Живые чернила

Сотрудники Центра испытаний функциональных материалов МФТИ разработали новый тип чернил на основе нанокристаллов сульфида индия-серебра (AgInS₂). Впервые удалось получить стабильный коллоидный раствор, который можно наносить на подложку с помощью микроплоттера, минуя сложные и дорогостоящие этапы послойной обработки. Напечатанные таким образом фоторезисторы продемонстрировали отчетливый фотоотклик при облучении лазером с длиной волны 405 нм, что открывает перспективы для гибкой электроники, оптических сенсоров и элементов «умных» дисплеев.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования РФ и опубликована в журнале «Прикладная физика».

Ключевая особенность метода — замена изолирующих лигандов, которыми обычно окружены коллоидные квантовые точки, еще на этапе получения раствора, а не после нанесения пленки. Это позволило превратить раствор в готовые к печати чернила и отказаться от многоступенчатой процедуры «переодевания» нанокристаллов непосредственно в слое. Кроме того, AgInS₂ рассматривается как экологически безопасная альтернатива токсичному селениду кадмия.

О том, зачем понадобилось «раздевать» нанокристаллы, почему чернила живут всего две недели и что важнее для будущих дисплеев — гибкость или дешевизна, «Ъ-Науке» рассказал старший научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов МФТИ, кандидат химических наук Иван Шуклов.

— Зачем вообще «раздевать» нанокристаллы, если они хорошо работают в «шубе», и почему это было невозможно сделать раньше?

— Коллоидные нанокристаллы для приложений в фотосенсорике работают только в виде массивов «переодетых» нанокристаллов, которые вместе составляют фоточувствительную пленку. Подобные системы более капризны и тяжелы в разработке по сравнению с коллоидными растворами, стабилизированными длинноцепочечными лигандами. Например, стабильные коллоидные растворы нанокристаллов сульфида свинца, пригодные для создания фоточувствительных слоев, были впервые опубликованы в 2014 году. Это были первые примеры «чернил» на основе коллоидных нанокристаллов.

— Кадмий токсичен, индий дорог. Насколько новая технология экологичнее и экономически состоятельнее по сравнению с обычной фотолитографией?

— Стоит отметить, что цена высокочистых элементов, а именно кадмия и индия, отличается не так сильно, а количество наноматериала исчисляется миллиграммами.

Новая технология, вне сомнения, намного экологичнее, чем применение халькогенидов кадмия. Более того, она намного экологичнее фотолитографии, так как почти не предполагает многочисленных отходов, связанных с нанесением/удалением фоторезиста, использования проявителя и других химикатов. В данном случае создание фоточувствительного слоя практически не предполагает отходов, так как весь материал будет расходоваться на создание фоточувствительной пленки.

— Чем принципиально отличается «печать» фоторезистора микроплоттером от того, как это делается на современных заводах, и почему это называют «революцией для гибкой электроники»?

— На данный момент доминирующими технологиями в электронике являются технологии литографии, и в первую очередь фотолитографии. Эта технология предполагает много вспомогательных операций для создания элементов, включая фоторезисторы. Печатные технологии позволяют кратно уменьшить количество операций для достижения той же цели и, таким образом, повысить экономичность и экологичность производства.

— Что важнее для будущих дисплеев — что они будут гнуться или что их можно будет производить дешево и без сложных цехов? Что дает эта разработка в первую очередь?

— В большинстве случаев применимость технологий определяется ее стоимостью. Многие экологичные решения, такие как, например, биотопливо для автомобилей, были отвергнуты сто лет назад из-за их дороговизны.

Наша разработка в текущем ее виде имеет прежде всего научный интерес, но она же открывает широкие перспективы для внедрения широкого класса новых наноматериалов для печатной электроники. Я думаю, что экономика в данном случае более важна.

— В чем главное открытие: в новой химии, в новом способе печати или в том, что удалось совместить то и другое?

— Открытие состоит в том, что нам впервые удалось получить первый стабильный коллоидный раствор, пригодный для создания фотопроводящих слоев прямым нанесением, то есть чернила, для нового класса полупроводниковых нанокристаллов — тройных халькогенидов на примере AgInS₂. Это было достигнуто подбором замещающих лигандов и стабилизирующих реагентов.

— Срок жизни чернил — всего две недели. Это фундаментальное ограничение или технологическая проблема, которую можно решить?

— Без сомнения, срок жизни чернил можно продлить за счет дальнейшей оптимизации системы. К тому же это не создает существенных проблем, так как чернила можно изготавливать непосредственно перед печатью из коллоидного раствора нанокристаллов с практически бесконечным сроком хранения.

— Где этот фоторезистор будет полезен прямо сейчас, а где — через пять-десять лет: «умные» окна, медицинские сенсоры, космос или что-то совсем неочевидное?

— Полученный фоторезистор является скорее демонстратором технологии и ее принципиальных возможностей, чем конечным продуктом. Дальнейшая оптимизация технологии для нанокристаллов AgInS₂, обладающих поглощением как в видимой области, так и в ближнем ИК-диапазоне, может, например, привести к созданию нового поколения медицинских сенсоров.

— Почему научная группа МФТИ выбрала именно сульфид индия-серебра, а не, скажем, перовскиты или органические полупроводники, и что говорит этот выбор о стратегии российских материаловедов?

— Сульфид индия-серебра обладает очень высокой гидролитической стабильностью по сравнению с перовскитами, что предполагает его большую технологичность. По сравнению с органическими полупроводниками он обладает более высокой окислительной стойкостью к кислороду воздуха.

— Если эту технологию удастся масштабировать, какие отрасли промышленности пострадают первыми, а кто, наоборот, выиграет?

— Производители фотолитографических установок и все, что связано с этим, пострадают. В выигрыше, естественно, окажутся все те, кто может удешевить производство фоточувствительных слоев в датчики интенсивности света, фото- и видеокамерах, носимой электронике и т. д.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки