Новый способ синтеза открывает «невозможные» нанокристаллы для светодиодов, имплантатов и сверхпроводников

Нанокристаллы стали важной частью современного материаловедения — квантовые точки, в частности, легли в основу Нобелевской премии по химии 2023 года. Однако, несмотря на их огромный потенциал, получать эти микроскопические кристаллы удавалось лишь из относительно узкого круга материалов.

Теперь химики Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории разработали метод получения нанокристаллов из нитридов металлов — технологически важной группы материалов, которая не поддавалась традиционному синтезу нанокристаллов. Исследование, опубликованное в Nature, может расширить возможности электроники и других приложений, включая гибкое освещение и медицинские имплантаты.

«Нам удалось показать, как получить серию из почти дюжины материалов, которые невозможно было синтезировать традиционными методами», — рассказал аспирант Чикагского университета Руймин Лин, первый автор статьи.

Нитриды металлов уже широко применяются в технике и производстве. Например, нитрид галлия используется в значительной части современных технологий освещения — от светодиодных ламп до экранов ноутбуков.

Превращение этих материалов в нанокристаллы может значительно расширить способы их применения. Вместо того чтобы ограничиваться в основном жёсткими плёнками, нанокристаллы нитридов металлов в перспективе можно будет смешивать с полимерами, наносить струйной печатью или встраивать в ткани и другие гибкие устройства.

«Это расширяет границы области за пределы того, что раньше считалось фундаментальными ограничениями, и закладывает основу для использования нитридов в качестве наноматериалов», — отметил Дмитрий Талапин, выдающийся профессор химии и молекулярной инженерии имени Эрнеста ДеВитта Бёртона в Чикагском университете, учёный Аргоннской национальной лаборатории и руководитель работы.

Нанокристаллы — это предельно малые кристаллы: на ногте поместились бы миллионы или даже миллиарды таких частиц. На этом масштабе материалы могут вести себя совершенно иначе — например, ярко светиться или особенно эффективно ускорять химические реакции. В принципе, нанокристаллы должны быть доступны из огромного разнообразия веществ, однако на практике многие материалы оказалось трудно или невозможно получить в такой форме.

Внимание группы Талапина обратилось к нитридам металлов — соединениям, образующимся при взаимодействии металлов с азотом. Как класс эти материалы прочны, биосовместимы и устойчивы к нагреву и коррозии. Эти качества делают их ценными, например, для потребительской электроники. Но та же стабильность, которая делает их полезными, крайне затрудняет их формирование в виде нанокристаллов.

По мере роста кристалла его ионам нужна свобода перестраиваться, прежде чем они займут окончательные положения. Этот процесс чем-то похож на то, как партнёры меняются местами во время танца. Однако в нитридах металлов связи настолько прочны, что ионы гораздо менее охотно перестраиваются. «Если связи не могут разрываться в ходе этого процесса, для нанокристаллов это смертный приговор, — пояснил Талапин. — Как только образуется неправильная связь, всё идёт наперекосяк».

По словам исследователей, решение задачи потребовало двух ключевых шагов. Во-первых, лаборатория Талапина опиралась на прежнее открытие, показавшее, что расплавленные соли можно использовать в качестве жидкой среды процесса, помогающей стабилизировать нанокристаллы по мере их формирования. Затем учёные продолжали перебирать условия, пока не нашли «золотую середину» — сочетание температуры и давления аммиака, при котором связи между атомами металла и азота могут разрываться и восстанавливаться легче, позволяя кристаллической структуре правильно организоваться. «Этот процесс очень необычен — он противоречит здравому смыслу, сложившемуся в этой области, — сказал Талапин. — Нам пришлось полностью переосмыслить подход».

Метод сработал не только с нитридом галлия. Группа также получила нанокристаллы из нескольких родственных нитридных материалов, включая нитрид титана, применяемый в медицинских имплантатах; нитрид ниобия — важный промышленный сверхпроводник; и нитрид молибдена, который широко используется как катализатор.

Эти материалы полезны и при этом относительно недороги. Исследователи надеются, что превращение их в нанокристаллы позволит применять их в ещё более широком круге технологий. «Я помню, как впервые посмотрел в электронный микроскоп и увидел эти кристаллы, — вспоминает Лин. — Всегда надеешься, что сделанное тобой открытие найдёт применение. Думаю, применений будет много».

Среди соавторов из Чикагского университета также значатся Нинсинь Цзян, Удже Чо, Цзируй Чжоу, Ди Ван, Джастин Ондри, Цзехань Ми, Джеймс Кэссиди, Алекс Хинкл, Александр Филатов и Джон С. Андерсон. В работе использовались ресурсы Материаловедческого исследовательского центра Национального научного фонда при Чикагском университете, центра характеризации мягкой материи Чикагского университета и Центра наноразмерных материалов Аргоннской национальной лаборатории.

Работа поддержана Министерством энергетики США, Samsung QD Cluster Collaboration, Национальным научным фондом и Управлением научных исследований ВВС США.