science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Wetenschappers bedenken methode voor zachte laserverwerking van perovskieten op nanoschaal

Credit: Klein

Wetenschappers van de Far Eastern Federal University (FEFU) in samenwerking met collega's van de ITMO University, en universiteiten in Duitsland, Japan, en Australië, hebben een methode ontwikkeld voor nauwkeurige, snelle en hoogwaardige laserbewerking van halide perovskieten (CH 3 NH 3 PbI 3 ), veelbelovende lichtgevende materialen voor zonne-energie, optische elektronica, en metamaterialen. Gestructureerd door zeer korte laserpulsen op de femtoseconde schaal, perovskieten bleken functionele nano-elementen te zijn met een ongekende kwaliteit. Een gerelateerd artikel is gepubliceerd in Klein .

Perovskieten werden in de eerste helft van de 19e eeuw ontdekt in de Oeral (Rusland) in de vorm van een mineraal bestaande uit calcium, titanium- en zuurstofatomen. Vandaag, door unieke eigenschappen, perovskieten zijn opkomende materialen voor zonne-energie en de ontwikkeling van lichtgevende apparaten voor fotonica, d.w.z. LED's en microlasers. Ze bereiken de top van de meest kritische materialen die de aandacht trekken van wetenschappelijke groepen van over de hele wereld.

Het grote nadeel is de ingewikkelde verwerking. Perovskieten worden gemakkelijk afgebroken onder invloed van een elektronenstraal, vloeistoffen of temperatuur, het verliezen van de eigenschappen waarin wetenschappers zo geïnteresseerd zijn. Dit bemoeilijkt de fabricage van functionele perovskiet-nanostructuren aanzienlijk door middel van gebruikelijke methoden als elektronenstraallithografie.

Wetenschappers van FEFU (Vladivostok, Rusland) en ITMO University (St. Petersburg, Rusland) werkte samen met buitenlandse collega's en loste dit probleem op door een unieke technologie voor te stellen voor de verwerking van organo-anorganische perovskieten met behulp van femtoseconde laserpulsen. De output was hoogwaardige nanostructuren met gecontroleerde kenmerken.

"Het is erg moeilijk om conventionele halfgeleiders te nanostructureren, zoals galliumarsenide, met behulp van een krachtige gepulseerde laser, " zegt Sergey Makarov, een vooraanstaand onderzoeker aan de faculteit Fysica en Engineering van de ITMO University, "De hitte is verspreid in alle richtingen en al het dunne, scherpe randen worden gewoon vervormd door deze hitte. Het is alsof je een miniatuurtattoo probeert te maken met fijne details, maar doordat de verf zich onder de huid uitspreidt, je krijgt gewoon een lelijke blauwe vlek. Perovskiet heeft een slechte thermische geleidbaarheid, dus onze patronen zijn heel precies en heel klein geworden."

Het laserschrijven van perovskietfilms in individuele blokken is een belangrijke technologische stap in de moderne productieketen van zonnecellen. Tot dusver was het proces niet erg nauwkeurig en was het nogal destructief voor het perovskietmateriaal, aangezien de buitenste secties functionele eigenschappen verloren als gevolg van temperatuurdegradatie. De nieuwe technologie kan helpen om dit probleem op te lossen door de fabricage van hoogwaardige zonnecellen mogelijk te maken.

"Perovskiet vertegenwoordigt een complex materiaal bestaande uit organische en anorganische delen. We gebruikten ultrakorte laserpulsen voor snelle verwarming en gerichte verdamping van het organische deel van perovskiet dat verloopt bij een vrij lage temperatuur van 160 ° C. De laserintensiteit werd zo aangepast om te produceren smelten/verdampen van het organische deel waardoor het anorganische deel onaangetast blijft. Dergelijke niet-destructieve verwerking stelde ons in staat een ongekende kwaliteit van geproduceerde perovskiet-functionele structuren te bereiken, " zei Alexey Zhizhchenko, een onderzoeker aan de FEFU School of Engineering.

Wetenschappers van FEFU en ITMO University wezen op drie gebieden waar hun ontwikkeling tastbare resultaten kan opleveren.

De eerste is het vastleggen van informatie die de gebruiker alleen onder bepaalde voorwaarden kan lezen. "We hebben de relevantie van onze aanpak aangetoond door diffractieroosters en microstriplasers te produceren met de uiteindelijk kleine breedte van slechts 400 nanometer. Dergelijke karakteristieke afmetingen maken de weg vrij voor de ontwikkeling van actieve elementen van toekomstige optische communicatiechips en computers, " zei Alexey Zhizhchenko.

