Библиографическое описание:

Мараева Е. В., Матюшкин Л. Б. Получение и исследование нанодисперсных и наноструктурированных халькогенидов свинца // Молодой ученый. — 2012. — №7. — С. 33-36.

В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» вопросами получения, исследования и применения халькогенидов свинца занимаются более пятидесяти лет [1]. В первые годы основным объектом исследований являлось выращивание монокристаллов и эпитаксиальных слоев, получаемых методами жидкофазной эпитаксии [2] и методом горячей стенки [3, 4]. Большое внимание уделялось получению приборов ИК-оптоэлектроники на гетероструктурах [5] и варизонных структурах [6].

Первые эксперименты по получению наночастиц халькогенидов свинца относятся к середине 80-х годов и являются развитием, так называемого иодидного метода [7-12]. Сущность метода заключалась в формировании наночастиц PbTe (SnTe) в расплаве PbJ2 (SnJ2). При этом синтез проводили из чистых компонентов Pb:J:Te (Sn:J:Te) в соотношении конечных продуктов PbJ2:PbTe = 2:1. Достоинством такого метода является возможность получения наночастиц халькогенидов свинца и олова при температурах на 450°C ниже температуры плавления. Недостатком метода являются длительные процессы отгонки иодидов либо в динамическом вакууме, либо в среде инертного газа. Окончательная стадия полученного материала использовалась, как правило, для получения кристаллических буль методом движущегося нагревателя (теллура) при температуре порядка 500°C. Из некристаллических применений можно отметить создание газовых сенсоров, способных регистрировать малополярные молекулы (толуол) [13]. При этом полученный материал подвергался длительному отжигу до образования диоксида олова, а морфология поверхности была чрезвычайно развитой и при приложении потенциала адсорбционные центры в остроконечных точках взаимодействовали с поляризованными молекулами толуола.

Большая серия работ по созданию поликристаллических излучателей и фотоприемников на основе селенида свинца проводилась с использованием наработок по взаимодействию йода с полупроводниками A4B6 [14-17]. При этом были получены приборы ИК техники, работающие при комнатной температуре и использованные в разработках ОАО РНИИ «Электронстандарт» для сенсоров на основе оптопары.

В работах [18, 19] проанализирована роль кислорода и йода в формировании наноструктурированных слоев твердых растворов Pb1 xCdxSe (х=0-0.20), обладающих при комнатной температуре интенсивной фотолюминесценцией в области 2-5 мкм. Йод образует легкоплавкие соединения со свинцом и кадмием и эвтектические смеси с халькогенидами указанных элементов. В результате этого в процессе отжига с участием жидких фаз, при наличии слабого градиента температуры, происходит быстрая перекристаллизация слоя с образованием структуры из наноразмерных кристаллитов твердого раствора Pb1 xCdxSe округлой формы. Каждое зерно является источником ИК-излучения.

Жидкие фазы препятствуют образованию сплошного поверхностного слоя из твердых оксидных фаз и тем самым облегчают диффузию кислорода в объем зерна. Поэтому при высоком уровне легирования зерен кислородом основным каналом излучательной рекомбинации становится переход “зона – примесь (кислород)”. Интенсивность фотолюминесценции увеличивается в 3-4 раза, по сравнению со слоями, активированными без йода [19].

В работе [20] особое внимание уделяется методу рентгеновского дифракционного анализа как способу контроля структурных и фазовых изменений получаемых фотолюминесцентных слоёв. Для исследования в работе были выбраны слои пересыщенных твердых растворов селенида свинца – селенида кадмия, слабо легированные йодом. Для оценки состава твердого раствора была написана специальная программа в среде LabVIEW 8.5. Программа предназначена для определения состава твёрдых растворов селенида свинца – селенида кадмия путем математического моделирования формы и положения рентгеновских дифракционных линий для известных условий съемки (длины волны рентгеновского излучения) и заданного набора составов твердого раствора. В процессе расчетов производится суммирование линий для всех составов в задаваемом диапазоне, каждая из которых моделируется функцией Лоренца с учетом факторов, влияющих на положение, ширину и интенсивность рентгеновской дифракционной линии. Программный продукт имеет официальное свидетельство о государственной регистрации № 2010615473.

