СВЕРХРЕШЕТКА НАНОКРИСТАЛЛОВ СО СКОРРЕЛИРОВАННЫМИ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИМИ ОСЯМИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B82B3/00 B82B1/00 

Изобретение относится к квантовой электронике и наукам о материалах, к технологии создания сверхрешеток из нанокристаллов. Способ позволяет создавать большие (более сотни микрон) «монокристаллы» сверхрешеток наночастиц или пленки пространственно-упорядоченных наночастиц на гладких подложках со скоррелированными кристаллографическими осями отдельных наночастиц и кристалла сверхрешетки. Сверхрешетки нанокристаллов такого рода могут служить прототипами компонентов устройств электроники и оптоэлектроники нового поколения, а также устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи.

Наиболее известным материалом на основе трехмерных сверхрешеток являются фотонные кристаллы - природные (опалы) и синтетические. Они характеризуются достаточно высокой монодисперсностью и упорядоченностью структурных единиц.

Принципиальные отличия фотонных кристаллов от разработанного материала следующие:

- фотонный кристалл получается в результате самоорганизации микросфер в поле сил тяжести или электрическом поле. Инвертированные фотонные кристаллы формируются в результате введения вещества в полости, образованные сферами методом электрохимического осаждения или пропиткой растворами. Для широкого класса фотонных кристаллов структурные единицы представляют собой сферы из аморфного вещества. В разработанном материале структурными единицами являются нанокристаллы, стабилизированные оболочкой, обладающие анизотропией формы.

- размер сфер, из которых образованы фотонные кристаллы, варьируется в пределах 200-1000 нм, в то время как в разработанном материале размер структурных единиц составляет 1-50 нм. Таким образом, в нашем случае речь идет о нанообъектах.

- фотонные кристаллы характеризуются наличием фотонных запрещенных зон в видимой области спектра, в результате дифракции света на решетке. (Это вызывает оптическое явление иризации). Фотонные запрещенные зоны для сверхрешеток нанокристаллов возможны для области рентгеновского излучения.

- в фотонных кристаллах не существует корреляции между кристаллографическими осями структурных единиц и сверхрешетки.

Известен способ получения синтетического материала со структурой благородного опала (RU 2162456), включающий приготовление монодисперсной суспензии с глобулами аморфного кремнезема размером 140-600 нм. Затем послойно осаждают осадок. Полученный осадок сушат сначала при 100-150°С в течение 10-30 ч, а затем при дополнительно пониженном давлении 1-10 Па. После сушки осадок подвергают пневматолитовому отжигу при 15-45 МПа и 350-400°С в присутствии паров воды и тетраэтоксисилана, затем пропитывают кремнезолем и термообрабатывают при 400-600°С в течение 1-2 ч.

Известен способ создания решетки нанокластеров кремния (по патенту RU 2214359), включающий маскирование кремниевой подложки таким образом, что границы маскирующих участков ориентированы под углом 45° к базовому срезу [110] подложки. Травлением получают решетку из столбиков кремния, затем удаляют маскирующий слой. Формируют решетку из нанокластеров путем термического окисления с постоянным ростом температуры в приповерхностной области с последующим охлаждением подложки до комнатной температуры с тем же постоянным градиентом. Повторяют цикл нагрева и охлаждения до образования замкнутой оболочки двуокиси кремния. Отжигают подложку с решеткой из нанокластеров кремния в замкнутой оболочке из двуокиси кремния.

Этот способ позволяет создавать сверхрешетки со скореллированными кристаллографическими осями наночастиц и сверхрешетки в целом, однако, поскольку он основан на методе литографии, данный способ позволяет формировать только двумерные сверхрешетки. Известный способ используется исключительно для формирования решеток на основе кремния, для формирования сверхрешеток необходимы достаточно жесткие условия: постоянная температура не ниже 900°С и градиент роста Т не менее 10⁶ К/см·с. Основой способа является нанолитография -дорогостоящий метод формирования наноструктур, он технологически сложен и может быть недостаточно продуктивен.

Известен способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур (по патенту RU 2279400), заключающихся в том, что в подложку из природных или искусственных материалов с заданными физическими параметрами вводят материалы, из которых образуют кластеры, и создают из них упорядоченные структуры с управляемыми свойствами. Материалы для образования кластеров вводят в материал подложки в составе раствора (например, солей), воздействуют на раствор в заданных точках подложки импульсами лазерного излучения, образуют в зоне лазерного пятна низкотемпературную плазму и создают в области существования плазмы газообразную среду для восстановления в ней ионов материала кластера до чистого материала и по мере остывания плазмы образуют кластеры в виде монокристаллических квантовых точек и проволок, сращенных с материалом подложки.

