ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 1, с. 115-117
СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535.372+538.958
ТУШЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА ПРИ ДОПИРОВАНИИ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ CdSe/ZnS
© 2015 г. М. А. Курочкина, Е. А. Коншина
Университет ИТМО, 197101 Санкт-Петербург, Россия E-mail: kurochkina.margarita@gmail.com Поступила в редакцию 23.06.2014 г.
Исследованы спектрально-люминесцентные свойства суспензии на основе нематического жидкого кристалла, допированного полупроводниковыми квантовыми точками CdSe/ZnS с размером ядра 5.0 нм. Обнаружены существенное уменьшение люминесценции жидкого кристалла до 94% при концентрации квантовых точек около 0.2 вес. % и гипсохромный сдвиг максимума на 20 нм.
DOI: 10.7868/S003040341501016X
ВВЕДЕНИЕ
Использование жидкокристаллических сред, допированных наночастицами, открывает новые пути совершенствования характеристик фотонных устройств на их основе. Полупроводниковые квантовые точки (КТ) являются одним из хорошо изученных типов наночастиц [1]. Диэлектрические и вязкоупругие свойства жидкого кристалла (ЖК) изменяются при вариации концентрации и размеров КТ [2—4]. Допирование КТ существенно влияет на оптические, электрические и динамические характеристики электроуправляемых ЖК-ячеек [5—7]. Проведение исследований таких сред является актуальным для улучшения характеристик ЖК-дисплеев и других оптических ЖК-устройств отображения и обработки информации и совершенствования ЖК-технологии. В связи с этим спектральные исследования оптических свойств нематического жидкого кристалла (НЖК), допированного полупроводниковыми КТ, представляет как научный, так и практический интерес.
Увеличение концентрации КТ Сё8е в полимерной ЖК-матрице вызывало красный сдвиг экситонного пика фотолюминесценции (ФЛ) и трансформацию его длинноволнового плеча. Эти явления объясняются эффектом перепоглощения света КТ, влиянием электронных состояний на границе КТ Сё8е—ЖК и переносом энергии от КТ в полимерную ЖК-матрицу. Было обнаружено, что кинетика ФЛ хорошо описывается суммой экспоненциальных зависимостей со временами жизни 9 и 45 нс, что значительно меньше величин, полученных для коллоидных КТ Сё8е. Внедрение КТ в структуру нанокомпозита приводит к дополнительным дефектам, укорачивающим времена жизни, и дает вклад в дефектную полосу ФЛ [8].
В настоящей работе представлены результаты исследования спектров поглощения и люминесценции НЖК с положительной диэлектрической анизотропией и его суспензий с гидрофобными полупроводниковыми КТ CdSe/ZnS разной концентрации.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для приготовления суспензий ЖК с КТ использовали НЖК ЖК-1289 (НИОПИК, Москва) на основе смеси алкилцианобифенилов и гидрофобные сферические КТ типа ядро/оболочка CdSe/ZnS, полученные методом высокотемпературного металлоорганического синтеза [9] в Институте физико-химических проблем БГУ (Минск). Нанокристаллы CdSe/ZnS имели ядро CdSe диаметром около 5.0 нм и оболочку ZnS толщиной около двух монослоев. Они обладают узким (менее 5%) распределением по размерам и квантовым выходом люминесценции с длиной волны 630 нм до 20%. Поверхность КТ CdSe/ZnS была покрыта слоем поверхностно-активных молекул триоктилфосфиноксида (TOPO) [10].
Суспензии получали путем добавления навески сухих КТ в ЖК в нематической мезофазе с последующим их перемешиванием ультразвуком в течение 2 ч. Концентрация полученных суспензий с КТ варьировала в интервале 0.07—0.22 вес. %. Спектры поглощения исследуемых суспензий регистрировались на спектрофотометре UVProbe 3600 (Shimadzu, Япония), спектры люминесценции были получены с использованием спектро-флуориметра "Carry Eclipse" (Varian, Australia). Измерения проводились при комнатной температуре.
На рис. 1 представлены спектры поглощения и ФЛ НЖК (1 и 2) и растворов КТ в толуоле (3, 4).
115
8*
116
КУРОЧКИНА, КОНШИНА
Рис. 1. Спектры поглощения (сплошная) и люминесценции (пунктирная) НЖК ЖК-1289 (1, 2) и КТ CdSe/ZnS с диаметрами ядра 5.0 нм (3, 4) в растворе толуола.
Спектр люминесценции НЖК регистрировался при возбуждении светом с длиной волны 320 нм, а КТ — 390 нм. На рис. 2 приведены спектры люминесценции чистого ЖК и суспензий с разной концентрацией КТ, полученные при возбуждении светом с длиной волны 320 нм. Изменение относительной интенсивности ФЛ суспензий НЖК при возбуждении светом 320 нм в зависимости от концентрации КТ иллюстрирует рис. 3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В спектре поглощения ЖК на рис. 1 наблюдаются 2 пика на длинах волн 265 и 314 нм. Структура спектра поглощения НЖК может быть связана с присутствием в смеси молекул с разными ал-кильными концевыми группами. Максимуму люминесценции ЖК соответствует длина волны 414 нм, а КТ — 630 нм. При добавлении КТ CdSe/ZnS наблюдалось тушение люминесценции НЖК (рис. 2), интенсивность которой уменьшалась с увеличением концентрации от 0.07 до 0.22 вес. %.
