Введение

В настоящее время одним из приоритетов науки в целом и нанотехнологий в частности является экологичность процессов, протекающих в лабораториях и на производствах. Новые вещества и материалы должны не только удовлетворять требованиям ученых, но и оставлять как можно меньше загрязнений окружающей среды. В свете этого ведутся исследования относительно новых углеродных полупроводниковых материалов – углеродных квантовых точек.

Целью данной работы является исследование химических и физических свойств углеродных квантовых точек, а также изучение наиболее экологичных, не требующих больших материальных и трудовых затрат, а также агрессивных химических реагентов и сложного оборудования.

Свойства квантовых точек

Квантовые точки – это нанокристаллы с размером в диапазоне 2–10 нанометров, в которые движение носителей заряда квантовано во всех трех пространственных направлениях, и имеют дискретный энергетический спектр, соответствующий электронному спектру одиночного атома, хотя реальный квантовый объект при этом может состоять из 10³ - 10⁵ атомов. Ввиду этого квантовые точки проявляют квантово-размерные свойства.

Квантово-размерные эффекты играют ключевую роль в оптоэлектронных свойствах квантовых точек. Энергетический спектр квантовой точки принципиально отличается от спектра объемного полупроводника. Электрон в нанокристалле ведет себя как в трехмерной потенциальной “яме”. Имеется несколько стационарных уровней энергии для электрона и дырки (экситона) с характерным расстоянием между ними [CITATION Аль \l 1033 ].

Таким образом, энергетический спектр квантовой точки зависит от ее размера. Аналогично переходу между уровнями энергии в атоме, при переходе носителей заряда между энергетическими уровнями в квантовой точке может излучаться или поглощаться фотон. Частотами переходов, т.е. длиной волны поглощения или люминесценции, легко управлять, меняя размеры квантовой точки [CITATION Аль \l 1033 ].

Есть еще одно принципиальное свойство, отличающее коллоидные квантовые точки от традиционных полупроводниковых материалов – возможность существования в виде растворов, или точнее в виде золей. Это свойство обеспечивает широту возможностей манипулирования такими объектами и делает их привлекательными для технологий [CITATION Аль \l 1033 ].

Классификация квантовых точек

Квантовые точки принято классифицировать по форме, материалу и особенностям строения. В настоящий момент наиболее широко используются сферические квантовые точки ввиду высокой степени изученности. Кроме них существуют эллипсоидальные и КТ со сложной геометрией [CITATION Аль \m Вас \l 1049 ]. Основными требованиями, предъявляемыми к материалам полупроводника в КТ, являются прямозонный характер зонного спектра, обеспечивающий высокую люминесценцию КТ и малую эффективную массу носителей заряда, что обеспечивает проявление квантово-размерных эффектов в достаточно широком диапазоне размеров [CITATION Вас \l 1049 ]. Можно выделить несколько классов полупроводниковых материалов: широкозонные полупроводники (ZnO, TiO₂) – УФ диапазон, cреднезонные полупроводники (A₂B₆ (халькогениды кадмия), A₃B₅) – видимый диапазон, узкозонные полупроводники (A₂B₄ (халькогениды свинца) – ближний ИК диапазон. Помимо прочих, существует два вида квантовых точек с уникальным строением. К ним относятся многослойные квантовые точки и углеродные легированные квантовые точки. Многослойные квантовые точки – КТ с ядром из CdSe, покрытые оболочкой CdS, которая обеспечивает экранирование ядра от внешней среды и высокий квантовый выход [CITATION Lin \l 1049 ]. Углеродные легированные КТ – наночастицы углеродного материала, на поверхности которых могут присутствовать различные органические функциональные группы и гетероатомы (кислород, азот, сера) [CITATION Kun \m Аре \l 1049 ].

Углеродные квантовые точки

Углеродные квантовые точки – полупроводниковые материалы, размер которых, как правило, не превышает 10 нанометров, ядро которых состоит из sp² и sp³ гибридизованных атомов углерода, поверхность которых образована различными органическими функциональными группами: аминными, эпоксидными, карбонильными, альдегидными и гидроксильными. Наличие определенной функциональной группы зависит от метода синтеза и приводит к изменению люминесцентных свойств[ CITATION Kun \l 1033 \m ЕАК].

Свойства углеродных квантовых точек

Углеродные квантовые точки обычно представляют из себя сферические или почти сферические наночастицы, содержащие аморфное или кристаллическое углеродное ядро. На поверхности углеродных КТ (особенно окисленных) может содержаться большое количество кислородсодержащих функциональных групп: в зависимости от вида синтеза содержание кислорода в окисленных углеродных квантовых точках составляет от 5 до 50% массы [CITATION ЕАК \l 1049 ].