Однако известный способ предполагает наличие матрицы, в которую вводится раствор. Следовательно, невозможно получить гомогенную систему, в частности «монокристалл» сверхрешеток. Использование лазера ограничивает круг материалов, пригодных для использования в качестве подложки, так как необходимо исключить взаимодействие лазера данной длины волны с подложкой. Способ не позволяет создавать материалы со скореллированными кристаллографическими осями наночастиц и сверхрешетки. Материалы, обладающие наибольшим сходством с разработанными в настоящем патенте - сверхрешетки CdSe, полученные в работах С.И.Стоевой, К.П.Мюррея, Д.В.Талапина, Зайцевой [С.J.Kiely, J.Fink, M.Brust, D.Bethell, D.J.Schiffrin. Spontaneous ordering of bimodal ensembles of nanoscopic gold clusters // Nature. 1998, V.396, P.444-446; Mei Li, Heimo Schnablegger, Stephen Mann. Coupled synthesis and self-assembly of nanoparticles to give structures with controlled organization // Nature. 1999, V.402, P.393-395; S.Sun, С.В.Murray, D.Weller, L.Folks, A.Moser. Monodisperse FePt Nanoparticles and Ferromagnetic FePt Nanocrystal Superlattices // Science. 2000, V.287, P.1989-1992; E.V.Shevchenko, D.V.Talapin, S.O'Brien, C.B.Murray. Polymorphism in AB₁₃ Nanoparticle Superlattices: An Example of Semiconductor-Metal Metamaterials // J. Am. Chem. Soc. 2005, V.127, P.8741-8747; S.I.Stoeva, B.L.V. Prasad, S.Uma, P.K.Stoimenov, V.Zaikovski, С.M.Sorensen, K.J.Klabunde. Face-Centered Cubic and Hexagonal Closed-Packed Nanocrystal Superlattices of Gold Nanoparticles Prepared by Different Methods // J. Phys. Chem. B. 2003, V.107, No.30, P.7441-7448; E.V.Shevchenko, D.V.Talapin, N.A.Kotov, S.O'Brien, Christopher B.Murray. Structural diversity in binary nanoparticle superlattices // Nature. 2006, V.439, P.55-59; J.J.Urban, D.V.Talapin, E.V.Shevchenko, C.B.Murray. Self-Assembly of PbTe Quantum Dots into Nanocrystal Superlattices and Glassy Films // J. Am. Chem. Soc. 2006, V.128, P.3248-3255; N.Zaitseva, Z.R.Dai, F.R.Leon, D.Krol, Optical properties of CdSe superlattices, JACS, 127 (29), pp.10221-10226; D.V.Talapin, E.V.Shevchenko, A.Kornowski, N.Gaponik, M.Haase, A.L.Rogach, H.Weller, A New Approach to Crystallization of CdSe Nanoparticles into Ordered Three-Dimensional Superlattices, Adv. Mater. 2001, 13, No.24, 1868-1871; E.V.Shevchenko, D.V.Talapin, A.Kornowski, F.Wiekhorst, Ju. Kotzler, M.Haase, A.L.Rogach, H.Weller Colloidal crystals of Monodisperse FePt Nanoparticles Grown by a Three-Layer Technique of Controlled Oversaturation. Adv. Mater. 2002, 14, No.4, 287-290]. Однако большинство из указанных работ включают формирование лишь малых кристаллов сверхрешеток (<1 мкм), не обладающих корреляцией кристаллографических осей отдельных наночастиц и кристалла сверхрешетки [С.J.Kiely, J.Fink, M.Brust, D.Bethell, D.J.Schiffrin. Spontaneous ordering of bimodal ensembles of nanoscopic gold clusters // Nature. 1998, V.396, P.444-446; Mei Li, Heimo Schnablegger, Stephen Mann. Coupled synthesis and self-assembly of nanoparticles to give structures with controlled organization // Nature. 1999, V.402, P.393-395; S.Sun, С.В.Murray, D.Weller, L.Folks, A.Moser. Monodisperse FePt Nanoparticles and Ferromagnetic FePt Nanocrystal Superlattices // Science. 2000, V.287, P.1989-1992; E.V.Shevchenko, D.V.Talapin, S.O'Brien, C.B.Murray. Polymorphism in AB₁₃ Nanoparticle Superlattices: An Example of Semiconductor-Metal Metamaterials // J. Am. Chem. Soc. 2005, V.127, P.8741-8747; S.I.Stoeva, B.L.V. Prasad, S.Uma, P.K.Stoimenov, V.Zaikovski, С.M.Sorensen, K.J.Klabunde. Face-Centered Cubic and Hexagonal Closed-Packed Nanocrystal Superlattices of Gold Nanoparticles Prepared by Different Methods // J. Phys. Chem. B. 2003, V.107, No.30, P.7441-7448; E.V.Shevchenko, D.V.Talapin, N.A.Kotov, S.O'Brien, Christopher B. Murray. Structural diversity in binary nanoparticle superlattices // Nature. 2006, V.439, P.55-59; J.J.Urban, D.V.Talapin, E.V.Shevchenko, C.B.Murray. Self-Assembly of PbTe Quantum Dots into Nanocrystal Superlattices and Glassy Films // J. Am. Chem. Soc. 2006, V.128, P.3248-3255].