Тушение люминесценции ЖК сопровождалось гипсохромным сдвигом максимума интенсивности на длине волны 414 нм на ~20 нм. На рис. 3 приведена зависимость относительной интенсивности люминесценции ЖК 1/10 от концентрации КТ CdSe/ZnS в суспензии при возбуждении светом с длиной волны 320 нм.
Изменение относительной интенсивности люминесценции ЖК на длине волны 414 нм при добавлении КТ в зависимости от их концентрации (рис. 3) свидетельствует о том, что процесс тушения люминесценции ЖК имеет экспоненциальный характер. С увеличением концентрации КТ в суспензии тушение люминесценции НЖК растет, и при концентрации около 0.22 вес. % интенсивность люминесценции ЖК снижается на 94% по сравнению с начальным значением.
Подобные изменения наблюдались при взаимодействии наночастиц золота с ЖК 5СВ. Значительное тушение ФЛ мезофазы наиболее сильно выражалось в спектральной области излучения эксимеров, а также в преддимерных состояниях
К
К ^
X
Я о
X
X %
2 ч л н о о
X «
к
о X
н X
И
10
350 400 450 500 550 600
Длина волны, нм
п 15
5
0
Рис. 2. Спектры люминесценции суспензий НЖК, допированного КТ CdSe/ZnS с концентрациями в вес. %: 1 — 0, 2 — 0.07, 3 — 0.09, 4 — 0.13, 5 — 0.22, при возбуждении светом с длиной волны 320 нм.
ТУШЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА
117
I/I0, отн. ед. 1.01- ■
0.5
0 0.08 0.16 0.24
Содержание КТ, вес.%
Рис. 3. Изменение относительной интенсивности люминесценции НЖК в зависимости от концентрации КТ С(18е^п8 в суспензиях при возбуждении светом 320 нм.
цианобифенила. Такой эффект связан с безызлу-чательным переносом энергии возбуждения от молекулярных ассоциатов ЖК к металлическим наночастицам. Наблюдаемый эффект связывали с высокой эффективностью молекул 5СВ в возбужденном состоянии и сильным взаимодействием их с металлическими наночастицами [11]. Результаты исследований люминесценции НЖК, допированного наночастицами серебра, свидетельствовали о зависимости интенсивности ФЛ от концентрации наночастиц. Пик интенсивности ФЛ ЖК увеличивался с повышением концентрации наночастиц, а затем при определенной концентрации начинал уменьшаться [12].
В нашем случае изменение люминесценции ЖК при допировании его полупроводниковыми КТ Сё8е^п8 может быть связано как с переносом электрона или дырки, так и экситона от донора к акцептору [13], где в качестве донора могут выступать молекулы ЖК, а акцептора — КТ. Детальное исследование взаимодействия КТ с молекулами НЖК позволит дать более точный ответ о природе наблюдаемого явления тушения люминесценции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты свидетельствуют о существенном изменении спектрально-люминес-
центных свойств НЖК при допировании его полупроводниковыми КТ Сё8е^п8 с размером ядра 5 нм. Уже при концентрации КТ около 0.07 вес. % наблюдалось существенное тушение люминесценции ЖК, которое достигало 94% при их концентрации около 0.22 вес. %. Наблюдаемое явление свидетельствует об эффективном взаимодействии между КТ и молекулами ЖК в возбужденном состоянии.
Авторы благодарны проф. В.Г. Маслову за обсуждение результатов эксперимента. Работа выполнялась в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России и при финансовой поддержке Университета ИТМО в рамках проекта "Исследование оптических и диэлектрических свойств нематического жидкого кристалла, допированного квантовыми точками Сё8е^п8".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mirzaei J., Reznikov M., Hegmann T. // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. P. 22350.
2. Basu R., Iannacchione G.S. // Phys. Rev. 2009. V. 80. P. 010701.
3. Kinkead B., Hegmann T.J. // Mater. Chem. 2010. V. 20. P. 448.
4. Kumar A., Biradar A.M. // Phys. Rev. E. 2011. V. 83. P. 041708.
5. Коншина Е.А., Гавриш Е.О., Орлова А.О., Артемьев М.В. // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. В. 21. С. 47.
6. Konshina E.A., Galin I.F., Gavrish E.O., Vakulin D.A. // AIP Adva^es. 2013. V. 3. P. 082104.
7. Konshina E.A., Galin I.F., Gavrish E.O. // Universal J. Materials Science. 2014. V. 2. № 1. P. 1.
8. Мерекалов А.С., Тальрозе Р.В. // ФТП. 2013. Т. 47. С. 633.
9. Dabbousi B.O., Rodriguez-Viejo J., Mikulec F.V., Heine J.R., Mattoussi H., Ober R., Jensen K.F., Bawend M.G. // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. P. 9463.
10. Orlova A.O., Gromova Yu.A., Savelyeva A.V., Mas-lov V.G., Artemyev M.V., Prudnikau A., Fedorov A.V., Baranov A.V. // Nanotechnology. 2011. V 22. P. 455201.
11. Пирятинский Ю.П., Вахнин А.Ю., Вербицкий А.Б., Кадащук А.К. // ФТТ. 2011. Т. 53. С. 2216.
12. Huang S.-Y, Ping C.-C, Tu L.-W, Kuo C.-T. // Mol. Cryst.& Liq. Cryst. 2009. V. 507. P. 301.
13. Greenham N.C., Peng X., Alivisatos A.P. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 24. P. 17628.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.