1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 84, № 5, 2020

Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 628-630

Спектрально-люминесцентные свойства коллоидных квантовых точек Ag2S, пассивированных молекулами L-цистеина

И. Г. Гревцева 1, *, С. В. Асланов 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Воронежский государственный университет”
Воронеж, Россия

* E-mail: grevtseva_ig@inbox.ru

Поступила в редакцию 28.11.2019
После доработки 19.12.2019
Принята к публикации 27.01.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты исследований размерно-зависимых спектрально-люминесцентных свойств коллоидных квантовых точек (КТ) Ag2S, пассивированных молекулами L-цистеина (L-Cys). Проанализирована стабильность люминесцентных свойств КТ Ag2S/L-Cys к воздействию излучения различной мощности и длины волны.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время полупроводниковые коллоидные квантовые точки (КТ) быстро интегрируются в разнообразные области фотоники [1–3]. Ключевой проблемой, сдерживающей их активное внедрение, является изменение спектрально-люминесцентных свойств КТ при воздействии возбуждающего излучения [4–6]. Пассивация интерфейсов КТ органическими молекулами определяет люминесцентные свойства КТ, а также способствует повышению их фотостабильности [4].

В данной работе обсуждаются люминесцентные свойства ансамблей коллоидных КТ Ag2S, пассивированных молекулами L-цистеина (L-Cys) (далее Ag2S/L-Cys). Для коллоидных КТ Ag2S в различном поверхностном окружении, неоднократно продемонстрирован факт деградации спектрально-люминесцентных свойств [7–9]. Однако в литературе отсутствуют систематические данные о закономерностях влияния поверхностного окружения на спектрально-люминесцентные свойства КТ Ag2S и их фотостабильность, что значительно ограничивает круг потенциальных применений данных объектов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Коллоидные КТ Ag2S/L-Cys получали в рамках однокомпонентной методики синтеза. Данный подход заключался в смешивании водных растворов AgNO3 и L-Cys в молярных соотношениях 1 : 2 с последующим доведением уровня pH до 10. Управление размером частиц осуществляли при температуре 90°С, варьируя время выдерживания коллоидного раствора: 40, 90, 120 и 240 мин, обозначая далее соответственно этому времени КТ Ag2S/L-Cys-1, КТ Ag2S/L-Cys-2, КТ Ag2S/L-Cys-3 и КТ Ag2S/L-Cys-4.

Размер коллоидных КТ Ag2S устанавливали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) Libra 120 (Carl Zeiss, Germany). Анализ кристаллической решетки коллоидных КТ Ag2S/L-Cys выполняли методом высокоразрешенной электронной микроскопии при помощи ПЭМ JEOL JEM-2100 (Carl Zeiss, Germany).

Исследование абсорбционных свойств осуществляли с использованием спектрометра USB2000+ (Ocean Optics, USA) с источником непрерывного излучения USB-DT (Ocean Optics, USA). Регистрацию спектров люминесценции КТ Ag2S осуществляли при помощи спектрального комплекса на базе дифракционного монохроматора МДР-4 (ЛОМО, Россия) с фотоприемником в ближней ИК-области фотодиодом PDF10C/M (Thorlabs Inc., USA). Возбуждение фотолюминесценции осуществляли лазерными диодами LD PLTB450 (Osram, Germany) с длиной волны 445 нм и оптической мощностью 440 мВт и LPC-836 (Mitsubishi Electric, Япония) с длиной волны 660 нм и оптической мощностью 250 мВт.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены ПЭМ-изображения, свидетельствующие об образовании отдельных КТ Ag2S/L-Cys. Образец КТ Ag2S/L-Cys-1 представляет собой частицы средним размером около 2.5 нм и дисперсией около 15% (рис. 1б). По мере выдерживания образцов при температуре 90°С средний размер и дисперсия КТ Ag2S/L-Cys немонотонно увеличивались. Для КТ Ag2S/L-Cys-2 показано присутствие КТ преимущественно двух размеров 2.6 и 3.5 нм (рис. 1в). Дальнейшее выдерживание при температуре 90°С приводит к формированию КТ Ag2S/L-Cys преимущественно одного размера около 3.7 нм и 5.0 нм с дисперсией около 40% (КТ Ag2S/L-Cys-3 и КТ Ag2S/L-Cys-4 соответственно) (рис. 1г, 1д). Анализ ПЭМ-изображений высокого разрешения показал дифракцию от (031) атомных плоскостей моноклинной решетки Ag2S (группа симметрии P 21/c) (рис. 1е).

Рис. 1.

Методика синтеза КТ Ag2S/ L-Cys (а). ПЭМ-изображения и гистограммы распределения по размеру коллоидных КТ Ag2S/L-Cys в зависимости от времени выдерживания образцов при температуре 90°С: КТ Ag2S/L-Cys-1 – (б); КТ Ag2S/L-Cys-2 – (в); КТ Ag2S/L-Cys-3 – (г); КТ Ag2S/L-Cys-4 – (д). ПЭМ-изображение с высоким разрешением КТ Ag2S/L-Cys-(1-4) – (е).

Для полученных образцов КТ Ag2S/L-Cys установлены закономерности размерно-зависимых абсорбционных свойств, которые проявляются при размывании экситонного максимума при 650 нм в спектре оптического поглощения, а также при увеличении оптической плотности по всему спектру, что, согласно анализу ПЭМ-изображений, вызвано увеличением размеров частиц от 2.5 до 5.0 нм и их дисперсией в ансамбле от 15 до 40% (рис. 2а).

Рис. 2.

Спектры оптического поглощения (а) и фотолюминесценции КТ (б) Ag2S/L-Cys в зависимости от времени выдерживания образцов при температуре 90°С: КТ Ag2S/L-Cys-1 – 1, КТ Ag2S/L-Cys-2 – 2; КТ Ag2S/L-Cys-3 – 3; КТ Ag2S/L-Cys-4 – 4. Стабильность люминесцентных свойств КТ Ag2S/L-Cys к длительному воздействию возбуждающего излучения мощностью 10–200 мВт с длиной волны 445 и 660 нм – врезка.

Коллоидные КТ Ag2S/L-Cys обладают фотолюминесценцией, возбуждаемой из области экситонного поглощения (рис. 2б). Для КТ Ag2S/L-Cys-1 в спектре люминесценции обнаружена полоса с максимумом 750 нм (рис. 2б, 1). Выдерживание образцов при температуре 90°С способствует длинноволновому сдвигу полосы люминесценции к 775 нм и снижению ее интенсивности свечения с одновременным формированием полосы люминесценции с максимумом 930 нм (рис. 2б, 2). При дальнейшем выдерживании КТ Ag2S/L-Cys при температуре 90°С остается одна полоса люминесценции с максимумом 940 нм (рис. 2б, 3). Длительное выдерживание образцов КТ Ag2S/L-Cys при температуре 90°C (240 мин) способствует длинноволновому смещению максимума полосы люминесценции к 1100 нм (рис. 2б, 4). Полученные люминесцентные свойства КТ Ag2S/L-Cys находятся в хорошем согласии с данными ПЭМ. Для КТ Ag2S/L-Cys-1 средний размер частиц составляет 2.5 нм. При этом в спектре люминесценции наблюдается одна полоса с максимумом в области 750 нм. Образец КТ Ag2S/L-Cys-2 содержит нанокристаллы преимущественно двух размеров – 2.6 и 3.5 нм, а образец КТ Ag2S/L-Cys-3 содержит нанокристаллы только одного среднего размера 3.7 нм. Таким образом, в образце КТ Ag2S/L-Cys-2 полоса люминесценции в области 775 нм может быть отнесена к КТ размером 2.6 нм, а полоса с максимумом 930 нм к КТ размером около 3.5 нм. Полоса люминесценции КТ Ag2S/L-Cys-4 с максимумом 1100 нм также обусловлена увеличением среднего размера наночастиц в ансамбле до 5.0 нм. Отметим, что КТ Ag2S схожего размера, стабилизированные желатиной и пассивированные молекулами тиогликолевой кислоты, обладают ИК-люминесценцией в области 900–1200 нм, что указывает на высокую чувствительность люминесценции КТ Ag2S к типу пассивирующего агента и позволяет сделать заключение об интерфейсной природе центра люминесценции [8].

Также установлено, что длительное воздействие излучения различной мощности (10–200 мВт) и длины волны (445, 660 нм) на коллоидный раствор КТ Ag2S/L-Cys не оказывало заметного влияния на стабильность спектров оптического поглощения, на положение полосы фотолюминесценции и ее пиковой интенсивности (рис. 2б, врезка). Стабильность люминесцентных свойств КТ Ag2S/L-Cys к воздействию возбуждающего излучения, вероятно, обеспечивается устранением оборванных связей на интерфейсах КТ и локализацией носителей заряда в объеме КТ функциональными группами молекул L-Cys в условиях фотовозбуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств коллоидных КТ Ag2S/L-Cys. Проанализированы закономерности размерного эффекта в спектрах оптического поглощения и фотолюминесценции коллоидных КТ Ag2S/L-Cys средними размерами от 2.5 до 5.0 нм. Установлена устойчивость спектрально-люминесцентных КТ к длительному воздействию излучения различной мощности и длины волны. Обнаруженная закономерность обусловлена устранением значительной доли оборванных связей на интерфейсах КТ и локализацией носителей заряда в объеме КТ функциональными группами молекул L-Cys в условиях фотовозбуждения.

Работа поддержана РФФИ (проект № 18-32-00497-мол_а).

Список литературы

  1. Hong G., Antaris A.L., Dai H. // Nature Biomed. Engin. 2017. V. 1. P. 1.

  2. Frecker T., Bailey D., Arzeta-Ferrer X. et al. // ECS J. Sol. St. Sci. Technol. 2016. V. 5. № 1. P. R3019.

  3. Hu M.Z., Zhu T. // Nanoscale Res. Lett. 2015. V. 10. P. 469.

  4. Carrillo-Carrion C., Cardenas S., Simonet B.M. // Chem. Commun. 2009. P. 5214.

  5. Uematsu T., Maenosono S., Yamaguchi Y. // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. P. 8613.

  6. Korsunska N.E., Dybiec M., Zhukov L. et al. // Semicond. Sci. Technol. 2005. V. 20. P. 876.

  7. Rempel S.V., Kuznetsova Y.V., Rempel’ A.A. et al. // Phys. Sol. St. 2017. V. 59. № 8. P. 1629.

  8. Ovchinnikov O.V., Grevtseva I.G., Smirnov M.S. et al. // J. Lumin. 2019. V. 207. P. 626.

  9. Sun J., Yu W., Usman A. et al. // J. Phys. Chem. Lett. 2014. V. 5. P. 659.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал