Исследование спектрально-кинетических характеристик оптически прозрачных полимерных композиций ПММА:CdS: Ln(111)

В последние годы увеличился интерес ученых к изучению композитных
материалов, легированных полупроводниковыми нанокристаллами квантовыми
точками КТ [1–5]. Это связано с тем, что в наноразмерном состоянии эти
материалы проявляют уникальные люминесцентные и оптические свойства,
которые отличаются от свойств объемного материала. [6]. Полупроводниковые
квантовые точки интенсивно люминесцируют, а спектр излучения зависит от
размера квантовой точки. Обычно размер КТ не превышает 10 нм. Агломераты
КТ могут достигать десятков нанометров и более.
Также интерес ученых прикован к разработке методов синтеза
квантовых точек, а также к изучению свойств материалов на их основе. Одними
из наиболее перспективных являются квантовых точки на основе CdS. Такие
КТ синтезируют в виде порошков и растворов.
Внедрение квантовых точек в полимерные матрицы приводит к
созданию новых материалов для оптоэлектроники. Основная проблема,
возникающая при синтезе оптически прозрачных полимерных композиций из
КТ, содержащих группы AIIBVI, заключается в крайне низкой растворимости
сульфидов металлов и большинства предшественников в мономерах.
Еще одна задача, которую необходимо решить в процессе синтеза
квантовых точек, является сохранение устойчивости КТ и стабильности
оптических характеристик. Одно из решений это внедрение КТ в полимерные
матрицы. Этот способ позволяет зафиксировать пространственное положение
КТ и сформировать необходимую морфологию композиций. Не менее сложная
задача заключается в сохранении оптической прозрачности гетерогенных
композиций. Одним из перспективных способов решения этой задачи является
коллоидный синтез. При его проведении КТ могут быть получены in situ в
среде мономера, который одновременно является предшественником основы
композиций, а также реакционной средой синтеза КТ и их структур и
дисперсионной средой образующегося коллоидного раствора [7-9].
Легирование полупроводниковых КТ лантаноидами приводит к
изменению энергетической диаграммы полупроводниковых структур, также
изменяет их оптические и физико-химические свойства и оказывает влияние на
люминесцентные характеристики полученных материалов. В качестве
легирующих элементов применяют различные материалы в том числе и
лантаноиды, например европий и тербий.
Прогресс движется благодаря созданию новых материалов.
Исследуемые в данной работе композиты на основе полиметилметакрилата,
модифицированного сульфидом кадмия и редкоземельными элементами
нанометрового размера являются новыми и весьма перспективными
материалами для оптики, светотехники и фотоники. В литературе
исследований материалов одновременно легированных как сульфидом кадмия
так и редкоземельными элементами недостаточно. Чаще всего стекла
модифицируют лантаноидами. В нашей работе в качестве матрицы
используется ПММА, а не стекло. В этом есть свои плюсы, например изделию
из полимера проще придать нужную форму, чем изделию из стекла.
Образцы, исследуемые в данной работе были синтезированы
профессором Алтайского государственного университета, д.х.н. Смагиным В. П.
Для измерения спектрально-кинетических характеристик в нашей работе
использовался импульсный оптический спектрометр на базе азотного лазера с λ
= 337,1 нм, а также Спектрофлуориметр Cary Eclipse.
Целью данной работы являлось исследование спектрально-
люминесцентных свойств новых синтезированных материалов ПММА/Cds/Ln и
ПММА/Ln и дать рекомендации относительно области применения данных
материалов.
Задачи исследования:
1. Измерить спектрально-кинетические характеристики композитов
ПММА/Cds/Ln.
2. Исследовать спектральные характеристики стационарной
фотолюминесценции ПММА одновременно легированного сульфидом кадмия
и редкоземельными элементами.
3. Измерить спектры возбуждения композитов ПММА/Cds/Ln.
4. Рассчитать координаты цветности ФЛ композитов ПММА/Cds/Ln.
5. Изучить механизмы возникновения люминесценции в исследуемых
композициях.
6. Дать рекомендации относительно области применения данных
материалов.
Решение этих задач позволит создать технологичные полимерные
композиций с уникальными люминесцентными характеристиками для
различных областей техники и технологий.
1.1 Синтез композитов на основе полиметилметакрилата,
модифицированного сульфидом кадмия и редкоземельными элементами
Металлосодержащие оптические полимеры избирательно поглощают
или пропускают электромагнитное излучение, излучают свет и проводят
электрический ток. Атомы металла в полимере являются частью органических
или неорганических соединений. В полимерной матрице они образуют
межмолекулярные или химические связи с большими молекулами. Большой
интерес вызывают композиции, содержащие неорганические полупроводники,
особенно халькогениды металлов [8-9].
В оптически прозрачной полимерной матрице полупроводники
образуют квантовые точки (КТ). Важной задачей, которая должна быть решена
в процессе синтеза, является поддержание стабильности КТ и стабильности
оптических свойств. Одним из решений является введение КТ в полимерную
матрицу. Этот метод может сделать пространственное положение КТ
неизменным, а также может сформировать необходимую форму композиции [8-
9]. Метод получения квантовых коллоидным синтезом подробно описан в [8-9].
Синтез осуществляется в мономерной среде, блок полимеризации мономеров
композиции затем переводят в стеклообразное состояние. В результате синтеза
сохраняется внутренняя целостность, однородность и высокая прозрачность
композиции. Растворимые соли металлов, особенно ацетаты галогенов,
используются в качестве металлсодержащих предшественников во время
синтеза, а сероводород используется в качестве серосодержащих веществ.