В работе Зайцевой [N.Zaitseva, Z.R.Dai, F.R.Leon, D.Krol, Optical properties of CdSe superlattices, JACS, 127 (29), pp.10221-10226] были получены сверхрешетки нанокристаллов CdSe. Структуру сверхрешеток исследовали методами просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции, которые относятся к методам локального анализа. Наблюдалась слабая локальная корреляция кристаллографических осей наночастиц по данным широкоугловой ЭД. Этот факт не объяснялся огранкой нанокристаллов. В нашем случае методом дифракции рентгеновского излучения на синхротронном источнике с полным восстановлением обратного пространства единичной сверхрешетки удалось показать, что структура сверхрешетки определяется формой отдельных наночастиц CdSe, составляющих сверхрешетку.

Кроме того, описанный способ получения сверхрешеток отличался от предложенного нами: сверхрешетки достаточно большого размера (100 мкм) были получены в пленках, в то время как нами разработан метод для получения как в пленках, так и в объеме.

В работе Стоевой [S.I.Stoeva, B.L.V. Prasad, S.Uma, P.К.Stoimenov, V.Zaikovski, С. M.Sorensen, K.J.Klabunde. Face-Centered Cubic and Hexagonal Closed-Packed Nanocrystal Superlattices of Gold Nanoparticles Prepared by Different Methods // J. Phys. Chem. B. 2003, V.107, No.30, P.7441-7448] сообщается о возможности формирования плоских кристаллов сверхрешеток наночастиц золота диаметром ~4 нм из золей на графитизированной подложке методом испарения растворителя (толуола). Размер сверхрешеток достигает 20 мкм в диаметре, при толщине в несколько параметров решетки (<1 мкм). С помощью просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции установлена локальная корреляция кристаллографических осей наночастиц и сверхрешетки. Однако описанный способ оказывается не применим для получения трехмерных сверхрешеток достаточно большого размера, а получаемые структуры по данным самих авторов обладают заметной дефектностью.

В работах Д.В.Талапина [D.V.Talapin, E.V.Shevchenko, A.Kornowski, N.Gaponik, M.Haase, A.L.Rogach, H.Weller, A New Approach to Crystallization of CdSe Nanoparticles into Ordered Three-Dimensional Superlattices, Adv. Mater. 2001, 13, No.24, 1868-1871; E.V.Shevchenko, D.V.Talapin, A.Kornowski, F.Wiekhorst, Ju.Kotzler, M.Haase, A.L.Rogach, H.Weller Colloidal crystals of Monodisperse FePt Nanoparticles Grown by a Three-Layer Technique of Controlled Oversaturation. Adv. Mater. 2002, 14, No.4, 287-290] описан способ создания сверхрешеток нанокристаллов CdSe и FePt размером до 100 мкм, выбранный в качестве прототипа, основанный на контролируемой диффузии неполярного растворителя (метанола) в золь наночастиц в полярном растворителе (толуоле), позволяющий получать сверхрешетки наночастиц. Созданные таким способом сверхрешетки нанокристаллов размером до 100 мкм, характеризующиеся узким распределением индивидуальных частиц (диаметром 2-7 нм) по размеру и высокой упорядоченностью нанокристаллов в пределах сверхрешетки, выбраны в качестве прототипа сверхрешетки анизотропных нанокристаллов по настоящему изобретению.

