Наноструктуры перовскита — относительно новый класс материалов, которые широко применяются при создании светодиодов и лазеров. Ученые разработали подход по обработке их прекурсорами — источниками ионов иттербия и марганца, в результате чего были получены образцы, способные излучать свет в различных диапазонах спектра. Весь процесс происходил в растворе при комнатной температуре, а для точной настройки длины волны излучаемого света необходимо было лишь менять соотношение добавляемых прекурсоров. Разработанная технология существенно упростит использование перовскитов в различных областях оптоэлектроники. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry, а также особо отмечены редакционной коллегией и размещены в разделе Hot papers.
Общая схема процесса анионно-катионного легирования ионами иттербия (Yb3+) и марганца (Mn2+) в неполярном растворителе при комнатной температуре для создания многополосных излучающих наноструктур перовскита из галогенида свинца. Источник: Данила Татаринов
Нанокристаллы перовскита, состоящие из ионов цезия, свинца и галогенов, таких как хлор, бром и йод, находят широкое применение при разработке и производстве светодиодов и лазеров. Они поглощают ультрафиолетовое излучение и затем переизлучают его в виде света с определенной длиной волны. При этом цвет и интенсивность свечения перовскитов можно контролировать. Так, добавление лантаноидов, таких как иттербий, позволяет получить интенсивное излучение в инфракрасном спектральном диапазоне, что значительно расширяет область возможных применений данного класса материалов. Однако синтез легированных (с добавлением ионов) наноструктур перовскитов проводится при высоких температурах, что может приводить к нарушению кристаллической структуры образцов, особенно если речь идет про наноструктуры с толщиной в несколько нанометров — нанопластины. Это негативно влияет на оптические свойства образцов, зачастую снижает их качество и препятствует их практическому использованию.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Городского университета Гонконга (КНР) и Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) получили образцы, легированные ионами иттербия при комнатной температуре. Для этого они синтезировали наноструктуры перовскита, а уже затем добавляли к ним раствор, содержащий ионы иттербия. Они встраивались в структуру перовскитов, что приводило к появлению инфракрасного излучения. Изменение количества добавляемых прекурсоров позволило точно настраивать оптические свойства создаваемых образцов. Так, чем больше ученые добавляли раствора иттербия, тем интенсивнее становилось свечение.
Для понимания процесса легирования авторы детально исследовали оптические свойства образцов. Они предположили, что свойства легированных наноструктур перовскитов зависят от расположения ионов в кристаллической структуре. Так, ионы иттербия сначала занимали вакансии на поверхности нанокристаллов, а затем постепенно диффундировали внутрь. В результате увеличение степени легирования приводило к повышению интенсивности люминесценции в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Примечательно, что нанокристаллы сохраняли свою форму и кристаллическую структуру после обработки — авторы доказали это с помощью методов электронной микроскопии и рентгеновского анализа.
Далее исследователи расширили свой подход для его использования с другими ионами. Для этого они обрабатывали нанопластины перовскитов прекурсорами, содержащими ионы марганца, в результате чего были получены образцы с полосой люминесценции в красной области спектра, что интересно для создания различных типов светодиодов.
В заключительном эксперименте авторы использовали два прекурсора — растворы, содержащие ионы иттербия и марганца. Такой подход совместного легирования позволил получить образцы с излучением в трех различных диапазонах спектра. При этом регулирование соотношения добавляемых прекурсоров дало возможность контролировать степень обработки нанокристаллов, тем самым настраивая их оптические свойства.
«Мы планируем продолжать заниматься изучением наноструктур перовскита, легированных различными ионами, для использования их в фотонике и оптоэлектронике. В целом создание прототипов устройств с использованием полученных нами материалов будет логичным развитием данного направления исследований», — рассказывает Данила Татаринов, сотрудник лаборатории «Оптика квантовых наноструктур» Университета ИТМО.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда