Скобєєва В.М., Малушин В.В., Менчук В.В., Баранов О.О., Райко І.В.

Національний університет імені І.І. Мечникова, м. Одеса.

Спосіб отримання наночастинок сульфіду кадмію для люмінофорів

Спосіб відноситься до технології отримання наночастинок сульфіду кадмію і може бути використаний в електронній промисловості для виготовлення люмінесцентних пристроїв.

Недоліками відомих способів виробництва сульфіду кадмію є низький вихід кінцевих продуктів, необхідність застосування токсичного сірководню, нерівномірність гранулометричного складу осаду, неможливість одержання частинок з малим розміром (порядку одиниць нанометрів), що суттєво впливає на інтенсивність люмінесценції сульфіду кадмію.

Задачою, на рішення якої спрямовано розроблений спосіб, є отримання наночастинок сульфіду кадмію з малим розміром (середній радіус 2÷6 нм), які мають велику питому поверхню, що забезпечує отримання технічного результату - багаторазове підвищення інтенсивності люмінесценції при використанні наночастинок CdS в якості люмінофорів.

Спосіб, що пропонується полягає в тому, що у водний розчин желатини з концентрацією 3÷7% вливають водний 0.025 М розчин нитрату кадмію Cd(NO₃)₂ і при безперервному перемішуванні з швидкістю 250 об/мін при температурі розчинення желатинового студню (40^о С) приливають 0,25 М водного розчину сульфіду натрію Na₂S. В результаті хімічної реакції між нитратом кадмію і сульфідом натрію в водному розчині желатини утворюються наночастинки сульфіду кадмію CdS, які, завдяки стабілізуючої властивості желатини, не коагулюють і знаходяться у взмуленому стані. Після закінчення хімічної реакції отриманий розчин, який містить вирощені наночастинки сульфіду кадмію, поливають на поверхню підкладки для люмінофору і висушують при температурі 25^оС. У якості підкладки можуть бути використані такі матеріали, як скло, кварц, органічні плівки, металева фольга. В процесі висушування відбувається полімерізація желатини. В результаті отримують забарвлену у жовтий колір прозору плівку, яка складається із наночастинок сульфіду кадмію, що дисперговані в полімеризованій желатині.

На фото приведено зображення зовнішнього вигляду зразка, що отриманий за способом, який пропонується. Видно, що отримана плівка є однорідною, прозорою, не здатною до спотворення зображення тексту.

Товщина плівки може змінюватись в інтервалі від 2 до 50 мкм. Розмір поверхні зразків визначається розміром підкладки.

Плівка, при необхідності, може бути відокремлена від підкладки і може уявляти собою люмінесціруючий об’єкт, який володіє гнучкими і еластичними властивостями полімеру і випромінювальними характеристиками напівпроводникового матеріалу.

Розміри синтезованих наночастинок розраховували із спектрів поглинання, згідно методики, яка опублікована у роботі: Н.Р.Кулиш, В.П.Кунец, М.П.Лисица. Определение параметров полупроводниковых квантовых точек в стеклянных матрицах из спектров поглощения, люминесценции и насыщения оптического поглощения. // Физика твердого тела. – 1997. – Т.39. - №10. – С.1865 – 1870.

Інтенсивність люмінесценції вимірювали у відносних одиницях шляхом порівняня з еталонним люмінофором – флюоресцином, енергетичний вихід люмінесценції якого дорівнює 80% і спектральнй склад люмінесценції якого не залежить від довжини хвилі збуджуючого світла згідно стандартної методики, яка надана у монографії: В.Л.Левшин. Фотолюминесценция жидких и твердых веществ. М.-Л. Гостехиздат, 1951-с.64

Описаний спосіб дозволяє у декілька разів підвищити інтенсивність люмінесценції зразків.

Багаторазове випробування описаного способу було проведено в лабораторії напівпровідникової електроніки Науково-дослідного інституту фізики Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова.

Результати вимірювань інтенсивності люмінесценції та розрахованих середніх радіусів синтезованих наночастинок приведені у таблиці.

Таблиця

Залежність інтенсивності люмінесценції наночастинок сульфіду кадмію від концентрації розчину желатини і середнього радіусу наночастинок сульфіду кадмію

№ прикладу	Концентрація розчину желатини,%	Середній радіус частинок CdS,	Інтенсивність люмінесценції, відн.од.
1	1	5.0-6.0 нм	3
2	3	4.0-4.5 нм	7
3	5	2.8-3.2 нм	10
4	7	1.8-2.2 нм	8
5	менш ніж 1% , більш ніж 7 %	7-15 нм -	1 -

Порівняльний аналіз інтенсивності світіння наночастинок CdS за прикладами показує, що найбільшу інтенсивність світіння мають зразки, отримані за прикладами №2÷№4 і відповідають концентрації желатини 3% ÷7%.

При здійсненні запропонованого способу при концентраціях желатинового розчину менш ніж 1% і більш ніж 7 % синтез наночастинок ускладнюється через те, що:

- при концентраціях желатинового розчину менш ніж 1% концентрація молекул желатини у розчині була недостатньою для стабілізації росту усіх наночастинок, в результаті чого спостерігалася значна дисперсія розмірів наночастинок, а також погіршувалася здатність желатини до утворення гелю, що не забезпечувала необхідні міцностні характеристики плівок.

- при концентраціях желатинового розчину більш ніж 7% в’язкість желатинового розчину дуже зростала, що погіршувало дифузійні властивості реагуючих компонентів, власлідок чого синтез наночастинок сульфіду кадмію не відбувався.

Позитивний ефект від реалізації запропонованого способу пов’язаний з такими факторами:

- завдяки стабілізаційним властивостям желатинового розчину відбувається обмеження середнього радіусу частинок сульфіду кадмію до нанорозмірів (2 - 6 нм);

- здійснюється збільшення ефективності люмінесценції наночастинок сульфіду кадмію в порівнянні з мікрокристалами за рахунок того, що, внаслідок збільшення відношення поверхні до об’єму, концентрація центрів світіння, які локализовані на поверхні наночастинок на декілька порядків більше ніж в мікрокристалах;

- здійснюється поліпшення умов праці за рахунок використання нетоксичного водного розчину сульфіду натрію замість токсичного і небезпечного для здоров’я людини газоподібного сірководню.

- робоча площа зразків може мати великі розміри в залежності від пристрою, де буде використовуватися люмінофор, отриманий наливанням суспензії наночастинок на будь яку велику площу люмінофора.

Економічні та екологічні переваги запропонованого способу базуються на використанні для виготовлення наночастинок екологічно безпечної, дешової речовини - желатини, типового хімічного обладнення, доступності та малокоштовності реагентів, що використовуються. На наш розрахунок люмінофори які виготовлені за запропонованим способом коштують у 5 разів дешевше, ніж люмінофори, що отримувались раніше. Спосіб є неенергомістким завдяки відсутності технологічних операцій при високих температурах.

Інтенсивність випромінення зразків виготовлених відомими способами складає 10% ÷14% від інтенсивності зразків, що отримані по пропонуємому (приклади №2÷№4). Таким чином, пропонуємий спосіб по ряду споживчих властивостей, особливо по інтенсивності люмінесцентного випромінення, суттєво перевищує раніше відомі способи.

Розроблений спосіб отримання наночастинок сульфіду кадмію для люмінофорів захищено Патентом України №29893.