Kreditera: Små
Forskare vid Far Eastern Federal University (FEFU) i samarbete med kollegor från ITMO University, och universitet i Tyskland, Japan, och Australien, har utvecklat en metod för exakt, snabb och högkvalitativ laserbehandling av halogenidperovskiter (CH 3 NH 3 PbI 3 ), lovande ljusavgivande material för solenergi, optisk elektronik, och metamaterial. Strukturerad av mycket korta laserpulser på femtosekundskalan, perovskites visade sig vara funktionella nanoelement märkta av oöverträffad kvalitet. En relaterad artikel publiceras i Små .
Perovskiter upptäcktes under första hälften av 1800-talet i Ural (Ryssland) i form av ett mineral bestående av kalcium, titan- och syreatomer. I dag, på grund av unika egenskaper, perovskiter är nya material för solenergi och utvecklingen av ljusemitterande enheter för fotonik, d.v.s. lysdioder och mikrolasrar. De når toppen av det mest granskande material som lockar intresset från vetenskapliga grupper från hela världen.
Den stora nackdelen är komplicerad bearbetning. Perovskiter bryts lätt ned under påverkan av en elektronstråle, vätskor eller temperatur, att förlora de egenskaper som forskarna är så intresserade av. Detta komplicerar avsevärt tillverkningen av funktionella perovskit-nanostrukturer med hjälp av vanliga metoder som elektronstrålelitografi.
Forskare från FEFU (Vladivostok, Ryssland) och ITMO University (St. Petersburg, Ryssland) slog sig ihop med utländska kollegor och löste detta problem genom att föreslå en unik teknologi för bearbetning av organo-oorganiska perovskiter med femtosekundlaserpulser. Resultatet var högkvalitativa nanostrukturer med kontrollerade egenskaper.
"Det är mycket svårt att nanostrukturera konventionella halvledare, såsom galliumarsenid, med en kraftfull pulsad laser, " säger Sergey Makarov, en ledande forskare vid ITMO-universitetets fakultet för fysik och teknik, "Värmen är spridd åt alla håll och allt det tunna, skarpa kanter förvrängs helt enkelt av denna värme. Det är som om du försöker göra en miniatyrtatuering med fina detaljer, men på grund av att färgen sprider sig under huden, du kommer bara att få en ful blå fläck. Perovskite har dålig värmeledningsförmåga, så våra mönster blev väldigt exakta och väldigt små."
Laserritning av perovskitfilmer till enskilda block är ett viktigt tekniskt steg i den moderna solcellsproduktionskedjan. Hittills var processen inte särskilt noggrann och ganska destruktiv för perovskitmaterialet eftersom dess yttersta sektioner förlorade funktionella egenskaper på grund av temperaturförsämring. Den nya tekniken kan hjälpa till att lösa detta problem och möjliggör tillverkning av högpresterande solceller.
"Perovskite representerar ett komplext material som består av organiska och oorganiska delar. Vi använde ultrakorta laserpulser för snabb uppvärmning och riktad avdunstning av den organiska delen av perovskite som fortsätter vid ganska låg temperatur på 160 C0. Laserintensiteten justerades på ett sådant sätt att producera smältning/avdunstning av den organiska delen som lämnar den oorganiska delen opåverkad. Sådan oförstörande bearbetning gjorde det möjligt för oss att uppnå en oöverträffad kvalitet på producerade perovskitfunktionella strukturer, sa Alexey Zhizhchenko, en forskare vid FEFU School of Engineering.
Forskare vid FEFU och ITMO University pekade på tre områden där deras utveckling kan ge påtagliga resultat.
Den första är inspelningen av information som användaren endast kan läsa under vissa förhållanden. "Vi har visat relevansen av vårt tillvägagångssätt genom att producera diffraktionsgitter och mikrostriplasrar med den ytterst lilla bredden på endast 400 nanometer. Sådana karakteristiska dimensioner banar väg för utveckling av aktiva delar av framtida optiska kommunikationschips och datorer, " sa Alexey Zhizhchenko.
För det andra, med hjälp av laser, man kan ändra den synliga färgen på ett perovskitfragment utan att använda färgämne. Material kan komma som gult, svart, blå, röd, beroende på behoven.
"Detta kan användas för att utföra solpaneler i alla regnbågens färger. Den moderna arkitekturen tillåter att täcka hela byggnadens yta med solpaneler, poängen är att inte alla kunder vill ha enkla svarta paneler, " sa Sergey Makarov.
Den tredje applikationen är tillverkning av nanolasrar för optiska sensorer och optiska chip som överför information via fotoner snarare än elektroner.