Также интересны реализации ИК-приборов на основе халькогенидов, полученные методами растворной химии [21]. При получении и росте наночастиц методами коллоидной химии их стабилизация и управляемое окисление близки по логике методам получения коллоидных квантовых точек.

В настоящее время представляется важным направление, связанное с получением квантовых точек (КТ) на основе халькогенидов свинца. Это связано с тем, что с уменьшением размеров энергетический зазор возрастает, и КТ на основе узкозонных полупроводников позволяют плавно изменять энергетические характеристики путем изменения размеров нанокристаллов [22-24].

Из наиболее важных практических применений нужно отметить использование системы КТ в элементах солнечной энергетики, в том числе полимерной солнечной энергетики [25]. Введение КТ обеспечивает эффективное управление спектральными характеристиками. Другой особенностью является то, что у сульфида свинца с уменьшением размеров квантовых точек до 3-4 нм длина волны излучения уменьшается до 980 нм. Таким образом, на основе КТ сульфида свинца могут быть созданы эффективные маркеры для медицинских целей, так как в этой области длин волн находится полоса пропускания биотканей [26]. Технологической сложностью получения КТ является управление однородным ростом в коллоидном растворе с этапом стабилизации органическими лигандами в нужный момент времени. Так как стабилизация проводится поверхностно-активными веществами, оболочка КТ гидрофобна, и для последующих применений в биологических средах необходимо сменить характер оболочки на гидрофильный, что удается за счет замены органических веществ исходных растворов на смесь тиолов [27].


Рис. 1. Спектры фотолюминесценции образцов КТ

В настоящее время нами проводятся исследования не только наших коллоидных квантовых точек, но и КТ, созданных в университете Торонто (Канада). Интересным фактом является высокая стабильность квантовых точек, обеспеченная поверхностными группами, которые также препятствуют агрегации частиц в более крупные ансамбли. Положение максимумов люминесценции (Рис. 1) определяется размерами нанокристаллов. Пленки дисперсных систем КТ в тетрагидрофуране обладают хорошей адгезией к стеклянным и кварцевым подложкам.

Несомненным преимуществом коллоидных квантовых точек по сравнению с КТ, получаемыми молекулярно-пучковой эпитаксией, является независимость от параметров подложки. Соответственно встает вопрос закрепления коллоидных КТ для применения их в конечных приборах. Наиболее простой технологией интеграции КТ в электронику служит смешивание с различными проводящими полимерами [28-30]. Такой подход обусловлен применением инфракрасных КТ в полимерной электронике и доступностью технологии.

Такое решение не допускает полной интеграции с технологиями твердотельной электроники. Поэтому нами в настоящее время проводится разработка объемных полупроводниковых матриц для фиксации частиц внутри пор нанометрового диапазона. В качестве подобных матриц используются материалы, изготовленные в нашей лаборатории: пористый диоксид олова [31-33] и пористый кремний [34]. Одновременно с изучением свойств коллоидных КТ разрабатывается собственная оригинальная технология получения КТ на основе PbS.


Литература:

  1. Александрова О.А., Максимов А.И., Мошников В.А., Чеснокова Д.Б. Халькогениды и оксиды элементов IV группы. Получение, исследование, применение / под ред. В.А. Мошникова. СПб.: ООО «Технолит» / Изд-во «Технолит»,240 с.

  2. Аlexandrova O.A., Kamchatka M.I., Miropolsky M.S., Passynkov V.V Diffusion of Native Defects in PbSnTe during Liquid Phase Epitaxy. Phys. Stat. Sol.(a), 1986, N94, p.139-143.