В работах Д.В.Талапина с помощью просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции была установлена возможность локальной корреляции кристаллографических осей наночастиц и сверхрешетки в пленках, однако трехмерные сверхрешетки наночастиц, полученные в этих работах, были образованы изотропными нанокристаллами CdSe и FePt, а влияние анизотропии отдельных нанокристаллов на упаковку и корреляцию осей наночастиц в трехмерных кристаллах не рассматривалось. Исследования единичных кристаллов дифракционными методами (дифракция рентгеновского излучения в источнике с полным восстановлением обратного пространства единичной сверхрешетки), способными определить пространственную корреляцию кристаллографических осей наночастиц и кристаллографических осей сверхрешетки, проведено не было.

Таким образом, анализ уровня техники по рассматриваемой тематике показывает отсутствие универсальных способов формирования сверхрешеток анизотропных нанокристаллов со скоррелированными кристаллографическими осями, а также данных, иллюстрирующих трехмерную пространственную корреляцию кристаллографических осей наночастиц и кристаллографических осей сверхрешетки.

Технической задачей настоящего изобретения является создание материала, превосходящего по функциональным свойствам (квантовый выход люминесценции, коэрцитивная сила и др.) аналогичные свойства составляющих их наночастиц или неупорядоченных массивов на основе таких наночастиц.

Технический результат достигается в предлагаемой сверхрешетке нанокристаллов, состоящей из монодисперсных анизотропных нанокристаллов, которая отличается тем, что она обладает скоррелированными кристаллографическими осями отдельных нанокристаллов и всей сверхрешетки. Размеры монодисперсных анизотропных нанокристаллов составляют от 1 до 50 нм. Сверхрешетка образована анизотропными нанокристаллами полупроводников, металлов или их сплавов, и размер сверхрешетки нанокристаллов составляет более 1 мкм в двух направлениях. В качестве отдельных нанокристаллов сверхрешетка включает монодисперсные тетраэдрические частицы CdSe, покрытые олеиновой кислотой. Для сверхрешеток наночастиц CdSe квантовый выход эффективной люминесценциии с пороговым характером генерации излучения составляет более 10%. Кроме того, сверхрешетка, включающая в качестве отдельных нанокристаллов монодисперсные икосаэдрические частицы железа или интерметалида общей формулы FePt, покрытые олеиновой кислотой, обладает коэрцитивной силой более 20 кЭ.

Технический результат достигается в способе изготовления предлагаемой сверхрешетки нанокристаллов, который включает диффузию неполярного растворителя в золь наночастиц в полярном растворителе, отличающемся тем, что он дополнительно включает получение анизотропных наночастиц, разделение наночастиц по размеру, формирование золя анизотропных наночастиц в смеси неполярного и полярного растворителей, формирование сверхрешеток анизотропных нанокристаллов испарением полярного растворителя. Разделение наночастиц по размеру осуществляют методом размерно-селективного осаждения или с помощью молекулярных сит. Золи анизотропных наночастиц обладают концентрацией 10¹⁵-10¹⁸ шт/мл. Формирование сверхрешетки наночастиц осуществляют в виде трехмерных кристаллов, осаждающихся из растворителя, или в виде пленок на поверхности гладких подложек. В качестве растворителя используют однофазную смесь неполярного и полярного растворителей. Кроме того, осуществляют регулируемое изменение полярности растворителя при испарении полярного растворителя. В качестве неполярного растворителя используют толуол, или гексан, или гептан, или бензол. В качестве полярного растворителя используют ацетон, или метиловый спирт, или олеиновую кислоту, или этиловый спирт, или диметилсульфоксид.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг.1 - схема формирования сверхрешетки из монодисперсных кубических частиц, покрытых оболочкой;

фиг.2 - примеры дифрактограмм в малоугловой и широкоугловой области, однозначно указывающих на корреляцию кристаллографических осей наночастиц и кристаллографических осей сверхрешетки;

фиг.3 - данные просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения сверхрешетки наночастиц CdSe. На врезке приведен вид кристалла в оптическом микроскопе;

фиг.4 - спектры фотолюминесценции сверхрешетки наночастиц CdSe и исходного коллоидного раствора;

фиг.5 - микрофотография икосаэдрических наноструктур FePt;

фиг.6 - данные малоугловой дифракции сверхрешетки нанокристаллов FePt;

фиг.7 - данные магнитных измерений сверхрешетки нанокристаллов FePt.

