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.

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.