Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Университета ИТМО вместе с коллегами из Германии, Японии и Австралии разработали метод сверхточной, быстрой и качественной лазерной обработки галогенидных перовскитов и показали, как делать солнечные батареи всех цветов радуги, миллионами штамповать нанолазеры для будущих оптических транзисторов, быстро записывать на поверхность информацию, которую сможет прочитать только тот, кому она предназначена.
Фото: ЦЕНТР ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Фото: ЦЕНТР ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Перовскит впервые обнаружили в первой половине XIX века на Урале. Это минерал, состоящий из атомов кальция, титана и кислорода. Сегодня перовскиты привлекают интерес научных групп со всего мира, стремительно завоевывают позиции в солнечной энергетике и фотонике, их применяют в нелинейной оптике, из них создают сверхпроводники.
У органо-неорганических перовскитов при всех достоинствах есть серьезный недостаток: они легко разрушаются во время обработки под воздействием электронного пучка, многих жидкостей или высокой температуры, утрачивая свойства, которые так интересуют ученых. Это существенно усложняет процесс изготовления функциональных перовскитных наноструктур, размер которых исчисляется всего десятками нанометров, стандартными методами, например электронной литографией, и мешает внедрению этого материала в промышленность.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) совместно с коллегами из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ, Владивосток) решили эту задачу, предложив обрабатывать перовскиты сверхкороткими лазерными импульсами (фемтосекундным лазером). На выходе получили высококачественные наноструктуры с контролируемыми характеристиками.
«Наноструктурировать обычные полупроводники, такие как арсенид галлия, с помощью мощного импульсного лазера очень сложно,— рассказывает Сергей Макаров, ведущий научный сотрудник нового физтеха Университета ИТМО.— Тепло разбегается во все стороны, и все тонкие, резкие грани просто размываются этим теплом. Все равно как если вы попытаетесь сделать миниатюрную татуировку с тонкими деталями, но из-за расплывшейся под кожей краски вы получите просто уродливое синее пятно. Перовскит же имеет плохую теплопроводность, поэтому наши паттерны получились четкими и миниатюрными».
Скрайбинг или нарезка перовскитных пленок на отдельные блоки активно применяется в технологиях производства солнечных батарей, однако процесс не отличался высокой точностью и был довольно травматичным для материала, так как часть перовскита в непосредственной близости от разреза теряла свойства вследствие температурной деградации.
Фемтосекундный лазер не повреждает материал. Сверхкороткие импульсы лазера позволяют не только прорезать перовскит насквозь, но и печатать на его поверхности сложные структуры в виде канавок различной формы шириной несколько сотен нанометров. При этом все оптические свойства материала сохраняются.
«С учетом особенностей структуры, химического состава и свойств перовскитных материалов мы предложили оригинальную технологию их лазерной обработки. Чтобы избежать таких разрушительных для перовскита эффектов, как перегрев, мы облучали его сверхкороткими лазерными импульсами. Интенсивность подобрали такую, чтобы в местах испарения материала температура достигала всего 160 °C. У нас получилось равномерно и очень точно, послойно удалять перовскит в заданной профилем пучка области без существенного негативного воздействия на окружающий материал. Технология обеспечила беспрецедентное качество печати элементов»,— объясняет Александр Кучмижак, научный сотрудник центра НТИ ДВФУ по нейротехнологиям, технологиям дополненной и искусственной реальности.
Ученые ДВФУ и Университета ИТМО назвали сразу три сферы, где их разработка может дать ощутимые прикладные результаты.
Первое — запись на перовските информации, которую можно будет считать только при определенных условиях, известных пользователю.
«Мы продемонстрировали применимость нашего подхода на примере недеструктивной лазерной печати дифракционных решеток и массивов микрополосковых лазеров с предельно малым размером всего 400 нм. Такие размеры позволят в будущем реализовать активные элементы для полностью оптических линий передачи данных»,— говорит один из разработчиков технологии Алексей Жижченко, научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» инженерной школы ДВФУ.
Второе — с помощью лазера можно менять видимый цвет фрагмента перовскита без красителя. Материал может казаться глазу желтым, черным, синим, красным в зависимости от ваших задач.
«Лазер, чтобы придать окрас поверхности, наносит специальные наноструктуры с определенным периодом,— поясняет Сергей Макаров.— Это нужно для создания солнечных батарей всех цветов радуги. Современная архитектура позволяет покрыть солнечными батареями хоть всю поверхность здания, но далеко не все заказчики хотят однотонные черные панели. С помощью цветных батарей небоскреб может быть желтым, синим, красным и все равно работать всеми своими стенами и крышей как солнечная батарея. Да, энергоэффективность будет меньше, чем у черных фотоэлементов, но все равно выше, чем у простых стен».
Наконец, третье применение — создание нанолазеров для оптических сенсоров и оптических чипов, информация в которых будет передаваться не за счет движения электронов, а за счет движения фотонов.
Простое, быстрое и дешевое производство таких элементов приблизит новую эпоху вычислительной техники, которая будет работать на принципах контролируемого излучения света. Обработка перовскитов по предложенной технологии дает шанс создавать тысячи, даже сотни тысяч нанолазеров в минуту. Промышленное внедрение технологии значительно приблизит мир к созданию оптических компьютеров. «Еще одна особенность технологии в том, что светоизлучающие свойства материала, оставшегося после лазерного испарения, даже улучшаются. Это происходит, потому что меняется химический состав поверхности, а вместе с этим дефекты от лазерного воздействия пассивируются»,— объяснил Александр Кучмижак.
В работе приняли участие ученые из ДВФУ, Университета ИТМО, Объединенного института высоких температур (РАН), Института автоматики и процессов управления (ИАПУ, ДВО РАН), Рурского университета в Бохуме (Германия), Токайского университета (Япония), Технологического университета Суинбурна (Австралия).
Весной 2019 года команда ученых из ДВФУ, Университета ИТМО, Техасского университета Далласа и Австралийского национального университета предложила эффективный, быстрый и дешевый способ создавать перовскитные микролазеры — источники интенсивного светового излучения для оптических микрочипов, которые будут применяться в компьютерах нового поколения.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (19-19-00177).
«LightEmitting Nanophotonic Designs Enabled by Ultrafast Laser Processing of Halide Perovskites»; Alexey Y. Zhizhchenko, Pavel Tonkaev, Dmitry Gets, Artem Larin, Dmitry Zuev, Sergey Starikov, Eugeny V. Pustovalov, Alexander M. Zakharenko, Sergei A. Kulinich, Saulius Juodkazis, Aleksandr A. Kuchmizhak, Sergey V. Makarov, журнал Small, апрель 2020 г.