Перовскиты – класс материалов с общей формулой ABX₃; среди соединений, имеющих структуру перовскита, различают оксиды, галогениды, интерметаллиды. Структурой перовскита (или производной от него) обладают высокотемпературные сверхпроводники, ионные проводники, а также многие магнитные и сегнетоэлектрические материалы. В последние несколько лет особый интерес представляют гибридные (органо-неорганические) перовскиты на основе галогенидов свинца в качестве функциональных материалов в фотовольтаических устройствах, таких как перовскитные солнечные элементы, светодиоды, фотодетекторы, лазеры и т.д., благодаря их уникальным оптическим и электронным свойствам, таким как высокий коэффициент поглощения, низкая энергия связи экситонов, возможность настройки ширины запрещенной зоны, высокая подвижность носителей зарядов, а также высокая устойчивость к дефектам. Также перовскитные структуры успешно применяются в качестве сенсоров рентгеновского излучения.

Современные высоко качественные оптоэлектронные устройства, в частности светодиоды, производятся на основе полупроводников с прямой запрещенной зоной таких как арсенид галлия, селенид цинка и т.д., однако изготовление таких устройств – непростая задача, поскольку процесс их создания является трудоемким, дорогостоящим и энергозатратным. Перовскитные нанокристаллы на основе галогенидов свинца и цезия могут стать реальной альтернативой используемым полупроводникам. Перовскитные наночастицы CsPbX₃ обладают такими свойствами как широкий спектр поглощения и яркая по интенсивности полоса фотолюминесценции в видимой области спектра, большая диффузионная длина пробега фотовозбужденных носителей зарядов, а также возможность настройки полосы эмиссии путем изменения состава и размера наночастиц. Основным методом получения перовскитных наночастиц является коллоидный синтез, преимуществами которого являются простата получения материала и низкая стоимость.

Важной задачей Центра является создание фотосенсибилизаторов на основе комплексов переходных металлов для фотовольтаики. Перспективными представляются металлорганические соединения иридия(III) и рутения(II), которые способны эффективно улавливать солнечное излучение и участвовать в его преобразовании в электрический ток, то есть работать в солнечных батареях. Сотрудники Центра разработали и синтезировали органические молекулы-антенны на основе имидазола, производные которого широко распространены в живой природе, присоединение которых к рутению[1] (рис. 1) или иридию[2,3,4] многократно усиливало поглощение света полученных металлоорганических соединений по сравнению с отдельными компонентами.

Получены соединения иридия, обладающие панхроматическим поглощением (до 1000 нм, рис. 2).

Получены комплексы иридия с органическими лигадами, имеющими расширенную сопряженную систему (рис. 3). Соединения демонстрируют интенсивное поглощение света до 550 нм с молярными коэффициентами поглощения порядка 10 000 л/моль/см. Разработаны и синтезированы фотосенсибилизаторы, в которых осуществлен контроль локализации возбужденного состояния, что привело к увеличению эффективности преобразования солнечного света в электричество (рис. 4).

Одной из задач центра является создание люминесцентных материалов на основе редкоземельных элементов для биомедицины. Для этого проводятся исследования люминесцентных свойств малорастворимых гидроксосоединений РЗЭ. Направления исследований включают создание сенсорных материалов с люминесцентным откликом на изменение температуры или присутствие определенных молекул в растворе, создание гидрогелевых композиций с соединениями РЗЭ.

Люминесцентные материалы на основе слоистых гидроксидов РЗЭ

Слоистые гидроксиды РЗЭ – класс анионообменных малорастворимых соединений РЗЭ [1]. Эти соединения состоят из положительно заряженных металл-гидроксидных слоев, между которыми располагаются анионы – остатки органических или неорганических кислот. Интерес к данному классу материалов связан с возможностью сочетать специфические свойства лантанидов и интеркалированных в межслоевое пространство анионов. Нами разработаны физико-химические основы направленного синтеза слоистых гидроксидов РЗЭ (Y, Eu, Gd, Tb) заданного катионного и анионного состава. Показано, что ароматические карбоксилат- (изоникотинат, фталат, изофталат) и сульфобензоат- (сульфоизофталат, 2,4-диметилсульфоизофталат, 2-, 3- и 4-сульфобензоат) анионы сенсибилизируют люминесценцию катионов тербия и европия в слоистых гидроксидах РЗЭ [2].

Люминесцентные гидрогелевые композиты

Впервые предложена методика получения композитного материала на основе целлюлозы и слоистых гидроксидов редкоземельных элементов. Получены гидрогели на основе карбоксиметилцеллюлозы и смеси ПВС и сульфотированной целлюлозы со степенью набухания до 500%, содержащие люминесцентные частицы слоистых гидроксидов иттрия, легированных катионами тербия. Показана возможность загрузки (9 масс. %) лекарственного средства ибупрофена в полученные композитные гидрогели.

Проведенные исследования позволили синтезировать тройные слоистые гидроксиды гадолиния-европия-тербия, демонстрирующие яркую красную или зеленую люминесценцию в зависимости от содержания гадолиния. Цвет люминесценции также менялся при изменении температуры окружающей среды в физиологическом диапазоне (20–50 °C). Относительная термическая чувствительность полученных материалов достигала 2.9%·K⁻¹ [3].

Люминесцентные материалы на основе слоистых гидроксолактатов РЗЭ

В настоящее время ведутся работы по созданию сенсорных материалов на основе гидроксолактатов иттрия-европия-тербия. Получены ксерогели указанных соединений в форме бумагоподобных материалов. Показано, что водные растворы солей карбоновых кислот могут вызывать как изменение интенсивности, так и цвета люминесценцию ксерогелей гидроксолактатов иттрия-европия-тербия.

В рамках направления «электрохромные наноматериалы» решаются следующие задачи: разработка современных подходов к синтезу оксидных наноматериалов (в первую очередь на основе оксидов ванадия и вольфрама), получение устойчивых дисперсных систем на основе соответствующих наночастиц, формирование оксидных плёнок с применением получаемых дисперсных систем и печатных технологий, а также определение электрохромных характеристик создаваемых планарных наноструктур для оценки возможности их применения в качестве компонентов «умных» окон. Так, коллективом были изучены процессы жидкофазного синтеза ряда наноматериалов на основе оксидов вольфрама и ванадия, различающихся по размеру и форме частиц, которые были успешно применены при изготовлении прототипов электрохромных устройств (Рис. 1). При этом для нанесения функционального оксидного слоя, представляющего собой массив миниатюрных планарных наноструктур WO₃ диметром около 150 мкм, была использована микроплоттерная печать, позволяющая адресно наносить необходимую дозу чернил на заданную область модифицируемой стеклянной подложки. Работа коллектива направлена на расширение спектра материалов, перспективных в качестве активных компонентов «умных» окон, а также на повышение их эффективности с точки зрения оптического контраста и энергопотребления создаваемых электрохромных устройств[1,2,3].