Для роста кристаллов сверхрешеток со скоррелированными кристаллографическими осями на основе анизотропных нанокристаллов предлагается способ медленной кристаллизации из пересыщенного золя анизотропных наночастиц (фиг.1) (используются золи с концентрацией наночастиц 10¹⁵-10¹⁸ шт/мл.). Поскольку одной из основных особенностей существующих методов формирования монодисперсных анизотропных нанокристаллов является стабилизация их поверхности длинноцепочечными молекулами, такие нанокристаллы характеризуются крайне высокой растворимостью в неполярных жидкостях, образуя золи наночастиц в неполярных средах. Реализация условий медленного пересыщения раствора оказалась возможной за счет регулируемого изменения полярности растворителя при использовании в качестве растворителя однофазной смеси, содержащей неполярный и полярный компоненты. При испарении неполярного растворителя понижается растворимость нанокристаллов за счет увеличения полярности раствора, что приводит к росту сверхрешеток нанокристаллов. В случае использования анизотропных наночастиц в качестве дисперсной фазы происходит рост сверхрешеток анизотропных нанокристаллов со скоррелированными кристаллографическими осями. В качестве анизотропных наноскристаллов при этом могут быть использованы любые нанокристаллы полупроводников, металлов или их сплавов, обладающие анизотропией формы. Типичное время роста сверхрешеток нанокристаллов с размерами ~100 мкм составляет 2-30 суток.

Полученные «монокристаллы» сверхрешеток отделяют от маточного раствора декантацией, промывают несколько раз подходящим растворителем и сушат в инертной атмосфере.

Для получения тонких пленок сверхрешеток на подложке капля золя наночастиц в однофазной смеси, содержащей неполярный и полярный компоненты, помещается на полированное кварцевое стекло и термостатируется. В данном варианте скорости испарения выше, типичное время кристаллизации - 5-12 часов. Этот вариант позволяет реализовать микроскопический контроль роста сверхрешеток нанокристаллов.

Важной особенностью предложенного способа является возможность использования в качестве полярного растворителя длинноцепочечных молекул (например, олеиновой кислоты), которые также являются стабилизатором нанокристаллов, в то время как в других работах обычно используются пара растворителей толуол-метанол.

В качестве неполярного растворителя используют толуол, или гексан, или гептан, или бензол. В качестве полярного растворителя используют ацетон, или метиловый спирт, или олеиновую кислоту, или этиловый спирт, или диметилсульфоксид.

Пример 1. Сверхрешетки нанокристаллов CdSe.

Получение анизотропных наночастиц CdSe.

Рост реализован из растворов нанокристаллов в гексане или толуоле в присутствии олеиновой кислоты. Тетраэдрические нанокристаллы CdSe, стабилизированные олеиновой кислотой, формируются в результате взаимодействия олеата кадмия и триоктилфосфин селенида при повышенных температурах (120-220°С). Нанокристаллы отделяют от маточного раствора высаливанием ацетоном, центрифугированием, промыванием ацетоном 2-3 раза и высушивают на воздухе.

Разделение наночастиц по размеру (выделение монодисперсных фракций) осуществляют методом размерно-селективного осаждения (последовательным растворением в полярном растворителе и высаливанием в неполярном) или с использованием размерно-селективной адсорбции с помощью молекулярных сит [А.А.Eliseev, I.V.Kolesnik, A.V.Lukashin, R.B.Vasiliev, Yu.D.Tretyakov. Nanoparticles separation by mesoporous molecular sieves. Mendeleev Communications, 2004, v.4, p.173-174].

Формирование золя нанокристаллов CdSe в однофазной смеси неполярного и полярного растворителей.

Навеску порошка нанокристаллов CdSe, стабилизированных олеиновой кислотой, массой 10-20 мг растворяют в толуоле или гексане до концентрации ~10¹⁷ шт/мл. Концетрацию нанокристаллов контролируют методом оптического поглощения по известной методике [W.W.Yu, L.Qu, W.Guo, X.Peng, Chem. Mater., 2003, 15, 2854], затем к золю нанокристаллов добавляют олеиновую кислоту до концентрации 20-30 об.%. При необходимости раствор центрифугируют для отделения скоагулировавших нанокристаллов. Готовый оптически прозрачный раствор помещают в стеклянный ростовый контейнер с открытым верхом и термостатируют при заданной (например, 20°С) температуре.

