Лаборатория «Коллоидные нанокристаллы»

Руководитель направления:

Основными направлениями исследований являются:

  1. Гетеропереходы; лазерное вакуумное напыление
  2. Непериодические сверхрешетки
  3. Проводящие полимеры
  4. Коллоидные нанокристаллы
  5. Нанокомпозиты
  6. Люминесценция
  7. Электролюминесценция и оптическое усиление в квантовых точках
  8. Применение коллоидных квантовых точек в биологии и медицине
  9. Конфокальная и нелинейная оптическая микроскопия

Текущие научные работы связаны с исследованием коллоидных квантовых точек PbS, PbSe, CdS и CdSe. Исследуются возможности их применения в составе нанокомпозитов для разработки солнечных элементов и других приборов, как например, газовых датчиков. Исследуется применение квантовых точек в качестве маркеров в биологических и медицинских исследованиях, в частности для получения изображений с помощью конфокального микроскопа.

  • Актуальность исследований
    Гетеропереходы являются основой многих полупроводниковых приборов. Они позволяют получить новые свойства, связанные с его структурой, которые невозможно получить, если использовать только гомопереходы, т.е. переходы внутри одного и того же материала. Гетеропереход, как контакт двух разных материалов, является также основой квантово-размерных структур, например, таких, как сверхрешетки. Сверхрешетки представляют собой структуру, состоящую из чередующихся слоёв разных материалов. В периодических решётках толщина слоёв остаётся одной и той же на протяжении всей структуры, а в непериодических – меняется по определённому закону, например, закону Фибоначчи. В периодических решётках возникают минизоны, связанные с уровнями размерного квантования, а в непериодических – энергетический спектр имеет фрактальную структуру и обладает свойствами самоподобия. Это означает, что вид спектра плотности состояний на большом энергетическом интервале будет похож на такой же спектр, но взятый на любом, сколь угодно малом энергетическом интервале.

    Интерес к частицам малого, нанометрового размера обусловлен изменением их свойств, связанных с эффектом размерного квантования. Полупроводниковые наночастицы, которые ещё называют квантовыми точками, меняют спектры поглощения и люминесценции по сравнению с объёмными материалами. Это позволяет управлять оптическими свойствами частиц и настраивать их под нужные задачи. Коллоидные наночастицы имеют размеры от единиц до нескольких десятков нанометров. Изменение размеров наночастиц, например, CdS меняет их спектр люминесценции во всём видимом диапазоне света. При этом материал остаётся одним и тем же. Изменение размеров наночастиц PbS изменяет их спектр люминесценции в ближней инфракрасной области. Полупроводниковое ядро коллоидных наночастиц покрыто слоем органических молекул, которые предотвращают их слипание и позволяют им свободно плавать в растворе.

    Объединение коллоидных наночастиц с проводящими полимерами приводит к образованию нанокомпозита. Нанокомпозит позволяет использовать свойства обоих компонентов – и полимера, и квантовых точек для получения нужных свойств структуры. Так на основе нанокомпозитов можно изготовить фотоприёмники излучения, солнечные элементы, фото- и электролюминесцентные структуры, и в частности, гибкие дисплеи.

    Коллоидные наночастицы являются основой для изготовления «чернил» для получения структур гибкой электроники. Применяя методы печати, похожие на печать с помощью обычного струйного принтера, можно изготовить электонную схему, в том числе и на гибкой подложке. Это открывает возможности изготовления «умной» одежды.

    Коллоидные квантовые точки также используют в качестве маркеров, которые могут прикрепляться к выбранным типам биоллогических тканей и клеток с помощью специальных линкеров, в качестве которых могут выступать антитела, антигены или специальные белковые молекулы. Таким образом могут быть обнаружены патологические клетки, например, раковые. По сравнению с используемыми в настоящее время красителями - флурофорами квантовые точки более стабильны, и главное, не подвержены обесцвечиванию под действием возбуждающего света.

    Окрашенные квантовыми точками биологические ткани можно наблюдать с помощью конфокального микроскопа и осуществлять диагностику различных заболеваний.

