Наноструктурированные гибридные материалы на основе углеродных точек и плазмонных наночастиц для высокоэффективных эмиттеров оптического излучения

  • Руководитель: Федоров Анатолий Валентинович

Проект №18-29-19122 мк Российского фонда фундаментальных исследований.

Руководитель проекта: проф. А.В. Федоров

 

Проект направлен на развитие физико-химических принципов управления оптическими свойствами наноструктурированных гибридных материалов на основе люминесцирующих углеродных точек (С-точки) и плазмонных металлических наночастиц (ПМНЧ) и разработку прототипов таких материалов для высокоэффективных эмиттеров оптического излучения, актуальных для развития «зеленой» фотоники. Для решения поставленной задачи будут проведены междисциплинарные исследования в области химии и материаловедения, физики нано- и микроструктур, оптической спектроскопии, а также инженерных наук. Нами будут разработаны методики синтеза новых наноструктурированных гибридных материалов с заданными параметрами, выполнены приоритетные экспериментальные и теоретические исследования энергетического спектра системы С-точка/ПМНЧ, процессов переноса энергии, механизмов фотолюминесценции и эффектов плазмонного усиления оптических откликов в таких системах. В результате будут построены адекватные модели этих процессов и эффектов, разработаны принципы управления оптическими откликами гибридных материалов путем варьирования их химических, морфологических и структурных параметров, и созданы прототипы новых высокоэффективных материалов для эмиттеров оптического излучения, востребованных в устройствах «зеленой» фотоники.

 

Задачи проекта из области химии и материаловедения, физики нано- и микроструктур, оптической спектроскопии, а также инженерных наук:

Химия и материаловедение:
а) Будут развиты методы синтеза новых наноструктурированных гибридных материалов с заданными параметрами на основе углеродных точек и плазмонных металлических наночастиц. Отличительной особенностью этих материалов будет наличие эффекта плазмонного усиления фотолюминесценции.
б) Будут разработаны принципы управления оптическими откликами предлагаемых гибридных материалов путем варьирования их химических, морфологических и структурных параметров
Физика нано- и микроструктур, оптическая спектроскопия:
в) Впервые будут выполнены детальные комплексные экспериментальные и теоретические исследования параметров, процессов и эффектов в новых гибридных материалах, включая энергетический спектр системы С-точка/ПМНЧ, процессы переноса энергии от ПМНЧ к С-точкам, обычной и ап-конверсионной фотолюминесценции, эффектов плазмонного усиления оптических откликов.
г) Будут построены экспериментально верифицируемые теоретические модели перечисленных выше процессов и эффектов.
Инженерные науки:
д) Впервые будет разработаны прототипы наноструктурированных гибридных материалов на основе углеродных точек и плазмонных металлических наночастиц, демонстрирующие эффект плазмонного усиления фотолюминесценции, чрезвычайно важный для создания высокоэффективных эмиттеров оптического излучения «зеленой» фотоники.
е) Будет проведено моделирование архитектуры эмиттеров синего, зеленого, красного и белого света, базирующихся на разработанных наноструктурированных гибридных материалах.

 

Согласно плану работ на первый год проекта, были проведены исследования углеродных точек (С-точек), плазмонных металлических наночастиц (ПМНЧ) и их комплексов и получены следующие основные оригинальные результаты.
 
Направления: химия и материаловедение, физика нано- и микроструктур, оптическая спектроскопия.
Развит шаблонный подход, позволяющий получать монодисперсные С-точки с перестраиваемым спектром фотолюминесценции за счет внедрения светоизлучающих полиароматических фрагментов при синтезе С-точек в порах матрицы с монодисперсными мезопорами. Синтезированы лабораторные образцы монодисперсных ансамблей С-точек с размером около 3 нм, определяемым диаметром пор матрицы, излучающих в синей, зелёной, желтой и красной областях видимого диапазона.
Развит шаблонный метод синтеза С-точек с использованием матрицы полиэдральных олигомерных силсесквиоксанов (POSS), позволяющий получать углеродные точки в форме стержней и сфер. Синтезированы лабораторные образцы углеродных наностержней и наносфер, полученные этим шаблонным методом, с размером 20-50 нм, излучающих в диапазоне 440-580 нм в зависимости от длины волны возбуждающего света.
Гидротермальным и микроволновым методами синтезированы лабораторные образцы сферических С-точек, излучающих в диапазоне 350-600 нм в зависимости от длины волны возбуждающего света. 
Оптимизированы методики замены органической оболочки плазмонных металлических наночастиц. Синтезированы лабораторные образцы коллоидных серебряных и золотых наночастиц, а также наночастиц из сплава золота и серебра. 
Определены абсорбционно-люминесцентные и морфологические параметры синтезированных образцов С-точек и ПМНЧ. В исследованиях применялись методы абсорбционной, люминесцентной, рамановской и ИК спектроскопии, спектроскопии кругового и магнитного кругового дихроизма, а также электронной микроскопии.
Развиты методы кулоновского и ковалентного связывания С-точек и ПМНЧ.
Развит метод покрытия синтезированных С-точек полимерными цепочками для управляемого изменения расстояния между С-точкой и золотой наночастицей.
 
Направления: физика нано- и микроструктур, оптическая спектроскопия.
Построены теоретические модели энергетического спектра системы С-точка/ПМНЧ и процессов переноса энергии от ПМНЧ к С-точкам. Предложенная модель энергетического спектра С-точек позволяет объяснить их основные оптические свойства, включая большой стоксов сдвиг фотолюминесценции и зависимость спектрального положения излучения от длины волны возбуждения.

 

Публикации в журналах, индексируемых в Web of Sciense и Scopus:

1. D.A. Eurov, D.A. Kurdyukov, A.V. Medvedev, V.G. Golubev, Synthesis of Monodisperse Carbon Nanodots with Variable Photoluminescence Spectrum Using Polyaromatic Precursors, Technical Physics Letters, 2019, Vol. 45, No. 9, pp. 940-942.
2. Y. Xiong, X. Zhang, A.F. Richter, Y. Li, A. Döring, P. Kasák, A. Popelka, J. Schneider, S.V. Kershaw, S.J. Yoo, J.-G. Kim, W. Zhang, W. Zheng, E.V. Ushakova, J. Feldmann, A.L. Rogach, Chemically Synthesized Carbon Nanorods with Dual Polarized Emission, ACS Nano, 2019, Vol. 13, No. 10, pp. 12024-12031.
3. T.K. Kormilina, I.A. Arefina, E.A. Stepanidenko, D.A. Kurshanov, S.A. Cherevkov, A.Y. Dubavik, A.P. Litvin, A.V. Baranov, E.V. Ushakova, A.V. Fedorov, Luminescence Enhancement of Alloyed Quantum Dots bound to Gold Nanoparticles by Mercaptocarboxylic Acids in Colloidal Complexes, Nanotechnology, 2019, Vol. 30, No. 46, pp. 465705.
 

Доклады на международных конференциях:

XI Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» ФПО-2019, Санкт-Петербург, Россия, 21-25 октября 2019 года, Бондаренко Д.П., Дубовик А.Ю., Хавлюк П., Богданов К.В. Исследование структуры углеродных точек методом рамановской спектроскопии, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия. Стендовый доклад.