic, two hexagonal, and one lamellar lyotropic liquid crystalline and two micellar solutions) in a ternary isothermal system of an amphiphilic block copolymer and selective solvents (water and oil) // Langmuir. 1998. Vol. 14. P. 2627–2638.

21. Акципетров О. А. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов // Соросовский образовательный журнал. 2001. № 7, вып. 7. C. 109–116.

22. Preparation and spectroscopic investigation of colloidal CdSe/CdS/Zn Score/multishell nanostructure / Hai Le Ba, Nghia Nguyen Xuan, Pham Thu Nga [et al.] // Journal of Experimental Nanoscience. 2009. Vol. 4, No. 3. P. 277–283. http://doi.org/10.1080/17458080802178619.