Figur 1. Enkel- och multipulslaserablation av MAPbI3-filmer. a) Schematisk illustration av enkel- och multipulslaserbehandling av glasstödda MAPbI3-filmer med fokuserade Gaussformade fs-pulser. b) Sidovy (synvinkel 30°) SEM-bilder av 425 nm tjock MAPbI3-film bestrålad av en enda fs-puls vid ökad pulsenergi E som sträcker sig från 2,44 till 25,2 nJ. För bättre förståelse, varje SEM-bild erhölls genom att kombinera signaler från två SEM-detektorer:InLens-detektorsignal (höger del av varje bild) och blandad SE/InLens-signal. Diametern på ablationsområdet markeras med en orange cirkel i varje bild. Skalstången motsvarar 500 nm. c) Kvadratdiameter D2 för ablationsområdet (solida orange markörer) och det genomgående hålet (ihåliga markörer) producerade i den 425 nm tjocka MAPbI3-filmen under enkel- (N =1) och multipuls (N =5) bestrålning kontra applicerad pulsenergi E (uppritad i logaritmisk skala). För flerpulsbestrålning, den totala infallande pulsenergin beaktas. d) Djupgående topptemperaturprofiler för laserbestrålad MAPbI3 beräknade vid variabla infallande toppfluenser F. e) Korrelerade SEM- och konfokala PL-bilder av genomgående hål i μm-storlek borrade i den 425 nm tjocka MAPbI3-filmen med enkelpuls och multi -puls (N =5) bestrålning. Skalstaplar indikerar 2 μm. g) Tröskelinfallande fluens Fth som krävs för MAPbI3-filmablation (orange markörer) och hålbildning (ihåliga markörer) kontra antalet applicerade laserpulser N uppmätt för variabel filmtjocklek h. Heldragna kurvor ger data baserat på teoretiska bedömningar. Den prickade kurvan passar de statistiskt genomsnittliga experimentella data för ablationströskel. Varje puls i tåget har identisk energi, medan den totala infallande pulsenergin beaktas för fluensberäkningar. Kredit:FEFU pressbyrå
Laserprojektionslitografi används för avancerad fs-lasermönstring av perovskitfilmer. a) Schema för experimentell uppställning som används för fs-laserprojektionslitografi. b) Fokalplansintensitetsprofiler för olika platta laserstrålar som används för direkt mönstring av perovskitfilmer. c) Representativ sidovy i falsk färg (synvinkel 30°) SEM-bilder av isolerade öppningar producerade i MAPbI3-film med hjälp av genererade intensitetsprofiler med platt topp. d) Motsvarande konfokala PL-kartor i närheten av lasermönstrade områden. e) Serie av SEM-bilder av 425 nm tjock MAPbI3-film mönstrad med cirkulärt formade mikrohål, fyrkantiga öppningar, och 400 nm bredd genom nanoslitsar. Kredit:FEFU pressbyrå
Skräddarsy lokala PL-egenskaper via exakt laserinducerad förtunning och nanomönster av MAPbI3-filmer. a) Storskalig toppvy SEM-bild som visar 425 nm tjock MAPbI3-film bestrålad med kvadratisk flat-top laserstråle vid gradvis varierande fluens F (vertikal axel) och antal applicerade pulser N (horisontell axel). b) Representativa SEM-bilder från sidan av flera ablerade områden producerade vid ett fast antal pulser och ökad pulsenergi. c) Wide-field PL-bild av det lasermönstrade området markerat med röd rektangel. d) Högupplöst konfokal PL-bild av det lasermodifierade området av MAPbI2-film. Det laserbestrålade området är markerat med streckade linjer. e) TR-PL sönderfall för kvadratiska MAPbI3-filmområden mönstrade med olika fluenser. f) Korrelerade SEM- och bredfälts-PL-bilder av MAPbI3-filmen mönstrade med 800 nm periodytgitter av olika djup producerade genom att variera den applicerade fluensen F och antalet applicerade pulser N. Infälld SEM-bild som visar närbild på den enskilda pixel som innehåller präglade ytgitter Kredit:FEFUs presskontor
Lasermönster av MAPbI3 för optisk kryptering och ytfärgning. a) Närbild SEM-bilder av de laserpräglade ytgittren med variabel period från 300 till 1000 nm (vänster panel) samt mörkfältsbild av ytgittren på 100 × 100 μm2 avstämda efter period inom liknande område och visualiseras med 0,15-NA torrmikroskopobjektiv (höger panel). b) DF-optisk bild av "FEFU"-bokstäver i mm-skala inskrivna på ytan av 425 nm tjock MAPbI3-film genom att registrera ytgitter med varierande perioder. Färgen på varje bokstav ställs in efter gitterperioden. c) Ljusfältsoptiska och PL-bilder av laserkrypterad QR-kod (övre panel). Två infällda SEM-bilder visar morfologi av två ("ljusa" och "mörka") typer av pixlar som används för QR-kodkryptering. Sidan på en enskild pixel är 7,5 × 7,5 μm2. Optiska mörkfältsbilder av liknande laserkrypterad QR-kod observerade vid belysning från olika sidor indikerade med orange pil (nedre panelen). Kredit:FEFU pressbyrå
Laserprestanda för de präglade MAPbI3 nanotrådarna (NW). a) Storskalig SEM-bild av en uppsättning lasertryckta MAPbI3 NW med variabel längd L och bredd w. Insats ger förstorad SEM-bild som visar reproducerbarheten av tillverkningsprocessen och NW:s aspekter. b) Schematisk bild av fotoexcitationen/emissionen av den isolerade MAPbI3 NW. c) Närbild från sidan (synvinkel 40°) SEM-bild av representativ isolerad NV med w =500 nm och L =8000 nm. d) PL-bild av samma NW pumpad vid fluenser under (F
Enkel, snabb och kostnadseffektiv produktion av sådana element skulle kunna åstadkomma en ny era av datorteknik som arbetar enligt principerna för kontrollerat ljus. Bearbetning av perovskiter enligt den föreslagna tekniken ger en chans att få tusentals, till och med hundratusentals nanolasrar per minut. Introduktionen av tekniken till industrin kommer att föra världen närmare utvecklingen av optiska datorer.
"En annan nyckelfunktion i den föreslagna tekniken är att den tillåter lager-för-lager förtunning av perovskiterna. Detta öppnar vägen för att designa och tillverka mer komplicerade 3-D-mikrostrukturer från perovskite, till exempel, virvelemitterande lasrar i mikroskala, som är mycket efterfrågade för informationsmultiplexering i nästa generations optiska kommunikationer. Viktigt, sådan bearbetning bevarar och till och med förbättrar de ljusavgivande egenskaperna hos förtunnat skikt passiverat på grund av modifiering av kemisk sammansättning, " sa teammedlemmen Aleksandr Kuchmizhak, forskarassistent vid FEFU Center for Neurotechnology, VR och AR.
