Ученые ДВФУ и ИТМО предложили метод сверхточной лазерной обработки перовскитов

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 (CH3NH3PbI3). Они показали, как делать солнечные батареи всех цветов радуги для современной архитектуры, миллионами штамповать нанолазеры для будущих оптических транзисторов и быстро записывать на поверхность информацию, которую сможет прочитать только тот, кому она предназначена. Результаты исследования опубликованы в журнале Small.

Перовскиты впервые обнаружили в первой половине XIX века на Урале в виде минерала, состоящего из атомов кальция, титана и кислорода. Сегодня они привлекают интерес научных групп со всего мира, стремительно завоевывают позиции в солнечной энергетике и фотонике, их применяют в нелинейной оптике, из них создают сверхпроводники.

Проблема в том, что перовскиты легко деградируют во время обработки под воздействием электронного пучка, жидкостей или температуры, утрачивая свойства, которые так интересуют ученых. Это существенно усложняет процесс изготовления функциональных перовскитных наноструктур стандартными методами, например, электронной литографией.

Ученые из ДВФУ и Университета ИТМО (Санкт-Петербург) вместе с иностранными коллегами решили эту проблему, предложив уникальную технологию обработки органо-неорганических перовскитов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. На выходе получились высококачественные функциональные наноэлементы.

«Наноструктурировать обычные полупроводники, такие как арсенид галлия, с помощью мощного импульсного лазера очень сложно, — рассказывает ведущий научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Сергей Макаров. — 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».

Нарезка перовскитных пленок на отдельные блоки активно применяется в технологиях производства солнечных батарей. Процесс не отличался высокой точностью и был довольно травматичным для материала, т.к. часть перовскита в непосредственной близости от разреза теряла свойства вследствие температурной деградации.

Разработанная технология полностью решает эту проблему, ее можно применять для изготовления элементов солнечных батарей уже сейчас.

«Перовскит — сложный материал, состоящий из органической и неорганической частей. Мы использовали лазерные импульсы очень короткой длительности для мгновенного нагрева и локального испарения органической части перовскита при температуре всего 160 градусов. Интенсивность излучения подбирали так, чтобы превысить только температуру плавления/испарения органической части с минимальным воздействием на неорганическую. Такое мягкое воздействие позволило добиться беспрецедентного качества функциональных элементов», — рассказывает один из разработчиков технологии , научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» Инженерной школы ДВФУ Алексей Жижченко.

Ученый рассказал, что применимость подхода продемонстрировали на примере недеструктивной лазерной печати дифракционных решеток и массивов микрополосковых лазеров с предельно малым размером всего в 400 нанометров. Такие размеры позволят в будущем реализовать активные элементы для полностью оптических линий передачи данных.

«Еще одна особенность технологии в том, что можно проводить послойное утончение перовскита с высокой точностью. Это дает возможность изготавливать трехмерные перовскитные микроструктуры и более сложные формы светоизлучающих и оптоэлектронных устройств с расширенным функционалом. Например, можно изготовить миниатюрный лазер, излучающий вихревой лазерный пучок, необходимый для сверхплотной передачи информации. Важно, 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», — отмечает научный сотрудник Центра НТИ ДВФУ по нейротехнологиям, технологиям VR/AR Александр Кучмижак.

В состав научного коллектива вошли ученые из ДВФУ, Университета ИТМО, Объединенного института высоких температур Российской академии наук (РАН), Института автоматики и процессов управления (ИАПУ, ДВО РАН), Рурского университета в Бохуме (Германия), Токайского университета (Япония), Технологического университета Суинбурна (Австралия).

Напомним, весной 2019 года команда ученых из ДВФУ, Университета ИТМО, Техасского университета Далласа и Австралийского национального университета предложила эффективный, быстрый и дешёвый способ создавать перовскитные микролазеры — источники интенсивного светового излучения для оптических микрочипов, которые будут применяться в компьютерах нового поколения.

Направление Material Science, включающее исследования в области новых технологий и материалов, определено в ДВФУ как одно из приоритетных и ориентировано на решения принципиально новых научно-технологических задач, которые находятся на переднем крае современной науки. Исследования в области материаловедения являются важным аспектом в реализации стратегической цели по развитию университета как лидера в научно-образовательный и технологической деятельности на российском Дальнем Востоке, точки трансфера технологий и инновационной в Азиатско-Тихоокеанском регионе.
_________________

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (19-19-00177).

Пресс-служба ДВФУ,
press@dvfu.ru