Ученые с помощью лазера изменили размер и химический состав наночастиц

Технологию управления оптическими свойствами дисульфида молибдена, которая с помощью лазера контролирует размер его наночастиц и процесс изменения химического состава, разработали ученые из МФТИ, Владимирского государственного университета и МИФИ, 19 апреля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу МФТИ.

С помощью новой технологии можно получать наночастицы для использования в электронике, нанооптике, нанофотонике и медицине. Результаты исследования технологии авторы представили в статье «Настраиваемые оптические свойства наночастиц дихалькогенида переходного металла, синтезированных методом фемтосекундной лазерной абляции и фрагментации», опубликованной в Journal of Materials Chemistry C.

Дихалькогениды переходных металлов, к классу которых относится дисульфид молибдена, представляют собой двумерные полупроводниковые кристаллы со слоистой структурой. Их отличают высокие показатели преломления, огромная анизотропия и наличие прямой запрещенной зоны в их монослоях.

Такие уникальные оптические свойства позволяют использовать их в электронике и нанооптике для изготовления транзисторов, биосенсоров, фотодетекторов и поляризаторов.

Для таких целей наиболее интересны наноразмерные структуры дихалькогенидов, которые в основном производятся методом нанолитографии, представляющим собой сложный и трудоемкий процесс.

Ранее специалисты Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ показали, что обработкой лазером можно получать сферические наночастицы дихалькогенидов требуемого размера, хорошо поглощающие свет и имеющие высокий фототермический отклик (быстрый нагрев светом лазера).

Следующим этапом, результаты которого представлены в статье, для физиков Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и их коллег стало усовершенствование метода с целью получить возможность управлять не только размером частиц, но и их химическим составом.

Ученые экспериментально подбирали время воздействия лазера, изменяли состав растворителя, в котором плавали частицы, и измеряли спектры поглощения ими света, сравнивая их с результатами компьютерного моделирования.

Длительное воздействие достаточно мощного лазера на поверхность вещества приводит к абляции — микровзрывам, при которых частицы вещества выталкиваются с поверхности. Правильный подбор параметров лазера — его мощности и длительности излучения — позволяет управлять размером образующихся наночастиц.

В начале эксперимента ученые облучали лазером объемный кристалл дисульфида молибдена, который был помещен в кювету с деионизированной водой. В этом случае размер образованных наночастиц составлял от 30 до 340 нанометров.

Далее эти наночастицы подвергались фрагментации, для чего раствор с ними перемешивали с помощью магнитной мешалки и облучали лазером, что в результате приводило к созданию сферических наночастиц. При продолжении процесса фрагментации (от 10 до 40 минут) частицы становились меньше.

Более маленькие наночастицы свет поглощали хуже, что согласовывалось с теорией рассеяния света Ми.

На следующем этапе эксперимента все операции с частицами проделывались не в воде, а в растворе этанола, что привело к созданию частиц с четкой структурой: оболочка — ядро. В ядре находились фрагменты слоев, а оболочка представляла собой сплошные два-три слоя дисульфида молибдена.

Продолжение фрагментации приводило к исчезновению оболочки. Одновременно происходило изменение химического состава наночастиц, которое исследователи наблюдали с помощью рамановской спектроскопии.

Дефрагментация длительностью более 60 минут приводила к появлению пиков, соответствующих оксиду молибдена MoO₃, облучение в течение 20–60 минут — к промежуточной фазе между дисульфидом молибдена и оксидом молибдена.

Комбинируя энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию с просвечивающей электронной микроскопией, исследователи получили практически диафильм, демонстрирующий процесс замещения серы атомами кислорода. Ученые считают, что такая реакция происходила вследствие разложения молекул этанола, приводившего к повышению количества свободного кислорода в растворе.

Старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ Алексей Прохоров пояснил:

«Исходный материал при взаимодействии с лазерным излучением и спиртовой средой превращался в наночастицы субоксида молибдена MoO₃ контролируемых размеров, проявляющих яркие экситонные свойства, которые мы впервые описали. Благодаря хорошему оборудованию нам удалось получить „мультфильм“, в котором видно, как происходит замещение серы атомами кислорода и дисульфид превращается в субоксид. Это значит, что мы знаем, в какой момент остановить реакцию, чтобы получить субоксид с заданной концентрацией тех или иных атомов, а следовательно, — нужными оптическими свойствами».

Кроме того, эксперимент продемонстрировал рекордный фототермический отклик промежуточной фазы оксида молибдена, происходящий из-за возбуждения экситонного резонанса. Такое свойство делает эту фазу перспективной для применения в тераностике в качестве потенциальных молекул-мишеней, уничтожающих нагревом раковые клетки.

«Следующий логический шаг — практическое применение наночастиц. В первой работе был показан сам метод получения наночастиц дисульфида молибдена, в этой — возможность их лазерной трансформации. Потенциально их можно использовать в медицине: в тераностике, а также в нанофотонике, — для создания нанолазеров с накачкой Ми-модами, по сути, нового типа Ми-нанолазеров», — поделился планами Алексей Прохоров.

Ученые далее намерены работать над уменьшением дисперсности размеров частиц в растворе и разрабатывать методику управления соотношением размеров ядро/оболочка.