Ученые разрабатывают ударопрочные материалы для оптоэлектронных технологий

Фото из открытых источников

Каждый день люди пожинают плоды работы ученых и инженеров по созданию более эффективных рентгеновских аппаратов, компьютеров, сотовых телефонов и телевизоров. Исследователи из Университета штата Флорида раздвигают границы этих технологий и разрабатывают новые, более экономичные и экологически чистые материалы для этих устройств.

Профессор химии и биохимии Биву Ма и его лаборатория потратили годы на новаторское использование гибридных материалов, известных как гибриды органических галогенидов металлов, или OMHH. Эти материалы сочетают в себе органические молекулы с металлогалогенными звеньями, в результате чего получаются структуры с легко манипулируемыми свойствами, которые используются в солнечных батареях, светоизлучающих диодах (LED) и многом другом. Этой осенью их работы, связанные с различными аспектами этих материалов, были опубликованы в трех разных научных журналах.

«Наша группа широко признана пионером в разработке этого нового класса гибридных материалов, известных как органические металлогалогенидные гибриды, или OMHH. Что интересно в этих материалах, так это их исключительная структура и настраиваемость свойств — как и при сборке деталей Lego, мы можем комбинировать органические и металлогалогенидные строительные блоки бесчисленными способами для производства материалов со всеми видами функциональности для использования в различных отраслях промышленности», — сказал Ма.

В статье, опубликованной в журнале Advanced Materials в ноябре, команда Ма продемонстрировала, как безразмерные OMHH служат светоизлучающими материалами в сочетании с металлогалогенидными перовскитами, создавая высокоэффективные белые светодиоды. Исследователи сложили два излучающих слоя материалов — один излучающий синий свет, а другой излучающий оранжевый и красный свет — для генерации белого света.

В дополнение к преобразованию электричества в видимый свет в светодиодах, 0D OMHH также могут преобразовывать высокоэнергетическое излучение, такое как рентгеновское излучение, в видимый свет. Это делает их идеальными для использования в рентгеновских сцинтилляторах, которые играют важную роль в медицинской визуализации, досмотре безопасности и промышленных химических испытаниях. Сцинтилляторы, которые позволяют визуализировать зубы у стоматолога или провозить багаж при досмотре в аэропорту, среди прочего, традиционно изготавливаются из неорганических материалов, требующих дорогостоящего производства при высоких температурах и высоком давлении.

Будучи первой исследовательской группой, сообщившей об использовании недорогих, экологически чистых 0D OMHH для рентгеновских сцинтилляторов в 2020 году, группа Ма была в авангарде продвижения этой технологии. Работа команды над светодиодами на протяжении многих лет получала постоянную поддержку со стороны Национального научного фонда, выпустив более десятка громких публикаций и выпустив несколько докторантов.

В другом исследовании, опубликованном в Advanced Functional Materials в сентябре, Ма и его команда описали, как новая форма 0D OMHH, обработанных в растворе аморфных пленок, может быть использована для производства рентгеновских сцинтилляторов большой площади. До этой работы почти все рентгеновские сцинтилляторы на основе 0D OMHH полагались на монокристаллы, выращенные в растворе, которые требуют трудоемкого синтеза и ограничены ограничениями по размеру. Команда Ма использовала аморфную природу сцинтилляторов, способствуя созданию высокопроизводительных сцинтилляторов, пригодных для обработки раствора.

Команда сотрудничает с несколькими научно-исследовательскими институтами для изучения приложений в лучевой терапии и компьютерной томографии с подсчетом фотонов, которая является радиологическим методом. Они также работают с промышленными партнерами над коммерциализацией сцинтилляторов на основе 0D OMHH, которые могут быть произведены экономически эффективно с использованием нетоксичного сырья, распространенного на Земле.

В статье из ACS Energy Letters, опубликованной в ноябре, команда Ма сотрудничала с исследователями из Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета в Буффало, чтобы изучить применение 0D OMHH в детекторах прямого рентгеновского излучения, которые преобразуют рентгеновские лучи в электрические сигналы.

В детекторах прямого рентгеновского излучения, широко используемых в медицинской визуализации и досмотре, традиционно используются такие материалы, как кремний и селен, которые имеют ограничения по производительности, адаптируемости и стоимости. В то время как такие материалы, как металлогалогенидные перовскиты, привлекли внимание благодаря своему потенциалу для улучшения рентгеновского обнаружения, нестабильность и токсичность остаются значительными препятствиями для широкого внедрения.

Команда продемонстрировала, что 0D OMHH представляют собой экологически чистую, недорогую альтернативу с такими преимуществами, как высокая чувствительность, низкие пределы обнаружения и солидная стабильность, что делает материалы многообещающим вариантом для целого ряда применений — от медицинской диагностики и визуализации до безопасности и научных исследований.