Ten tweede, met behulp van een laser, men kan de zichtbare kleur van een perovskietfragment veranderen zonder dat er kleurstof wordt aangebracht. Materiaal kan komen als geel, zwart, blauw, rood, afhankelijk van de behoeften.

"Dit kan worden gebruikt om zonnepanelen van alle kleuren van de regenboog uit te voeren. De moderne architectuur maakt het mogelijk om het hele oppervlak van het gebouw te bedekken met zonnepanelen, het punt is dat niet alle klanten effen zwarte panelen willen, ' zei Sergej Makarov.

De derde toepassing is de fabricage van nanolasers voor optische sensoren en optische chips die informatie doorgeven via fotonen in plaats van elektronen.

  • Figuur 1. Single- en multi-pulse laserablatie van MAPbI3-films. a) Schematische illustratie van enkelvoudige en meervoudige pulslaserverwerking van door glas ondersteunde MAPbI3-films met gerichte Gauss-vormige fs-pulsen. b) Zijaanzicht (kijkhoek van 30 °) SEM-beelden van 425 nm dikke MAPbI3-film bestraald door een enkele fs-puls met verhoogde pulsenergie E variërend van 2,44 tot 25,2 nJ. Voor een beter begrip, elk SEM-beeld werd verkregen door signalen van twee SEM-detectoren te combineren:InLens-detectorsignaal (rechterdeel van elk beeld) en gemengd SE/InLens-signaal. De diameter van het ablatiegebied wordt in elk beeld gemarkeerd door een oranje cirkel. Schaalbalk komt overeen met 500 nm. c) Vierkante diameter D2 van het ablatiegebied (ononderbroken oranje markeringen) en het doorgaande gat (holle markeringen) geproduceerd in de 425 nm dikke MAPbI3-film onder enkelvoudige (N =1) en multi-pulse (N =5) bestraling versus toegepaste pulsenergie E (uitgezet op logaritmische schaal). Voor bestraling met meerdere pulsen, de totale invallende pulsenergie wordt beschouwd. d) Diepgaande piektemperatuurprofielen van met laser bestraald MAPbI3 berekend bij variabele invallende piekinvloeden F. e) Gecorreleerde SEM- en confocale PL-beelden van μm-formaat doorgaande gaten geboord in de 425 nm dikke MAPbI3-film door middel van een enkele puls en meerdere -puls (N =5) bestraling. Schaalbalken geven 2 m aan. g) Drempel invallende fluentie Fth vereist voor MAPbI3-filmablatie (oranje markeringen) en gatvorming (holle markeringen) versus het aantal toegepaste laserpulsen N gemeten voor variabele filmdikte h. Vaste curven leveren de gegevens op basis van theoretische beoordelingen. De gestippelde curve past bij de statistisch gemiddelde experimentele gegevens voor de ablatiedrempel. Elke puls in de trein heeft dezelfde energie, terwijl de totale invallende pulsenergie in aanmerking wordt genomen voor fluentieberekeningen. Krediet:FEFU persbureau

  • Laserprojectielithografie gebruikt voor geavanceerde fs-laserpatronen van perovskietfilms. a) Schema van experimentele opstelling gebruikt voor fs-laserprojectielithografie. b) Focal-plane-intensiteitsprofielen van verschillende laserstralen met platte bovenkant die worden gebruikt voor directe patroonvorming van perovskietfilms. c) Representatief zijaanzicht in valse kleuren (kijkhoek van 30 °) SEM-afbeeldingen van geïsoleerde openingen geproduceerd in MAPbI3-film met behulp van gegenereerde intensiteitsprofielen met platte bovenkant. d) Overeenkomstige confocale PL-kaarten in de buurt van gebieden met een laserpatroon. e) Reeks SEM-afbeeldingen van 425 nm dikke MAPbI3-film met een patroon met cirkelvormige microgaatjes, vierkante openingen, en 400 nm breed door nanospleten. Krediet:FEFU persbureau