  • Избранные публикации группы
    1. Крылова Ю.С., Дробинцева А.О., Полякова В.О., Кветной И.М., Пантелеев Л.Н., Мусихин С.Ф., Барзда В. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ В ПРИМЕНЕНИИ К БИОМЕДИЦИНСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ Биотехносфера. 2015. № 2 (38). С. 2-7.
    2. Tarasov S.A., Aleksandrova O.A., Maksimov A.I., Maraeva E.V., Matyushkin L.B., Moshnikov V.A., Musikhin S.F. STUDY OF THE SELF-ORGANIZATION PROCESSES IN LEAD SULFIDE QUANTUM DOTS Semiconductors. 2014. Т. 48. С. 1729.
    3. Мошников В.А., Александрова О.А., Дробинцева А.О., Кветной И.М., Крылова Ю.С., Мазинг Д.С., Матюшкин Л.Б., Мусихин С.Ф., Полякова В.О., Рыжов О.А. ОТ ЛАЗЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ ДО ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ МИКРОСКОПИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ. КОЛЛОИДНЫЕ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ - БИОМАРКЕРЫ В ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ Биотехносфера. 2014. № 6 (36). С. 16-30.
    4. Дурнова А.О., Крылова Ю.С., Пантелеев Л.Н., Мусихин С.Ф. КОНФОКАЛЬНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ - ПРИМЕНЕНИЕ В ПАТОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ Биотехносфера. 2014. № 5 (35). С. 30-35.
    5. Тарасов С.А., Александрова О.А., Максимов А.И., Мараева Е.В., Матюшкин Л.Б., Менькович Е.А., Мошников В.А., Мусихин С.Ф. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМООРГАНИЗАЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СУЛЬФИДА СВИНЦА Известия высших учебных заведений. Электроника. 2013. № 3 (101). С. 28-32.
    6. Матюшкин Л.Б., Александрова О.А., Максимов А.И., Мошников В.А., Мусихин С.Ф. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОЧАСТИЦ В ПОЛЯРНЫХ И НЕПОЛЯРНЫХ СРЕДАХ Биотехносфера. 2013. № 2 (26). С. 27-32.
    7. Мусихин С.Ф., Александрова О. А., Лучинин В.В., Максимов А. И., Матюшкин Л. Б. Мошников В. А. Сенсоры на основе металлических и полупроводниковых коллоидных наночастиц для биомедицины и экологии. Биотехносфера, 2013, № 2, 2-17
    8. МусихинС. Ф., Александрова О. А., Лучинин В.В., Максимов А. И., Мошников В. А. Полупроводниковые коллоидные наночастицы в биологии и медицине. Биотехносфера, 2012, № 5-6, 40-48
    9. M. Samim, R. Cisek, D. Sandkuijl, I. Tretyakov, S. Siu, S. Musikhin, andV. Barzda Three-dimensionaldataacquisitionwithaberrationscorrectionforvideo-ratemicroscopy. Proc. SPIE 7904, 790413, 2011
    10. M. Samin, R. Cisek, D. Sandkuijl, S. Musikhin, N. Prent, B. Stewart, V. Barzda “Towardsfast 3D-microscopy: multiple-depthfocusingforvideo-rateimaging” PhysicsinCanada/LaPhysiqueauCanada, Vol. 66, # 3, 2010
    11. E.H. Sargent, L. Bakoueva, S. Musikhin. Optically-regulated optical emission usingcolloidal quantum dot nanocrystals. USPatentNo. 7,326,908 ofFebruary 5, 2008
    12. Y. Kravtsova, U. Krull, S. F. Musikhin, L. Levina, H. E. Ruda and A. Shik, “Polarization memory in a system of CdSe nanorods” Appl. Phys. Lett., Vol. 90, 083120, 2007
    13. A. Major, V. Barzda, P. A. E. Piunno, S. Musikhin and U. J. Krull, “An extended cavity diode-pumped femtosecond Yb:KGW laser for applications in optical DNA sensor technology based on fluorescence lifetime measurements” Optics Express, Vol. 14, No. 12, pp 5285-5294, 2006
    14. L. Levina, V. Sukhovatkin, S. Musikhin, S. Cauchi, R. Nisman, D. P. Bazet-Jones and E. H. Sargent, “Efficient Infrared-Emitting PbS Quantum Dots Grown on DNA and Stable in Aqueous Solution and Blood Plasma” Adv. Mater., Vol. 17 (15), pp 1854-1857, 2005
    15. L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, andE. H. Sargent “Size-tunableinfrared (1000-1600) electroluminescence from PbS quantum dot nanocrystals in a semiconducting polymer”, Appl. Phys. Lett., Vol. 82 (17), pp. 2895-2897, 2003.
    16. L. Bakueva, S. Musikhin, E. H. Sargent, H. E. Ruda, A. Shik “Luminescence and Photovoltaic Effects in Polymer-Based Nanocomposites”, Chapter5in “HandbookofOrganic-InorganicHibridMaterialsandNanocomposites”, Vol. 2, рр. 182-216, AmericanScientificPublishers, 2003, USA.
    17. S. Musikhin, L. Bakueva, E. H. Sargent, “Luminescent properties and electronstructure of composite structures conjugated polymer-dielectric nanocrystals”, J.Appl. Phys. Vol. 91, pp.6679-6683, 2002.
    18. МусихинС.Ф., БакуеваЛ.Г., ИльинВ.И., РабизоО.В., ШароноваЛ.В.. Оптические и электрические свойства сверхрешеток Фибоначчи PbS-C, полученных методом импульсного лазерного напыления, ФТП, 1995, т. 29, № 3, с. 474-482.

    Учебные пособия

    1. А. Я. Шик, Л. Г. Бакуева, С. Ф. Мусихин, С. А. Рыков “Физика низкоразмерных систем”, Наука: С.-Петербург, 155 С., 2001.
    2. В. И. Ильин, С. Ф. Мусихин, А. Я. Шик “Варизонные полупроводники и гетероструктуры”, Наука: С.-Петербург, 100 С., 2000. {/spoiler} 
 Микрофотография коллоидных квантовых точек
 Фотография коллоидных квантовых точек