Новый ЖК-материал, допированный квантовыми точками, разработали исследователи из МГУ, ИБХ РАН и МИФИ. Полученная управляемая структура может быть использована для разработки прототипов источников одиночных фотонов, средств записи графической информации и других фотоэлектронных устройств. Под действием электричества или света она локально меняет свои оптические характеристики, что вкупе с использованием, например, светонепроницаемой маски легко позволяет формировать на поверхности образца различные изображения.

В 60-х годах прошлого века бурно развивающейся микроэлектронике потребовались новые вещества, способные при малых затратах энергии быстро реагировать на изменения электрического поля. И они вскоре были найдены. Ими стали жидкие кристаллы – материалы, получившие своё название за сочетание несовместимого: текучести жидкости и анизотропии (зависимости физических свойств от направления, в ЖК-материалах это склонность молекул ЖК выстраиваться вдоль определённых превалирующих направлений) – свойства, присущего кристаллическим телам.

С тех пор аббревиатура ЖК, под которой поначалу подразумевали скромные дисплейчики калькуляторов, а после экраны телевизоров и мобильных телефонов, прочно вошла в нашу повседневную жизнь. В последние десятилетия исследователи работают уже над созданием новых, оптически управляемых ЖК-веществ, реагирующих на световые поля.

В недавнем номере журнала Advanced Materials появилась статья российских учёных из МГУ, ИБХ РАН иМИФИ в соавторстве с их ирландскими и белорусскими коллегами. Она посвящена созданию ЖК-систем, допированных квантовыми точками CdSe/ZnS, параметрами флуоресценции которых можно управлять. Такие ЖК-материалы могут быть использованы в современных устройствах фотоники, оптоэлектроники или квантовой криптографии.

Для решения главной задачи – достижения фотовосприимчивости – исследователи использовали ЖК-материалы, допированные фотохромными хиральными соединениями, которые формируют закрученную спиральную структуру. Дифракция света на этой структуре приводит к его селективному отражению на длине волны, зависящей от параметров спирали. Поэтому, когда под действием излучения раскручивается спираль, меняются и оптические характеристики излучения всего материала, а также параметры флуоресценции квантовых точек, внедрённых в ЖК-матрицу.

«Основная идея состоит как раз в электро- или фотоуправлении параметрами фотолюминесценции этих квантовых точек, – поясняет в интервью STRF.ru один из авторов исследования, доцент химфака МГУ доктор химических наук Алексей Бобровский. – Вместо них можно было использовать и обычные органические флуорофоры, но квантовые точки обладают важным преимуществом – фотостабильностью».

Всё это немного напоминает мудрёный рецепт – смешать текучесть и анизотропию для получения жидких кристаллов, добавить хиральных центров для получения холестерических ЖК с особыми оптическими свойствами, а сверху всё «присыпать» флуоресцирующими наноточками. Но за каждым из ингредиентов стоят годы экспериментов.

Рис. 1. Изменение цвета образца, облучённого УФ-светом через маску

«Плохая растворимость квантовых точек в ЖК-матрице стала главной трудностью в нашей работе. Поэтому сейчас мы уже ведём работы по радикальному улучшению их совместимости, – рассказывает Алексей. – Но главное, что рецепт уже работает. При облучении УФ-светом сдвигается пик селективного отражения света, изменяется цвет образца. А под воздействием электрического поля падает интенсивность отражения за счёт роста светорассеяния».

Характеристиками нового материала можно управлять и за счёт электричества. Только механизм изменения оптических свойств здесь несколько отличается от описанного выше светового. Приложение внешнего электромагнитного поля приводит к обратимой деформации спиральной структуры в ЖК-ячейке. Это сопровождается уменьшением светопропускания, что, в свою очередь, изменяет параметры флуоресценции материала.

Обсуждая способы использования такого фото- и электроуправляемого материала, исследователи говорят о перспективах разработки источников одиночных фотонов для квантовой криптографии. (Квантовые состояния одиночных фотонов нарушаются при попытке их регистрации любыми средствами. Поэтому их предлагают использовать для новых алгоритмов кодирования информации в квантовой криптографии – получающий и передающий агенты точно будут знать, пытались перехватывать их сообщение или нет.) Также в работе показана принципиальная возможность хранения информации, записанной за счёт локального изменения оптических свойств материала. Проще говоря, достаточно будет посветить на материал, чтобы увидеть изображение. В идеале такая характеристика приложений обеспечит бесконечное хранение информации в цифровом виде.

Работа проведена при поддержке мегагранта Министерства образования и науки РФ, а также грантов РФФИ и Европейской комиссии.

Источник