  3. Александрова О.А., Бондоков Р.Ц., Саунин И.В., Таиров Ю.М.. Подвижность носителей заряда в двухслойных структурах PbTe/PbS. ФТП, 1998, т.39, N9, c.1064-1068

  4. Александрова О.А., Ахмеджанов А.Т., Бондоков Р.Ц., Мошников В.А., Саунин И.В., Таиров Ю.М., Штанов В.И., Яшина Л.В. Исследование барьерных структур In/PbTe с промежуточным тонким диэлектрическим слоем // Физика и техника полупроводников, 2000, т 34, c.1420-1425.

  5. Александрова О.А., Камчатка М.И., Миропольский М.С. Исследование толщины эпитаксиальных слоев PbSnTe, выращенных из жидкой фазы. Изв.АН СССР. Сер. Неорг. материалы, 1986, т.22, в.5, с.741-743.

  6. Александрова О.А., Камчатка М.И., Миропольский М.С. Исследование варизонных структур на основе PbSnTe. ФТП, 1985, т.19, в.5, с.825-829.

  7. Assenov R., Moshnikov V.A., Yaskov D.A. On the behavior of iodine in PbTe and SnTe. Phys. Stat. Sol.(a), 1985, V88, N1, p.27-30.

  8. Assenov R., Moshnikov V.A., Saunin I.V., et al. X-Ray study of the reaction products in tin telluride synthesized by a low-temperature iodide method. Crystal research and technology, 1986, V 21, N12, p.1549-1552.

  9. Assenov R., Moshnikov V.A., Yaskov D.A. Micro nonhomogeneity studies in tin telluride synthesized by a low-temperature iodide method. Crystal research and technology, 1986, V 21, N12, p.1553-1558.

  10. Assenov R., Izmailov N.V., Moshnikov V.A., et al. Investigation of the acoustic attenuation in lead and tellurides obtained by the iodide method. Crystal research and technology, 1987, V 22, N9, p.1189-1192.

  11. Assenov R., Moshnikov V.A., Patarov B, et al. Method of X-ray spectral microanalyses of PbTe and SnTe obtained by the iodide method. . Crystal research and technology, 1987, V 22, N10, p.1289-1296.

  12. Assenov R., Moshnikov V.A., Yaskov D.A, et al. Diffusion of Iodine in lead-telluride. Crystal research and technology, 1987, V 22, N9, p.1159-1163.

  13. Андреев Ю.Н. , Бестаев М.В. , Димитров Д.Ц. , Мошников В.А., Таиров Ю.М., Ярославцев Н.П. Методика исследований субмикровыделений в поликристаллических материалах методом внутреннего трения. ФТП, 1997, том 31 № 7, с 841 – 843.

  14. Голубченко Н.В., Мошников В.А., Чеснокова Д.Б. Исследование микроструктуры и фазового состава поликристаллических слоев селенида свинца в процессе термического окисления // Физика и химия стекла, 2006, Т. 32, № 3, c. 464-478.

  15. Голубченко Н.В., Мошников В.А., Чеснокова Д.Б. Влияние примесей на кинетику и механизм термического окисления поликристаллических слоев PbSe // Неорганические материалы, 2006, Т. 42, № 9, с. 1040-1049.

  16. Гамарц А.Е., Лебедев В.М., Мошников В.А., Чеснокова Д.Б. Определение профиля диффузии кислорода в поликристаллических слоях селенида свинца методами ядерного микроанализа // Физика и техника полупроводников, 2004, Т. 38, № 10, с. 1195.

  17. Гамарц А.Е., Мошников В.А., Чеснокова Д.Б. Фотолюминесценция в поликристаллических слоях Pb1 XCdXSe, активированных в присутствии паров йода // Физика и техника полупроводников, 2006, Т. 40, № 6, с. 683-685.

  18. Chesnokova D.B., Moshnikov V.A., Gamarts A.E., Maraeva E.V., Aleksandrova O.A., Kuznetsov V.V. Structural characteristics and photoluminescence of nanostructured Pb1 XCdXSe (х = 0 - 0.20) layers // Journal of Non-crystalline Solids, 2010, V. 356, p 2010-2014.