  • Het afstemmen van lokale PL-eigenschappen via nauwkeurige laser-geïnduceerde verdunning en nanopatronen van MAPbI3-films. a) Grootschalig SEM-beeld met bovenaanzicht van 425 nm dikke MAPbI3-film bestraald met vierkante laserstraal met platte bovenkant bij geleidelijk variërende fluentie F (verticale as) en aantal toegepaste pulsen N (horizontale as). b) Representatieve zijaanzicht SEM-beelden van verschillende geablateerde gebieden geproduceerd met een vast aantal pulsen en verhoogde pulsenergie. c) Wide-field PL-afbeelding van het met een rode rechthoek gemarkeerde gebied met laserpatroon. d) Confocale PL-afbeelding met hoge resolutie van het met laser gemodificeerde gebied van MAPbI2-film. Het met laser bestraalde gebied is gemarkeerd met stippellijnen. e) TR-PL vervalt voor vierkante MAPbI3-filmgebieden met patronen bij verschillende invloeden. f) Gecorreleerde SEM- en breedveld-PL-beelden van de MAPbI3-film met een patroon van 800 nm periode-oppervlakteroosters van verschillende diepten geproduceerd door de toegepaste fluentie F en het aantal toegepaste pulsen te variëren N. Inzet SEM-beeld met close-up van de enkele pixel met bedrukte oppervlakteroosters Credit:FEFU press office

  • Laserpatronen van MAPbI3 voor optische codering en oppervlaktekleuring. a) Close-up SEM-afbeeldingen van de met laser bedrukte oppervlakteroosters met een variabele periode variërend van 300 tot 1000 nm (linkerpaneel), evenals een donkerveld optisch beeld van de 100 × 100 μm2 oppervlakteroosters afgestemd op periode binnen een vergelijkbaar bereik en gevisualiseerd met 0.15-NA droge microscoop objectief (rechter paneel). b) DF-optisch beeld van mm-schaal "FEFU"-letters die op het oppervlak van 425 nm dikke MAPbI3-film zijn gegraveerd door oppervlakteroosters met variabele perioden op te nemen. De kleur van elke letter wordt afgestemd door de roosterperiode. c) Bright-field optische en PL-afbeeldingen van lasergecodeerde QR-code (bovenste paneel). Twee ingevoegde SEM-afbeeldingen tonen de morfologie van twee ("heldere" en "donkere") soorten pixels die worden gebruikt voor QR-codecodering. De zijkant van de individuele pixel is 7,5 × 7,5 m2. Donkerveld optische beelden van vergelijkbare laser-gecodeerde QR-code waargenomen bij verlichting van verschillende kanten aangegeven door oranje pijl (onderste paneel). Krediet:FEFU persbureau

  • Laserprestaties van de bedrukte MAPbI3-nanodraden (NW's). a) Grootschalig SEM-beeld van een reeks met laser bedrukte MAPbI3 NW's met variabele lengte L en breedte w. Inset biedt een vergroot SEM-beeld dat de reproduceerbaarheid van het fabricageproces en de facetten van NW laat zien. b) Schematische voorstelling van de foto-excitatie/emissie van het geïsoleerde MAPbI3 NW. c) Close-up zijaanzicht (kijkhoek van 40 °) SEM-beeld van representatief geïsoleerd NW met w =500 nm en L =8000 nm. d) PL-afbeelding van hetzelfde NW gepompt bij invloeden onder (F Fth). De meest rechtse afbeelding toont de berekende intensiteitsverdeling in het nabije veld van de Fabry-Perot-modus die wordt ondersteund door de NW. e) PL-spectra van de MAPbI3 NW bij verschillende pompinvloeden. f) Intensiteit (rode markeringen) en volledige breedte op half maximum (groene markeringen) bij de emissiegolflengte (λlas ≈ 787 nm) als functie van pompfluïdum. Krediet:FEFU

Eenvoudig, snelle en kosteneffectieve productie van dergelijke elementen zou een nieuw tijdperk van computertechnologie kunnen veroorzaken die werkt volgens de principes van gecontroleerd licht. Verwerking van perovskieten volgens de voorgestelde technologie geeft een kans om duizenden, zelfs honderdduizenden nanolasers per minuut. De introductie van de technologie in de industrie zal de wereld dichter bij de ontwikkeling van optische computers brengen.

"Een ander belangrijk kenmerk van de voorgestelde technologie is dat het laag-voor-laag dunner worden van de perovskieten mogelijk maakt. Dit opent de weg om meer gecompliceerde 3D-microstructuren van perovskiet te ontwerpen en te fabriceren, bijvoorbeeld, microschaal vortex-emitterende lasers, die zeer gevraagd zijn voor informatiemultiplexing in optische communicatie van de volgende generatie. belangrijk, een dergelijke verwerking behoudt en verbetert zelfs de lichtemitterende eigenschappen van de verdunde laag die is gepassiveerd als gevolg van wijziging van de chemische samenstelling, " zei teamlid Aleksandr Kuchmizhak, research fellow bij het FEFU Centrum voor Neurotechnologie, VR en AR.