Ученые смогли точно настроить энергетическую структуру углеродных точек

Углеродные точки представляют собой частицы из атомов углерода размером в несколько десятков нанометров, способные поглощать, а затем излучать свет в широком диапазоне длин волн. Уникальные оптические свойства и возможность получить их буквально из любого органического соединения (а потом и различным образом модифицировать) сделали такие частицы объектом интереса ученых из самых разных областей. Так, углеродные точки можно использовать в биомедицине при создании биосенсоров, люминесцентных меток и моделировании систем таргетной доставки лекарств.

Еще они могут быть перспективны в оптоэлектронике, однако пока здесь есть некоторые ограничения. В частности, для изготовления солнечных панелей и светоизлучающих диодов на углеродных точках должны быть достаточно конкретные значения энергий высшей занятой и низшей свободной орбиталей — то есть определенный энергетический зазор, который носители заряда должны преодолеть, чтобы возникла проводимость. На данный момент не так много сведений о том, как можно точно настроить энергетическую структуру подобных нанообъектов.

Сотрудники Университета ИТМО и Санкт-Петербургского государственного университета вместе с коллегами из Городского университета Гонконга попробовали химически модифицировать углеродные точки при помощи разных органических соединений, а затем оценили, как такое воздействие повлияет на их энергетическую структуру и, соответственно, на оптические свойства. Исходные частицы авторы синтезировали из лимонной кислоты и этилендиамина в гидротермальных условиях, а затем обработали их одним из четырех веществ: лимонной кислотой, бензойной кислотой, мочевиной или о-фенилендиамином.

Химический состав образцов затем был исследован помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием. Так удалось выяснить, что все точки содержат углерод, кислород и азот. Дополнительная обработка во всех случаях привела к увеличению содержания кислорода, тогда как содержание азота уменьшилось для частиц с покрытием лимонной кислотой и о-фенилендиамином. Спектры также продемонстрировали изменение химического состава углеродных точек, а именно появление новых функциональных групп. Это привело к изменениям оптических свойств образцов.

«Так появились дополнительные оптические центры, поглощающие свет на новых для исходных объектов диапазонах длин волн. Появились центры, излучающие в синем спектральном диапазоне, а обработка о-фенилендиамином привела к образованию еще одного — зеленого — излучающего центра», — рассказывает первый автор статьи Ксения Косолапова, магистрантка МНОЦ Физики наноструктур Университета ИТМО.

Анализ энергетической структуры продемонстрировал, что органические покрытия позволили снизить энергию уровня высшей занятой орбитали вплоть до 0,9 эВ с сохранением энергетического зазора между ней и низшей незанятой орбиталями. Так, авторы отметили, что увеличение степени окисления вместе с уменьшением количества углерода и азота, а также образование карбоксильных, имидных и карбонильных групп на поверхности частиц снижает уровень энергии высшей занятой орбитали.

«Мы надеемся, что наши результаты станут основой для контроля энергетической структуры углеродных точек, а значит, помогут в расширении их приложений в оптоэлектронике. Некоторые из наших образцов по положению энергетических уровней сопоставимы с другими материалами, активно используемых в этой области. Мы обнаружили еще несколько необычных зависимостей, которые нам предстоит проверить, например, как влияет размер модифицированных частиц на их энергетическую структуру. Также будет интересно посмотреть, что получится при сочетании сразу нескольких органических покрытий», — рассказывает Елена Ушакова, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией «Светоизлучающие углеродные квантовые наноструктуры» Университета ИТМО.