При производстве кремниевых наноструктур, востребованных в разных областях промышленности, обычно используется достаточно токсичная плавиковая кислота. Сотрудники МГУ имени М. В. Ломоносова нашли способ, как избежать её применения.
Открытие учёных МГУ может найти применение в промышленном производстве основанных на нанокремнии антиотражающих покрытий для солнечных батарей, оптических сенсоров для обнаружения различных молекул, наноконтейнеров для доставки лекарств. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (РНФ), его результаты опубликованы в престижном международном журнале Frontiers in Chemistry.
Наноструктуры на основе кремния востребованы и применяются крайне широко: их используют в электронике, биомедицине, оптоволоконной оптике, солнечной энергетике и многих других областях. Особый интерес сейчас вызывают кремниевые нанонити диаметром около 100 нм. Такие нанонити находят применение в производстве транзисторов, чувствительных сенсорных элементов, в солнечных батареях, и как носители для таргетированной доставки лекарств.
Для получения массивов таких нанонитей обычно используют метод металл-стимулированного химического травления пластин монокристаллического кремния в растворе плавиковой кислоты. Но плавиковая кислота токсична для окружающей среды и человека, а симптомы отравления ею тяжело распознать. Для масштабного промышленного производства кремниевых нанонитей необходимо найти менее токсичные способы их получения, и команда учёных МГУ имени М.В. Ломоносова предложила вариант решения этой проблемы.
Микрофотографии разных форм кремниевых нанотией, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа
«В данной работе был модифицирован метод металл-стимулированного химического травления для получения кремниевых нанонитей, где плавиковая кислота (HF) была заменена на гораздо менее токсичный фторид аммония (NH4F). Электрохимическими методами исследован механизм образования нанонитей на поверхности подложек монокристаллического кремния, — рассказывает ведущий автор исследования, младший научный сотрудник физического факультета МГУ Кирилл Гончар. — Исследованы структурные и оптические свойства полученных кремниевых нанонитей, также и в зависимости от рН растворов, которые использовались для изготовления наноструктур. Было показано, что форма нанонитей изменяется от вертикальной к пирамидальной с увеличением рН травящего раствора».
Полученные образцы обладают крайне низкой отражающей способностью (вплоть до 5%) в видимом диапазоне светового спектра. Эта особенность более выражена для образцов с пирамидальной структурой. Она позволяет использовать такие нанонити для создания антиотражающего покрытия для солнечных батарей. Учёные также отмечают, что в произведённых их методом кремниевых нанонитях наблюдается усиление локализации света. Это свойство может быть также использовано для создания чувствительного элемента оптического сенсора на различные молекулы.
Исследование выполнено в новой Лаборатории физических методов биосенсорики и нанотераностики под руководством Любови Осминкиной на физическом факультете МГУ. Эта лаборатория учреждена в рамках Программы по созданию новых лабораторий под руководством молодых ученых в МГУ «Зелёный свет». В исследовании также принимали участие учёные химического факультета, факультета наук о материалах МГУ, а также сотрудники Института биологического приборостроения РАН.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение