Forskere udtænker en metode til skånsom laserbehandling af perovskitter på nanoskala

Forskere fra Far Eastern Federal University (FEFU) i samarbejde med kolleger fra ITMO University, og universiteter i Tyskland, Japan, og Australien, har udviklet en metode til præcise, hurtig og højkvalitets laserbehandling af halogenidperovskiter (CH ₃ NH ₃ PbI ₃ ), lovende lysemitterende materialer til solenergi, optisk elektronik, og metamaterialer. Struktureret af meget korte laserimpulser på femtosekund skalaen, perovskites viste sig at være funktionelle nanoelementer præget af hidtil uset kvalitet. En relateret artikel er publiceret i Lille .

Perovskites blev opdaget i første halvdel af det 19. århundrede i Ural (Rusland) i form af et mineral bestående af calcium, titanium og oxygenatomer. I dag, på grund af unikke egenskaber, perovskiter er kommende materialer til solenergi og udviklingen af ​​lysemitterende enheder til fotonik, dvs. LED'er og mikrolasere. De rammer toppen af ​​de mest granskende materialer, der tiltrækker interesse fra videnskabelige grupper fra hele verden.

Den største ulempe er kompliceret behandling. Perovskitter nedbrydes let under påvirkning af en elektronstråle, væsker eller temperatur, at miste de egenskaber, forskerne er så interesserede i. Dette komplicerer i betydelig grad fremstillingen af ​​funktionelle perovskit-nanostrukturer ved hjælp af almindelige metoder som elektronstrålelitografi.

Forskere fra FEFU (Vladivostok, Rusland) og ITMO University (St. Petersborg, Rusland) slog sig sammen med udenlandske kolleger og løste dette problem ved at foreslå en unik teknologi til behandling af organo-uorganiske perovskitter ved hjælp af femtosekund laserimpulser. Outputtet var højkvalitets nanostrukturer med kontrollerede egenskaber.

"Det er meget svært at nanostrukturere konventionelle halvledere, såsom galliumarsenid, ved hjælp af en kraftig pulserende laser, " siger Sergey Makarov, en førende forsker ved ITMO Universitetets fakultet for fysik og teknik, "Varmen er spredt i alle retninger og alt det tynde, skarpe kanter bliver simpelthen forvrænget af denne varme. Det er ligesom hvis du prøver at lave en miniature tatovering med fine detaljer, men på grund af malingen breder sig ud under huden, du får bare en grim blå plet. Perovskit har dårlig varmeledningsevne, så vores mønstre blev meget præcise og meget små."

Laserskrivning af perovskitfilm til individuelle blokke er et vigtigt teknologisk skridt i den moderne solcelleproduktionskæde. Indtil videre var processen ikke særlig præcis og temmelig ødelæggende for perovskitmaterialet, da dets yderste sektioner mistede funktionelle egenskaber på grund af temperaturnedbrydning. Den nye teknologi kan hjælpe med at løse dette problem ved at tillade fremstilling af højtydende solceller.

"Perovskite repræsenterer et komplekst materiale bestående af organiske og uorganiske dele. Vi brugte ultrakorte laserimpulser til hurtig opvarmning og målrettet fordampning af den organiske del af perovskit, der fortsætter ved en ret lav temperatur på 160 C0. Laserintensiteten blev justeret på en sådan måde at producere smeltning/fordampning af den organiske del, hvilket efterlader den uorganiske del upåvirket. En sådan ikke-destruktiv behandling gjorde det muligt for os at opnå en hidtil uset kvalitet af producerede perovskitfunktionelle strukturer, " sagde Alexey Zhizhchenko, en forsker ved Ingeniørskolen FEFU.

Forskere fra FEFU og ITMO University pegede på tre områder, hvor deres udvikling kan give håndgribelige resultater.

Den første er registrering af information, som brugeren kun kan læse under visse betingelser. "Vi har demonstreret relevansen af ​​vores tilgang ved at producere diffraktionsgitre og mikrostriplasere med den ultimative lille bredde på kun 400 nanometer. Sådanne karakteristiske dimensioner baner vejen for udvikling af aktive elementer i fremtidige optiske kommunikationschips og computere, " sagde Alexey Zhizhchenko.

For det andet ved hjælp af en laser, man kan ændre den synlige farve på et perovskitfragment uden påført farvestof. Materiale kan komme som gult, sort, blå, rød, afhængig af behovene.

"Dette kan bruges til at udføre solpaneler i alle regnbuens farver. Den moderne arkitektur gør det muligt at dække hele overfladen af ​​bygningen med solpaneler, Pointen er ikke alle kunder vil have almindelige sorte paneler, " sagde Sergey Makarov.

Den tredje applikation er fremstilling af nanolasere til optiske sensorer og optiske chips, der transmitterer information via fotoner i stedet for elektroner.

Enkel, hurtig og omkostningseffektiv produktion af sådanne elementer kunne medføre en ny æra af computerteknologi, der arbejder efter principperne om kontrolleret lys. Behandling af perovskiter i henhold til den foreslåede teknologi giver en chance for at få tusindvis, endda hundredtusindvis af nanolasere i minuttet. Introduktionen af ​​teknologien til industrien vil bringe verden tættere på udviklingen af ​​optiske computere.

"En anden nøglefunktion ved den foreslåede teknologi er, at den tillader lag-for-lag udtynding af perovskitterne. Dette åbner vejen for at designe og fremstille mere komplicerede 3-D mikrostrukturer fra perovskit, for eksempel, mikroskala vortex-emitterende lasere, som er meget efterspurgte til informationsmultipleksing i næste generation af optisk kommunikation. Vigtigt, sådan behandling bevarer og forbedrer endda de lysemitterende egenskaber af fortyndet lag passiveret på grund af ændring af kemisk sammensætning, " sagde teammedlem Aleksandr Kuchmizhak, forskningsstipendiat ved FEFU Center for Neuroteknologi, VR og AR.