Сотрудники ИТМО представили инновационную методику изготовления цветных перовскитных пленок — полупроводниковых материалов — исключающую вероятность дефектов и примесей. Для формирования необходимого оптического рисунка, который определяет цвет перовскита, лазером создают наноструктуру не на самой пленке, а на подложке – субстрате, выполненном из диоксида титана. Кроме того, подобные пленки позволяют регулировать направление свечения. Данные наноструктурированные полупроводники предоставляют перспективы для создания принципиально новых солнечных батарей и светодиодов с более высокими электрофизическими показателями. О результатах исследования было сообщено в журнале Light: Advanced Manufacturing.
В последнее время полупроводниковые перовскиты всё чаще рассматриваются как альтернатива кремнию в солнечных батареях, фотодиодах и светодиодах. Эти материалы обладают более эффективным поглощением света в оптическом диапазоне. К тому же, их изготовление проще: полупроводники получают с помощью методов растворной химии, что является более быстрым и экономичным способом, подходящим для масштабного производства. Важно отметить, что для получения высококачественных компонентов устройств не требуется использование реактивов высшей степени чистоты, поскольку получаемые полупроводники менее чувствительны к дефектам.
Для разработки инновационных наноэлектронных приборов нередко требуется наноструктурирование полупроводниковых пленок. Такой подход позволяет, к примеру, оптимизировать полупроводниковые характеристики материалов или повысить их способность к поглощению света. Одним из наиболее часто применяемых методов наноструктуризации перовскитов является травление ионным пучком, заключающееся в удалении вещества с помощью потока ионов, генерируемого оборудованием электронной микроскопии. Благодаря этому методу удается формировать желаемые оптические свойства материала. Обычно для воздействия на перовскит используется лазер, однако это зачастую приводит к абляции – испарению материала с поверхности – и образованию на ней нагара, что затрудняет создание современных многослойных устройств, таких как солнечные батареи и светодиоды.
Специалисты из ИТМО разработали методику нанесения наноструктуры на перовскиты, исключающую прямое лазерное воздействие на них. Используя метод лазерной структуризации поверхностей (LIPSS), наноорнамент формируется не непосредственно на перовскитной пленке, а на слое диоксида титана. Импульсный лазер воздействует на последний в определенном режиме. Поглощенный светом диоксид титана вызывает поверхностный плазмонный резонанс – явление, при котором частота падающего света совпадает с частотой синхронных колебаний электронов на поверхности пленки. В результате этого подложка локально плавится и моментально затвердевает. Таким образом, на поверхности диоксида титана формируются канавки различной формы и глубины. Затем на слой диоксида титана наносится перовскит, который наследует наноструктуру подложки.
Наноорнамент на пленках визуально схож с рябью на воде или песчаными дюнами, поскольку он повторяется через определенные промежутки. Этот период определяет дифракционные характеристики перовскитной пленки, а значит, и те цвета, которые мы наблюдаем на ее поверхности – от зеленого до голубого. Первоначально перовскит имеет коричневый оттенок, однако, когда свет концентрируется в «бороздках» наноорнамента, он преломляется под другим углом и проявляется в измененной цветовой гамме. Этот оптический эффект точно воспроизводит природный механизм формирования окраса на крыльях бабочки: на них находятся небольшие чешуйки, в которых свет концентрируется и преломляется под определенным углом, что приводит к изменению цвета.
«Нами установлено, что фотолюминесцентные характеристики перовскитных пленок также определяются наноорнаментом, в частности, схема направленности фотолюминесценции, известная как холодное свечение. Это означает, что возможно управлять направлением излучения света. Изменение угла поворота пленки приводит к изменению интенсивности люминесценции, что позволяет создавать источник света с регулируемой яркостью, не затрагивая другие характеристики материала. Данный факт подтверждает анизотропию излучения и является ключевым научным достижением, полученным в ходе исследования» , — по словам Александра Фурасова, первого автора статьи и кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физического факультета ИТМО.
Одним из ключевых достоинств методики, созданной специалистами ИТМО, является оперативность формирования наноструктуры на поверхности пленки. В течение всего лишь одной минуты удается создать до одного квадратного сантиметра такого нанопаттерна на диоксиде титана. Поскольку физики работают с объектами, размеры которых измеряются нанометрами, время формирования изображения можно дополнительно уменьшить. К тому же, пленки, изготовленные из диоксида титана, обладают свойством многоразовости: с их поверхности можно удалить слой перовскита и создать новый. Также возможно изменение размеров пленок. Благодаря этим характеристикам, такие полупроводники представляются многообещающими для промышленного производства.
«Важно отметить, что для быстрой и качественной записи окрашивающих наноструктур применялись современные лазерные технологии. Совместно с коллегами из Института лазерных технологий ИТМО нам удалось довести процесс до такой степени оптимизации, что стало возможным использование промышленных лазерных систем для выполнения задач, требующих высокой точности. Толщина модифицированного слоя диоксида титана составляет тысячную часть толщины человеческого волоса» , — отмечает главный научный сотрудник и руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физического факультета ИТМО, профессор Сергей Макаров.
Перовскитные пленки обладают потенциалом для производства нового поколения солнечных батарей, светодиодов и фотодетекторов с повышенной эффективностью. Исследователи перешли к следующему этапу и сейчас проводят испытания этих пленок при создании функциональных устройств.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и в соответствии с федеральной программе «Приоритет 2030».
Сообщение предоставлено пресс-службой Университета ИТМО