  19. Мошников В.А., Гамарц А.Е., Чеснокова Д.Б., Мараева Е.В.. Получение и свойства наноструктурированных слоев на основе твердых растворов Pb1 xCdxSe (x = 0–0.20) // Неорганические материалы, 2011, Том 47, №1, с.18-22.

  20. Мараева Е.В., Чеснокова Д.Б., Мошников В.А., Гамарц А.Е.. Исследование состава слоев на основе твердых растворов селенида свинца – селенида кадмия методом моделирования рентгеновских дифракционных линий // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», 2011, № 3, с. 14-19.

  21. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н. Особенности формирования пленок сульфидов металлов из водных растворов. Бутлеровские сообщения, 2011, т.24, №2, С..42-50.

  22. Васильев Р.Б., Дирин Д.Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. – М.: ФНМ, 2007.

  23. Лукашин А.В., Елисеев А.А. Синтез полупроводниковых наночастиц сульфида свинца и сульфида кадмия. – М.: МГУ, 2011.

  24. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. / Под ред. Ю. Д. Третьякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.

  25. Мусихин С.Ф., Ильин В.И. Гибридные полимер-полупроводниковые наноструктуры, технология, приборы // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2007, 4-1, с. 105-112.

  26. Мусихин С.Ф., Ильин В.И. Методы нанотехнологии в биологии и медицине // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2008, 3, с. 183-190.

  27. Bakueva L., Gorelikov I., Musikhin S., Zhao X. S., Sargent E. H., Kumacheva E. PbS Quantum Dots with Stable Efficient Luminescence in the Near-IR Spectral Range // Advanced Materials, 2004, 16, No. 11, pp. 926-929.

  28. Bakueva L., Musikhin S., Hines M. A., Chang T.-W.F., Tzolov M., Scholes G.D., Sargent E.H. Size-tunable infrared 1000–1600 nm. electroluminescence from PbS quantum-dot nanocrystals in a semiconducting polymer. // Applied physics letters, 2003, Vol. 82 (17), pp. 2895-2897.

  29. Bakueva L., Konstantatos G., Levina L., Musikhin S., Sargent E.H. Luminescence from processible quantum dot-polymer light emitters 1100–1600 nm: Tailoring spectral width and shape. // Applied physics letters, 2004, Vol. 84 (18), pp. 3459-3461.

  30. Sargent E. H. Infrared Quantum Dots // Advanced Materials, 2005, 17, 5, pp.515-522.

  31. Moshnikov V.A., Gracheva I.E., Kuznezov V.V., Maximov A.I., Karpova S.S., Ponomareva A.A. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors. // Journal of Non-Crystalline Solids, 2010, Т. 356, № 37-40, p. 2020-2025.

  32. Мошников В.А., Грачева И.Е., Аньчков М.Г. Исследование наноматериалов с иерархической структурой, полученных золь-гель методом // Физика и химия стекла, 2011, т. 37, № 5, с. 672-684.

  33. Левицкий В.С., Максимов А.И., Землякова С.Ю. Исследование каталитических материалов, полученных методом золь-гель технологии, в системе Si-Co-O // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», 2011, № 9, с. 24-31.

  34. Травкин П.Г., Воронцова Н.В., Высоцкий С.А., Леньшин А.С., Спивак Ю.М., Мошников В.А. Исследование закономерностей формирования структуры пористого кремния при многостадийных режимах электрохимического травления // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», 2011, № 4, с. 3-9.

Основные термины: Мошников В.А, Мошников В.А, селенида свинца, селенида свинца, Crystal research and, research and technology, Crystal research and, research and technology, халькогенидов свинца, растворов селенида свинца, квантовых точек, халькогенидов свинца, растворов селенида свинца, квантовых точек, Чеснокова Д.Б, коллоидных квантовых точек, Чеснокова Д.Б, наночастиц халькогенидов свинца, сульфида свинца, коллоидных квантовых точек

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle