Новий спосіб отримання кремнієвих нанонітей від фізиків МДУ

Співробітники фізичного факультету МДУ імені М.В. Ломоносова розробили методику синтезу кремнієвих нанонітей за допомогою метал-стимульованого цькування, де замість плавикової кислоти (HF) використовувався більш безпечний і екологічно чистий фторид амонію (NH4F). Результати дослідження вчені опублікували в журналі Nanoscale Research Letters.

Вчені фізичного факультету МДУ імені М.В. Ломоносова придумали новий, екологічно чистий спосіб отримання кремнієвих нанонітей, в якому замість плавикової кислоти (HF) використовується фторид амонію (NH4F). Кремнієві нанонити - це витягнуті вздовж одного напрямку, практично паралельні один одному наноструктури, схожі на нитки, дроти, або стовпи, вирощені на кремнієвій підкладці. Діаметр нанонітей, отриманих метал-стимульованим хімічним цькуванням, як правило варіюється від 50 до 200 нм, відстань між нанонітями може становити від 100 до 500 нм. Довжина нанонітей залежно від часу травлення може варіюватися від 100 нм до десятків мікрон. Інтерес до кремнієвих наноній пов'язаний з їх перспективним застосуванням в мікро- і оптоелектроніці, фотоніці, фотовольтаїці, сенсориці і навіть в біомедицині, оскільки кремнієві наноструктури є не тільки біосумісними, але і біодеградованими (можуть повністю розчиняться в організмі через деякий час). Однак використовувана в стандартному методі отримання кремнієвих нанонітей плавикова кислота надзвичайно токсична.

Отримання кремнієвих нанонітей метал-стимульованим цькуванням полягає в хімічному травленні кремнієвої пластини, де ініціатором цькування виступають металеві наночастинки, наприклад, срібла. "Нами був використаний двоступеневий метод цькування. На першому етапі срібні наночастинки осаджувалися на поверхню кремнієвої підкладки. Але осаджувалися не рівним шаром, а острівцями. На другому етапі відбувалося травлення кремнієвої підкладки в місцях, покритих сріблом. Тому непокриті сріблом ділянки кремнієвої пластини перетворювалися на нанонити. Срібні наночастинки «провалювалися» всередину кремнієвої пластини і чим довше тривало цькування, тим довші нанонити виходили. Наприкінці срібло видалялося за допомогою азотної кислоти ", - пояснює загальну схему створення нанонітей молодший науковий співробітник кафедри фізики низьких температур і надпровідності фізичного факультету МДУ Кирило Гончар.

Дослідники з МДУ замінили небезпечну і токсичну плавикову кислоту на фторид амонію на всіх етапах хімічного травлення, а також вивчили оптичні властивості кремнієвих нанонітей, приготованих таким способом, і порівняли їх з нанонітями, отриманими стандартним методом з використанням плавикової кислоти. Кирило Гончар пояснює, як виникла думка використовувати в синтезі нанонітей фторид амонію: "Ідея використання фториду амонію для електрохімічного цькування кремнію була відома вже понад 20 років тому, але не знайшла широкого поширення. Однак, ми є першими, хто перейшов до так званої «зеленої хімії», використовуючи фторид амонію на всіх етапах методу метал-стимульованого хімічного травлення. При цьому, що також було показано в нашій роботі, структурні та оптичні властивості отриманих зразків є фактично ідентичними характеристикам нанонітей, отриманих стандартним методом (з використанням плавикової кислоти). Наша робота є перспективною в рамках масштабних промислових нетоксичних виробництв кремнієвих нанонітей ".

"Нанонити, отримані представленому нами методом, мають ряд переваг: у даних структурах спостерігається сильне розсіювання і локалізація світла в широкому діапазоні спектру, внаслідок чого отримані зразки мають надзвичайно низьке повне відображення світла (одиниці відсотків) як в СФ так і у видимій області спектру; також у наших наноструктурах спостерігається збільшення інтенсивності міжзонної фотолюмінесценції кремнію (1.12 еВ) і комбінаційного розсіювання світла порівняно з вихідними підкладками кристалічного кремнію; крім іншого, одержувані наноніті володіють також ефективною фотолюмінесценцією в діапазоні 500 − 1100 нм.

"Таким чином, ми у своїй роботі відкрили величезні можливості застосувань кремнієвих наноструктур, отриманих за допомогою" зеленої хімії ". Це і використання у фотовольтаїці як антивідбивного покриття для підвищення ефективності сонячних батарей; і в сенсорику як чутливі елементи оптичних сенсорів на різні речовини (за рахунок посилення інтенсивності сигналу комбінаційного розсіювання світла, яке є «відбитком пальців» молекул); у фотоніці і в біомедицині (йдеться про люмінесцентні властивості матеріалу) ", пояснює Кирило.