ИК спектры окисленных углеродных квантовых точек обычно содержат полосы поглощения гидроксильных, карбонильных и эфирных (включая эпоксидные) групп. Именно наличие поверхностных гидрофильных групп придает УКТ отличную растворимость (диспергируемость) в воде и открывает путь к их функционализации и поверхностной пассивации путем взаимодействия с различными органическими и неорганическими (включая полимерные и биологические) материалами. Кроме того, УКТ могут быть диспергированы в органических растворителях, поэтому они легко встраиваются в полимерные композиты, такие как волокна и тонкие пленки [CITATION ЕАК \l 1049 ].

Достоинства углеродных квантовых точек:

Одна из главных проблем использования многослойных КТ, при их высоком квантовом выходе – высокая токсичность. Кадмий, являющийся одним из основных компонентов таких КТ, имеет крайне низкий показатель биосовместимости, что делает невозможным использование многослойных квантовых точек в человеческом организме[ CITATION Xia \l 1049 \m Тка]. Углерод, напротив, является полностью безвредным для организма человека веществом, что дает УКТ возможность применения в медицине [ CITATION Jel \l 1049 ]. Помимо этого, у УКТ есть ряд других ценных свойств, таких как: низкий уровень трудовых и материальных затрат, растворимость в воде, высокая чувствительность и селективность к целевым аналитам, высокая фотостабильность, широко варьируемый диапазон люминесценции [ CITATION ЕАК \l 2057 \m Бог].

Проблемы углеродных квантовых точек:cложные процедуры разделения получаемых квантовых точек, сложность очистки и функционализации, низкие квантовые выходы в ряде случаев, неоднозначность в геометрии, составе и структуре[ CITATION Бог \l 2057 ].

Решение данных проблем позволит в значительной степени превзойти многослойные КТ в таких областях, как биоимиджинг, биосенсоры и наномедицина.

Методы синтеза углеродных квантовых точек

Методы получения УКТ можно условно разделить на две группы:

Физические: разрушение более крупных углеродных структур (графит, углеродные нанотрубки, сажа и др.) в ходе лазерной абляции, электрохимического окисления, либо под действием дугового разряда.

Химические: синтез углеродных квантовых точек из низко- (сахара, этанол) и высокомолекулярных веществ или сложных природных смесей путем сжигания, термической или микроволновой обработки. Ряд методов химической обработки исходных материалов подразумевает использование агрессивных сред, что снижает экологичность процесса [ CITATION ЕАК \l 1049 ]. Напротив, термические методы синтеза углеродных квантовых точек из молекулярных прекурсоров отличаются меньшими затратами энергии и большей экологичностью. На практике, среди термических методов, наиболее распространены гидротермальный метод и метод частичного пиролиза. Оба метода предполагают использование различных низкомолекулярных прекурсоров, таких как лимонная кислота, аскорбиновая кислота, мочевина, тиомочевина или их различных комбинаций. Главным отличием гидротермального метода от частичного пиролиза является использование водных растворов прекурсоров, тогда как в методе частичного пиролиза используется тщательно перетертая сухая смесь исходных веществ. Источником тепла в обеих методах служит муфельная или микроволновая печь. Синтезы проводят при различных температурах, варьируя состав и мольные отношения прекурсоров и продолжительность синтеза. В частности, огромную популярность приобрели методы синтеза углеродных квантовых точек путем гидротермальной обработки различных прекурсоров. Это связано с тем, что температура гидротермальной обработки (до 300°C) много ниже, чем традиционно используемая, что снижает затраты энергии на процесс[CITATION ЕАК \l 1049 ].

Методы исследования УКТ

Наиболее распространенными методами исследования УКТ, позволяющими достаточно полно охарактеризовать их физико-химические свойства являются: электронная микроскопия, не являясь разрушающим методом, позволяет оперативно проводить количественный морфологический анализ и измерение линейных размеров микрорельефа поверхности квантовых точек, ИК-спектроскопия - этот метод анализа основан на записи инфракрасных спектров поглощения вещества. Поглощение веществом в области инфракрасного излучения происходят за счёт колебаний атомов в молекулах. Переходы между различными колебательными состояниями в молекулах квантованы, благодаря чему поглощение в ИК-области имеет форму спектра, где каждому колебанию соответствует своя длина волны. Длина волны для каждого колебания зависит от того какие атомы в нём участвуют. То есть для каждой функциональной группы (С=О, О-Н, СН₂ и пр) характерны колебания определённой длины волны. Данный метод позволяет определять спектр люминесценции КТ [ CITATION ЕАК \l 1049 \m Бог]. Рентгеновский структурный анализ – это метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Данный метод позволяет определить структуру и качественный состав УКТ [ CITATION Бог \l 1049 \m Cав].

Список литературы