От лаборатории к принтеру: технология печати «чернилами» из квантовых точек ускорит производство солнечных батарей

Сотрудники Центра испытаний функциональных материалов МФТИ разработали новый тип чернил для прямой печати фоточувствительных элементов на основе нанокристаллов сульфида индия-серебра (AgInS₂). Ученым впервые удалось получить стабильный коллоидный раствор, который можно наносить на подложку с помощью микроплоттера, минуя сложные и дорогие этапы послойной обработки. Созданные таким образом фоторезисторы продемонстрировали отчетливый фотоотклик при облучении лазером с длиной волны 405 нанометров, что открывает перспективы для производства гибкой электроники, оптических сенсоров и элементов «умных» дисплеев. Работа, поддержанная Министерством науки и высшего образования РФ, опубликована в журнале «Прикладная физика».

Коллоидные квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы размером всего несколько нанометров, способные светиться и поглощать свет в диапазоне длин волн, зависящих от их размера. Это свойство делает их идеальными кандидатами для создания новых поколений дисплеев, солнечных батарей и фотодетекторов. Однако они имеют существенное ограничение: их синтез требует использования длинных органических молекул-стабилизаторов — изолирующих лигандов, которые окружают каждый нанокристалл и мешают электрическому току проходить между ними. Чтобы сделать пленку проводящей, ученым приходится прибегать к многоэтапной процедуре замены изолирующих лигандов на короткие молекулы непосредственно в уже нанесенном слое. Это неэффективно и сложно технологически.

Группа ученых под руководством старшего научного сотрудника Ивана Шуклова предложила кардинально иной подход: заменить изолирующие лиганды еще на этапе получения коллоидного раствора, превратив его в готовые к печати «чернила». Объектом исследования стал сульфид индия-серебра — полупроводниковый материал, который все чаще рассматривается как экологически безопасная альтернатива широко используемому, но токсичному селениду кадмия.

«Нам впервые удалось получить чернила на основе коллоидных нанокристаллов с заменой лигандов еще на начальном этапе. Наш подход позволяет заменить громоздкую процедуру замены на простой одностадийный процесс в растворе, что критически важно для масштабирования технологии. Обычно коллоидные квантовые точки, используемые для получения фоточувствительного слоя, имеют толстый слой изолируемой шубы из лигандов. Но в процессе создания пленки нам требуется процедура переодевания, так как в конечном продукте эта шуба уже мешает.

Изготовление чернил позволяет нам готовить коллоидный раствор сразу без шубы, но здесь возникает уже следующая проблема: такие системы очень плохо живут. Поэтому чернила не использовались. Но в ходе исследований нам впервые удалось зафиксировать стабильное состояние и получить конечный фоточувствительный слой с уже замененными лигандами»,— прокомментировал исследование Иван Шуклов.

Главная сложность заключалась в том, чтобы подобрать химическую систему, которая позволила бы нанокристаллам AgInS₂ сохранять стабильность в новом растворителе — диметилформамиде — без слипания и выпадения в осадок. Ученые перепробовали различные комбинации солей и стабилизаторов и обнаружили, что идеальным «дуэтом» для замены исходных длинных карбоксилатных лигандов выступают бутиламин и меркаптоэтанол. При этом процесс замены контролировался визуально: после добавления реагентов наночастицы, плавающие в гидрофобной органической фазе, переходили в гидрофильную, меняя цвет раствора. Для подтверждения полноты замены исследователи использовали инфракрасную спектроскопию. Спектры показали, что сигналы от длинноцепочечных молекул исходной оболочки практически исчезли, уступив место характерным пикам новой короткоцепочечной оболочки.

Полученные чернила сохраняют свои свойства в течение двух недель без существенной агломерации. Этого времени достаточно для того, чтобы использовать их для печати.

«Наша технология скорее напоминает струйный принтер. Получить светочувствительный элемент возможно прямой печатью на подложке.

Это очень удобно и дает нам возможность печати даже на кривых поверхностях, плюс сам процесс не требует дополнительных этапов обработки. Кроме того, мы впервые создали функциональные чернила без токсичного кадмия, использование которого несет дополнительные требования к производственной безопасности и повышает риск загрязнения окружающей среды при утилизации устройств. Именно это является одним из важных сдерживающих факторов для распространения технологий на его основе»,— отметил Иван Шуклов.

Для нанесения функциональных структур был выбран микроплоттер SonoPlot GIX Microplotter II. Эта технология позволяет работать с вязкими жидкостями, что значительно превышает возможности обычных струйных принтеров и обеспечивает точность позиционирования до 5 микрометров. Ученые наносили полученные чернила на подложки из оксида кремния, создавая миниатюрные фоторезисторы. Атомно-силовая микроскопия подтвердила высокую однородность напечатанных пленок, что является ключевым условием для стабильной работы электронных устройств.

В ближайших планах исследователей — дальнейшее улучшение фотоэлектрических характеристик полученных структур и адаптация разработанных чернил для печати более сложных многослойных устройств, например фотодиодов или элементов солнечных батарей.