Формирование сверхрешеток анизотропных нанокристаллов CdSe.

Рост проводится при естественном испарении растворителя в окружающую среду. Оптимальное время роста сверхрешеток нанокристаллов с размерами до 100 мкм из смеси толуол-олеиновая кислота составило 7-10 суток (для объема контейнера - 3-5 мл, загрузка - 1-3 мл раствора, площадь открытой части 2-3 см²). При этом концентрация олеиновой кислоты в ростовом растворе возрастает до 70-80 об.%. В случае использования смеси гексан-олеиновая кислота скорость испарения оказывается выше и пересыщение достигается в течение 1-2 суток, что приводит к ухудшению качества кристаллов. Далее кристаллы декантацией отделяют от маточного раствора, промывают несколько раз ацетоном и сушат в инертной атмосфере.

Исследование сверхрешеток анизотропных нанокристаллов CdSe.

Сверхрешетки нанокристаллов были исследованы методами электронной микроскопии и дифракции рентгеновского излучения на синхротронном источнике с полным восстановлением обратного пространства единичной сверхрешетки. На фиг.2 приведены примеры дифрактограмм в малоугловой и широкоугловой области, однозначно указывающие на корреляцию кристаллографических осей наночастиц и кристаллографических осей сверхрешетки. С использованием восстановления полного обратного пространства была установлена корреляция кристаллографических осей на всем "монокристалле" сверхрешетки. Сопоставление данных электронной микроскопии (фиг.3) и дифракционных картин показало, что структура сверхрешетки определяется формой отдельных наночастиц CdSe (диаметром 2.8 нм), составляющих сверхрешетку. Исследование сверхрешеток нанокристаллов CdSe с помощью спектроскопии люминесценции показало наличие коллективных взаимодействий между наночастицами (смещение полосы люминесценции) и увеличение интенсивности люминесценции сверхрешетки (квантовый выход люминесценции ~15%) по сравнению с исходным золем наночастиц (фиг.4).

Пример 2. Сверхрешетки икосаэдрических нанокристаллов FePt.

Получение анизотропных наночастиц FePt.

Получение икосаэдрических наночастиц FePt проводят путем введения неполярного комплекса Fe(CO)₅ в олеиновой кислоте и олеиламине (0,65 мл Fe(CO)₅, 0,08 мл олеиновой кислоты и 0,085 мл олеиламина) в смесь, содержащую ацетилацетонат платины и диоктиловый эфир (0,1 г Pt(ac)₂, 0,19 г 1,2-гексадекандиола, 10 мл диоктилового эфира) при 100°С в атмосфере аргона (фиг.5). Затем реакционную смесь выдерживают при 300°С в течение получаса. Выделение монодисперсных фракций наночастиц осуществляют методом размерно-селективного осаждения (последовательным растворением в полярном растворителе и высаливанием в неполярном) или с использованием размерно-селективной адсорбции с помощью молекулярных сит [А.А.Eliseev, I.V.Kolesnik, A.V.Lukashin, R.B.Vasiliev, Yu.D.Tretyakov. Nanoparticles separation by mesoporous molecular sieves. Mendeleev Communications, 2004, v.4, p.173-174].

Формирование золя нанокристаллов FePt в однофазной смеси неполярного и полярного растворителей.

Золи нанокристаллов FePt, стабилизированных ПАВ (олеиновая кислота-олеиламин) готовили, растворяя навеску порошка нанокристаллов FePt массой 10-20 мг в толуоле или гексане до концентрации ~10¹⁷ шт/мл. Затем к золю нанокристаллов добавляют олеиновую кислоту до концентрации 20-30 об.%. При необходимости раствор центрифугируют для отделения скоагулировавших нанокристаллов. Готовый раствор помещают в стеклянный ростовый контейнер с открытым верхом и термостатируют при заданной (например, 20°С) температуре.

Формирование сверхрешеток анизотропных нанокристаллов FePt.

