Все на борьбу с токсичностью

Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова разработали методику синтеза кремниевых нанонитей с помощью металл-стимулированного травления, где вместо плавиковой кислоты (HF) использовался более безопасный и экологически чистый фторид аммония (NH₄F). Результаты исследования ученые опубликовали в журнале Nanoscale Research Letters.

Кремниевые нанонити — это вытянутые вдоль одного направления, практически параллельные друг другу наноструктуры, похожие на нити, провода или столбы, выращенные на кремниевой подложке. Диаметр нанонитей, полученных металл-стимулированным химическим травлением, как правило варьируется от 50 до 200 нм, расстояние между нанонитями может составлять от 100 до 500 нм. Длина нанонитей, в зависимости от времени травления, составляет от 100 нм до десятков микрон. Интерес к кремниевым нанонитям связан с их перспективным применением в микро- и оптоэлектронике, фотонике, фотовольтаике, сенсорике и даже в биомедицине, поскольку они являются не только биосовместимыми, но и биодеградируемыми (могут полностью растворятся в организме спустя некоторое время). Однако используемая в стандартном методе получения кремниевых нанонитей плавиковая кислота чрезвычайно токсична.

«Нами был использован двухступенчатый метод травления. На первом этапе серебряные наночастицы осаждались на поверхность кремниевой подложки. Но осаждались не ровным слоем, а островками. На втором этапе происходило травление кремниевой подложки в местах, покрытых серебром. Поэтому непокрытые серебром участки кремниевой пластины превращались в нанонити. Серебряные наночастицы "проваливались" внутрь кремниевой пластины, и чем дольше длилось травление, тем более длинные нанонити получались. В конце серебро удалялось с помощью азотной кислоты», — пояснил общую схему создания нанонитей младший научный сотрудник кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ Кирилл Гончар.

Исследователи из МГУ заменили опасную и токсичную плавиковую кислоту на фторид аммония на всех этапах химического травления, а также изучили оптические свойства кремниевых нанонитей, приготовленных таким способом, и сравнили их с нанонитями, полученными стандартным методом с использованием.

Кирилл Гончар рассказал, как возникла мысль использовать в синтезе нанонитей фторид аммония: «Идея использования фторида аммония для электрохимического травления кремния была известна уже более 20 лет назад, но не нашла широкого распространения. Мы являемся первыми, кто перешел к так называемой "зеленой химии", используя фторид аммония на всех этапах метода металл-стимулированного химического травления. При этом, что также было показано в нашей работе, структурные и оптические свойства полученных образцов являются фактически идентичными характеристикам нанонитей, полученных стандартным методом (с использованием плавиковой кислоты). Наша работа является перспективной в рамках масштабных промышленных нетоксичных производств кремниевых нанонитей».

Нанонити, полученные данным методом, имеют ряд преимуществ: в данных структурах наблюдается сильное рассеяние и локализация света в широком диапазоне спектра, вследствие чего полученные образцы обладают чрезвычайно низким полным отражением света (единицы процентов) как в УФ, так и в видимой области спектра. Кроме того, в наноструктурах наблюдается увеличение интенсивности межзонной фотолюминесценции кремния (1.12 эВ) и комбинационного рассеяния света по сравнению с исходными подложками кристаллического кремния. Помимо прочего, получаемые нанонити обладают также эффективной фотолюминесценцией в диапазоне 500-1100 нм.

Таким образом, пояснил Кирилл Гончар, были открыты огромные возможности для применения кремниевых наноструктур, полученных с помощью «зеленой химии»: это и использование в фотовольтаике в качестве антиотражающего покрытия для повышения эффективности солнечных батарей; и в сенсорике в качестве чувствительных элементов оптических сенсоров на различные вещества (за счет усиления интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света, которое является «отпечатком пальцев» молекул); в фотонике и в биомедицине (люминесцентные свойства).