Физики МФТИ научились управлять свечением углеродных точек с помощью нанопроволок

Углеродные точки — это наночастицы размером менее 10 нанометров, которые светятся при облучении ультрафиолетом. Они безопаснее классических квантовых точек, поскольку не содержат тяжелых металлов, устойчивы к выгоранию и могут быть получены масштабируемыми химическими методами. Однако при высыхании и переносе на твердую поверхность они агрегируют, что гасит люминесценцию.

Чтобы преодолеть этот недостаток, исследователи предложили сделать подложку активным участником процесса. В роли подложки выступили массивы нанопроволок из нитрида галлия (GaN), фосфида галлия (GaP) и кремния, выращенные на кремниевых подложках. Нанопроволоки — это вытянутые кристаллические столбики нанометрового диаметра и длиной в несколько микрометров. Они могут направлять, удерживать или поглощать свет в зависимости от своих параметров.

Как нанопроволоки меняют цвет свечения

Углеродные точки синтезировали гидротермальным методом из лимонной кислоты и этилендиамина. В водном растворе они ярко светились синим при возбуждении ближним ультрафиолетом, а при переходе к более длинноволновому возбуждению их излучение смещалось к зеленой, а затем к оранжевой области. Затем раствор наносили на нанопроволоки методом капельного осаждения.

На нитриде галлия синее свечение точек почти пропадало при ультрафиолетовом возбуждении, так как GaN сам поглощает этот свет и излучает в желтой области (около 580 нм). При более длинноволновом возбуждении свечение точек смещалось от зеленовато-желтого к оранжевому. На фосфиде галлия при коротковолновом возбуждении точки почти не светились, зато при длинноволновом давали сильный сигнал в красно-оранжевой области. Кремниевые нанопроволоки дали самый слабый отклик, поскольку кремний активно поглощает видимый свет, но в красной области удалось зарегистрировать слабую люминесценцию точек.

Практическое значение и планы

Как пояснил старший научный сотрудник лаборатории функциональных материалов МФТИ Валерий Кондратьев, нанопроволока не просто удерживает светящийся слой, а фактически выбирает, какие длины волн будут эффективно возбуждать люминесценцию. Это превращает подложку в инструмент настройки спектра. Директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков добавил, что главный результат работы — демонстрация инженерного принципа, при котором материал нанопроволоки определяет спектр выходного свечения.

Практические применения лежат в области интегральной фотоники, сенсорики и активных оптических покрытий. Гибридные структуры на основе нанопроволок позволяют создавать компактные источники и фильтры света, совместимые с кремниевой технологией. В дальнейших исследованиях ученые планируют оптимизировать плотность покрытия, уменьшить капиллярное слипание нанопроволок при высыхании, а также проверить, как геометрия массива влияет на направленность излучения. Работа поддержана Российским научным фондом (грант №25-72-00140).