Новые светодиоды сделали из углеродных точек

Наночастицы, которые называют углеродными точками, нетоксичны, биосовместимы и легко изготавливаются из таких доступных компонентов, как лимонная кислота и хлорофилл. Российские ученые предложили использовать углеродные точки в производстве ярких светодиодов. Чтобы улучшить их оптические свойства, нанотехнологи Университета ИТМО обработали углеродные точки полиэтиленгликолем, а затем шесть часов «варили» в герметичном автоклаве.

В перспективе эта технология будет использоваться в медицинской биовизуализации, а также при изготовлении светодиодов и дисплеев, сообщила пресс-служба вуза.

Новый метод значительно повысил яркость фотолюминесценции наночастиц при тех же затратах энергии и позволил создать на их основе стабильные светодиоды с яркостью, как у более сложных в изготовлении аналогов. 

Углеродные точки — перспективный материал для создания светодиодов и дисплеев. Это нетоксичные, биосовместимые и простые в изготовлении наночастицы, которые получают из дешевых и доступных компонентов, в том числе из лимонной кислоты и хлорофилла. В отличие от перовскитов, которые также могут быть использованы для  создания светодиодов, углеродные точки обладают высокой стабильностью и могут «выживать» в различных растворителях, в том числе в воде. Также их поверхность можно функционализировать, то есть присоединять к ней различные группы и полимеры — это позволяет частицам проще встраиваться в структуру других материалов, что делает их удачной основой для композитов, например, для светоизлучающих слоев в светодиодах.

Но использовать углеродные точки в массовом производстве пока не получается — прежде всего, из-за малого квантового выхода фотолюминесценции. Этот показатель отвечает за яркость наночастиц. В перовскитах и квантовых точках показатель может доходить почти до ста процентов, у водных углеродных точек он чаще всего ниже 60–70%, а в амфифильных, то есть способных растворяться и в полярных, и в неполярных растворителях, обычно не превышает 15–20%. Этого не хватает, чтобы использовать наночастицы в ярких светодиодах.

Ученые ИТМО нашли способ улучшить оптические свойства углеродных точек за счет обработки полиэтиленгликолем — это дешевый и доступный полимер. Его молекулы выступают в качестве дополнительного источника углерода, который закрывает дефекты в наночастицах и повышает квантовый выход. При этом структура, цвет, форма спектра и другие свойства частиц не изменяются. Чтобы «приготовить» наночастицы для светодиодов, обработанные полиэтиленгликолем точки «варили» в герметичном автоклаве в духовке на протяжении шести часов. Такой способ, называемый гидротермальным, чаще всего используется для изготовления углеродных точек.

Исследователи проверили два вида точек: гидрофильные, которые хорошо растворяются в полярных растворителях (например, в воде), и амфифильные, которые растворяются в любых растворителях. Сильнее всего после обработки улучшились оптические свойства гидрофильных углеродных точек: максимальный квантовый выход составил около 75–80%, в то время как у необработанных он равен 30%.

Квантовый выход амфифильных точек, которые могут использоваться при создании светодиодов, возрос с 20% до 25–30%. Максимальная яркость светодиодов из обработанных углеродных амфифильных точек достигла 2500 кандел на квадратный метр (из необработанных — 2000 кандел) — это примерно соответствует яркости существующих светодиодов на основе органических красителей и перовскитов.

Кроме того, полученные на основе обработанных углеродных точек светодиоды оказались устойчивыми: они смогли пережить без дополнительного охлаждения более 50 циклов включения-выключения, непрерывную работу в течение 30 минут и не деградировали — это считается достаточно хорошим результатом.

«В будущем мы планируем еще больше повысить квантовый выход точек: возможно, мы сможем изменить структуру светодиода для лучшей передачи заряда, а также модифицировать синтез углеродных точек. Также мы работаем с другими, заряженными полярными полимерами для обработки наночастиц. Если обрабатывать углеродные точки такими полимерами, то можно управлять способностью точек создавать пленки на различных поверхностях. Мы хотим посмотреть, как будут вести себя материалы при этом — это может пригодиться как в медицинской биовизуализации, так и при изготовлении устройств — например, светодиодов и дисплеев», — рассказал инженер Международного научно-образовательного центра «Физики и наноструктур» ИТМО Михаил Мирущенко.

Результаты работы опубликованы в журнале Small Structures.