Рост проводится при естественном испарении растворителя в окружающую среду. Оптимальное время роста сверхрешеток нанокристаллов с размерами до 100 мкм из смеси толуол-олеиновая кислота составило 7-10 суток (для объема контейнера - 3-5 мл, загрузка - 1-3 мл раствора, площадь открытой части 2-3 см²). При этом концентрация олеиновой кислоты в ростовом растворе возрастает до 70-80 об.%. В случае использования смеси гексан-олеиновая кислота скорость испарения оказывается выше и пересыщение достигается в течение 1-2 суток, что приводит к ухудшению качества кристаллов. Далее кристаллы декантацией отделяют от маточного раствора, промывают несколько раз ацетоном и сушат в инертной атмосфере.

Исследование сверхрешеток анизотропных нанокристаллов CdSe.

Исследование микроструктуры образцов, содержащих наноструктуры FePt, проводили с помощью дифракции рентгеновского излучения на синхротронном источнике и просвечивающей электронной микроскопии. Данные малоугловой дифракции показали объемоцентрированную (bcc) упаковку нанокристаллов диаметром 1.9 нм, характерную для икосаэдрических наноструктур (фиг.6). Магнитные измерения показали, что коэрцитивная сила сверхрешеток наноструктур, обработанных при температуре 600°С, составляет более 20 кЭ (фиг.7).

Изобретение относится к квантовой электронике, к технологии создания сверхрешеток из нанокристаллов. Сущность изобретения: сверхрешетка нанокристаллов, состоящая из монодисперсных анизотропных нанокристаллов, обладает скоррелированными кристаллографическими осями отдельных нанокристаллов и всей сверхрешетки. Способ изготовления сверхрешетки нанокристаллов включает получение анизотропных наночастиц, разделение наночастиц по размеру, формирование золя анизотропных наночастиц в смеси неполярного и полярного растворителей, формирование сверхрешеток анизотропных нанокристаллов испарением полярного растворителя. Техническим результатом изобретения является создание материала, превосходящего по таким функциональным свойствам, как квантовый выход люминесценции, коэрцитивная сила и другие, аналогичные свойства составляющих их наночастиц или неупорядоченных массивов на основе таких наночастиц. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сверхрешетка нанокристаллов, состоящая из монодисперсных анизотропных нанокристаллов, отличающаяся тем, что она обладает скоррелированными кристаллографическими осями отдельных нанокристаллов и всей сверхрешетки.

2. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что размеры монодисперсных анизотропных нанокристаллов составляют от 1 до 50 нм.

3. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что она образована анизотропными нанокристаллами полупроводников, металлов или их сплавов.

4. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что размер сверхрешетки нанокристаллов составляет более 1 мкм в двух направлениях.

5. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве отдельных нанокристаллов включает монодисперсные тетраэдрические частицы CdSe, покрытые олеиновой кислотой.

6. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что она обладает квантовым выходом эффективной люминесценциии с пороговым характером генерации излучения более 10%.

7. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве отдельных нанокристаллов включает монодисперсные икосаэдрические частицы железа или интерметалида общей формулы FePt, покрытые олеиновой кислотой.

8. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что она обладает коэрцитивной силой более 20 кЭ.

9. Способ изготовления сверхрешетки нанокристаллов, включающий диффузию неполярного растворителя в золь наночастиц в полярном растворителе, отличающийся тем, что он дополнительно включает получение анизотропных наночастиц, разделение наночастиц по размеру, формирование золя анизотропных наночастиц в смеси неполярного и полярного растворителей, формирование сверхрешеток анизотропных нанокристаллов испарением полярного растворителя.

10. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что разделение наночастиц по размеру осуществляют методом размерно-селективного осаждения.

11. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что разделение наночастиц по размеру проводят молекулярными ситами.

12. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что используют золи анизотропных наночастиц с концентрацией 10¹⁵-10¹⁸ шт/мл.

13. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что формируют сверхрешетку наночастиц в виде трехмерных кристаллов, осаждающихся из растворителя, или в виде пленок на поверхности гладких подложек.

14. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют однофазную смесь неполярного и полярного растворителей.

15. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что осуществляют регулируемое изменение полярности растворителя при испарении полярного растворителя.

16. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что в качестве неполярного растворителя используют толуол, или гексан, или гептан, или бензол.

17. Способ изготовления по п.9, отличающийся тем, что в качестве полярного растворителя используют ацетон, или метиловый спирт, или олеиновую кислоту, или этиловый спирт, или диметилсульфоксид.