Управляемая абляция: новое слово в технологиях создания наночастиц

Физики из МФТИ, Владимирского государственного университета и МИФИ совместно разработали метод, который позволяет управлять оптическими свойствами дисульфида молибдена, контролируя размер его наночастиц и процесс изменения химического состава. По словам ученых, этот метод позволяет получить наночастицы, которые можно использовать в электронике, нанооптике, нанофотонике и медицине.


Дисульфид молибдена принадлежит к классу дихалькогенидов переходных металлов. Это двумерные полупроводниковые кристаллы, имеющие слоистую структуру. Их монослои обладают высокой анизотропией и прямой запрещенной зоной. Учитывая эти оптические свойства, дихалькогениды переходных металлов используются в электронике и нанооптике, например, в качестве транзисторов, биосенсоров, фотодатчиков и поляризаторов.

Специалисты из МФТИ показали, что с помощью обработки лазером можно создавать сферические наночастицы желаемого размера, которые поглощают свет и демонстрируют высокий фототермический отклик. Недостаток этого метода заключается в том, что он довольно сложный и трудоемкий.

Исследователи выбирали время воздействия лазера, меняли состав растворителя, измеряли спектры поглощения света и сравнивали их с результатами компьютерного моделирования.

Физики разработали метод, который позволяет управлять оптическими свойствами дисульфида молибдена, контролируя размер его наночастиц и процесс изменения химического состава. По словам ученых, этот метод позволяет получить наночастицы, которые можно использовать в электронике, нанооптике, нанофотонике и медицине.

Ученые усовершенствовали методику и добавили возможность управлять не только размером частиц, но и их химическим составом. Для производства наночастиц дисульфида молибдена, одного из видов дихалькогенидов переходных металлов, наиболее распространенным является метод абляции. Его и применили физики. При использовании этого метода на поверхность дисульфида молибдена, помещенного в раствор, воздействует лазер, в результате чего происходит микровзрыв, и на поверхности образуются наночастицы.

Размер полученных частиц можно менять путем регулировки мощности и длительности лазерного излучения. Также можно контролировать химический состав наночастиц, включая их структуру и толщину оболочки. Стоит отметить, что эта методология дает возможность получать наночастицы с хорошей монодисперсностью, что является их преимуществом перед другими методами получения наночастиц.

Сначала ученые облучали лазером объемный кристалл дисульфида молибдена, помещенный в кювету с деионизированной водой. В результате получали наночастицы размером от 30 до 340 нанометров. Но это было еще не все. Полученные наночастицы фрагментировали при помощи магнитной мешалки, а в процессе перемешивания облучали лазером. В результате фрагментации образовывались сферические наночастицы, причем чем дольше длилась фрагментация (от 10 до 40 минут), тем меньше становились частицы. Более мелкие наночастицы хуже поглощали свет, что качественно и количественно согласовывалось с теорией рассеяния света. Визуально это проявлялось в изменении цвета раствора с наночастицами.

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

Методы, использованные в эксперименте, позволили также наблюдать за изменением химического состава полученных наночастиц. При дефрагментации более 60 минут метод раскрывал пики, соответствующие оксиду молибдена MoO3, а при облучении в течение 20-60 минут — промежуточную фазу между дисульфидом молибдена и оксидом молибдена. Применяя комбинацию методов энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, ученые получили диафильм, показывающий, как происходило замещение серы атомами кислорода. Ученые полагают, что реакция стала возможна из-за разложения молекул этанола и повышения количества свободного кислорода в растворе.

Исходя из полученных результатов ученые сделали вывод, что описанный метод получения наночастиц является универсальным, поскольку он позволяет изменять их размер и химический состав. Метод может быть использован в качестве основы для создания новых материалов и устройств, таких как катализаторы, оптические свойства которых зависят от размера наночастиц, а также для изучения физических свойств наночастиц, включая оптические, электрические и магнитные свойства.