Лазерный мир

Учёные из МФТИ, Владимирского государственного университета и МИФИ научились управлять оптическими свойствами дисульфида молибдена, контролируя размер его наночастиц и процесс изменения химического состава. Технология позволяет получить наночастицы, которые можно использовать в электронике, нанооптике, нанофотонике и медицине. Работа опубликована в Journal of Materials Chemistry C. Исследование было поддержано Российским научным фондом (грант № 21-79-00206).

Дисульфид молибдена относится к классу дихалькогенидов переходных металлов — двумерных полупроводниковых кристаллов, имеющих слоистую структуру. Дихалькогениды переходных металлов отличаются высоким показателем преломления, гигантской анизотропией, а их монослои обладают прямой запрещённой зоной. Благодаря этим оптическим свойствам они используются в электронике и нанооптике в качестве транзисторов, биосенсоров, фотодетекторов, поляризаторов.

https://habrastorage.org/r/w1560/getpro/habr/post_images/209/345/1a3/2093451a3882d74dd74748b02ca22233.jpg

https://habrastorage.org/r/w1560/getpro/habr/post_images/209/345/1a3/2093451a3882d74dd74748b02ca22233.jpg

Наибольший интерес представляют наноразмерные структуры дихалькогенидов, однако основной способ их изготовления — нанолитография — сложный и трудоёмкий. В прошлогодней работе учёные Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ показали, что с помощью обработки лазером можно получать сферические наночастицы дихалькогенидов желаемого размера, которые лучше поглощают свет и демонстрируют высокий фототермический отклик (быстрее нагреваются от света лазера).

«За науку» писала о том, как дисульфид молибдена заменяет кремний в нанофотонике, а соединения с оловом и платиной могут применяться для создания ультратонких линз.

В новой работе физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами усовершенствовали метод, чтобы управлять не только размером частиц, но и их химическим составом. Для этого в эксперименте подбирали время воздействия лазера, меняли состав растворителя, в котором плавали частицы, измеряли спектры поглощения света и сравнивали их с результатами компьютерного моделирования.

При длительном воздействии достаточно мощного лазера на поверхности вещества происходит микровзрыв, в результате которого частицы вещества вылетают с поверхности. Этот процесс называется абляцией. При правильном подборе параметров лазера — мощности и длительности излучения — можно контролировать размер образующихся наночастиц.

Сначала учёные облучали лазером объёмный кристалл дисульфида молибдена, помещённый в кювету с деионизированной водой. В результате получали наночастицы размером от 30 до 340 нанометров.

Полученные наночастицы фрагментировали. Для этого раствор с ними помещали в магнитную мешалку и в процессе перемешивания облучали лазером. После фрагментации образовывались сферические наночастицы. Чем дольше длилась фрагментация (от 10 до 40 минут), тем меньше становились частицы. Более маленькие наночастицы хуже поглощали свет, что качественно и количественно согласовывалось с теорией рассеяния света Ми. Визуально это проявлялось в изменении цвета раствора c наночастицами.

Затем было решено все операции с частицами проделать не в воде, а в растворе этанола. Полученные частицы имели чёткую структуру: оболочка — ядро. Внутри ядра находились фрагменты слоёв, а оболочка состояла из сплошных двух-трёх слоёв дисульфида молибдена. При длительной фрагментации оболочка исчезала.

При этом исследователи наблюдали изменение химического состава наночастиц с помощью рамановской спектроскопии. При дефрагментации более 60 минут метод показывал пики, соответствующие оксиду молибдена MoO3, при облучении в течение 20–60 минут — промежуточную фазу между дисульфидом молибдена и оксидом молибдена. Применив комбинацию методов энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, физики получили фактически диафильм, показывающий, как происходило замещение серы атомами кислорода. Учёные полагают, что реакция стала возможна из-за разложения молекул этанола и повышения количества свободного кислорода в растворе.

Алексей Прохоров, старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ, отмечает: «Исходный материал при взаимодействии с лазерным излучением и спиртовой средой превращался в наночастицы субоксида молибдена MoO3-x контролируемых размеров, проявляющие 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».

Ещё одним значимым результатом стал рекордный фототермический отклик — скорость нагрева под действием лазера — промежуточной фазы оксида молибдена из-за возбуждения экситонного резонанса. Эта характеристика важна в тераностике для потенциальных молекул-мишеней, которые уничтожают раковые клетки. Точечное лазерное излучение вызывает нагрев молекулы-мишени, а та уничтожает больные 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. Сейчас задача — уменьшить дисперсность размеров частиц в растворе, а также научиться управлять соотношением размеров ядро / оболочка», — делится планами Алексей Прохоров.

Таким образом, учёные предложили стратегию управления и настройки спектра оптического поглощения для наночастиц дихалькогенидов переходных металлов. Для получения частиц нужного размера необходимо отрегулировать параметры абляции. Следующий шаг — практическое применение в медицине и нанофотонике.

Опубликовано на https://habr.com/ru/news/730460/