Crédito: Pequeña
Científicos de la Universidad Federal del Lejano Oriente (FEFU) en asociación con colegas de la Universidad ITMO, y universidades en Alemania, Japón, y Australia, han desarrollado un método de precisión, procesamiento láser rápido y de alta calidad de perovskitas de haluro (CH 3 NUEVA HAMPSHIRE 3 PbI 3 ), materiales emisores de luz prometedores para la energía solar, electrónica óptica, y metamateriales. Estructurado por pulsos láser muy cortos en la escala de femtosegundos, las perovskitas resultaron ser nanoelementos funcionales marcados por una calidad sin precedentes. Un artículo relacionado se publica en Pequeña .
Las perovskitas fueron descubiertas en la primera mitad del siglo XIX en los Urales (Rusia) en forma de un mineral compuesto por calcio, átomos de titanio y oxígeno. Hoy dia, debido a propiedades únicas, las perovskitas son materiales emergentes para la energía solar y el desarrollo de dispositivos emisores de luz para la fotónica, es decir, LED y microláseres. Llegaron a la cima de los materiales más escrutadores que atraen el interés de grupos científicos de todo el mundo.
El mayor inconveniente es el procesamiento complicado. Las perovskitas se degradan fácilmente bajo la influencia de un haz de electrones, líquidos o temperatura, perder las propiedades que tanto interesan a los científicos. Esto complica significativamente la fabricación de nanoestructuras funcionales de perovskita mediante métodos comunes como la litografía por haz de electrones.
Científicos de FEFU (Vladivostok, Rusia) y la Universidad ITMO (San Petersburgo, Rusia) se asoció con colegas extranjeros y resolvió este problema proponiendo una tecnología única para el procesamiento de perovskitas organo-inorgánicas utilizando pulsos de láser de femtosegundos. El resultado fueron nanoestructuras de alta calidad con características controladas.
"Es muy difícil nanoestructurar semiconductores convencionales, como el arseniuro de galio, utilizando un potente láser pulsado, "dice Sergey Makarov, un investigador líder en la Facultad de Física e Ingeniería de la Universidad ITMO, "El calor se dispersa en todas direcciones y todo el delgado, los bordes afilados simplemente se distorsionan por este calor. Es como si intentaras hacer un tatuaje en miniatura con detalles finos, pero debido a que la pintura se esparce debajo de la piel, solo obtendrás una fea mancha azul. La perovskita tiene mala conductividad térmica, por lo que nuestros patrones resultaron muy precisos y muy pequeños ".
El trazado con láser de películas de perovskita en bloques individuales es un paso tecnológico importante de la cadena de producción de células solares modernas. Hasta ahora, el proceso no fue muy preciso y fue bastante destructivo para el material de perovskita, ya que sus secciones más externas perdieron propiedades funcionales debido a la degradación de la temperatura. La nueva tecnología puede ayudar a resolver este problema permitiendo la fabricación de células solares de alto rendimiento.
"La perovskita representa un material complejo que consta de partes orgánicas e inorgánicas. Usamos pulsos de láser ultracortos para un calentamiento rápido y una evaporación dirigida de la parte orgánica de la perovskita que avanza a una temperatura bastante baja de 160 C0. La intensidad del láser se ajustó de tal manera que produzca fusión / evaporación de la parte orgánica sin afectar a la inorgánica. Dicho procesamiento no destructivo nos permitió lograr una calidad sin precedentes de las estructuras funcionales de perovskita producidas, "dijo Alexey Zhizhchenko, investigador de la Escuela de Ingeniería FEFU.
Los científicos de la FEFU y la Universidad ITMO señalaron tres áreas donde su desarrollo puede dar resultados tangibles.
El primero es el registro de información que el usuario puede leer solo bajo ciertas condiciones. "Hemos demostrado la relevancia de nuestro enfoque mediante la producción de rejillas de difracción y láseres de microbanda con un ancho en última instancia pequeño de solo 400 nanómetros. Estas dimensiones características allanan el camino hacia el desarrollo de elementos activos de los futuros chips de comunicación óptica y computadoras". "dijo Alexey Zhizhchenko.
En segundo lugar, con la ayuda de un láser, se puede cambiar el color visible de un fragmento de perovskita sin aplicar tinte. El material puede volverse amarillo negro, azul, rojo, dependiendo de las necesidades.
"Esto se puede utilizar para realizar paneles solares de todos los colores del arco iris. La arquitectura moderna permite cubrir toda la superficie del edificio con paneles solares, el punto es que no todos los clientes quieren paneles negros lisos, "Dijo Sergey Makarov.
La tercera aplicación es la fabricación de nanoláseres para sensores ópticos y chips ópticos que transmiten información a través de fotones en lugar de electrones.
Figura 1. Ablación láser de pulso único y múltiple de películas MAPbI3. a) Ilustración esquemática del procesamiento láser de pulso único y de pulso múltiple de películas MAPbI3 con soporte de vidrio con pulsos fs enfocados en forma de Gauss. b) Imágenes SEM de vista lateral (ángulo de visión de 30 °) de una película de MAPbI3 de 425 nm de espesor irradiada por un solo pulso fs con una energía de pulso E aumentada que varía de 2,44 a 25,2 nJ. Para un mejor entendimiento, cada imagen SEM se obtuvo combinando señales de dos detectores SEM:señal del detector InLens (parte derecha de cada imagen) y señal mixta SE / InLens. El diámetro del área de ablación está marcado con un círculo naranja en cada imagen. La barra de escala corresponde a 500 nm. c) Diámetro cuadrado D2 del área de ablación (marcadores de color naranja sólido) y el orificio pasante (marcadores huecos) producidos en la película de MAPbI3 de 425 nm de espesor bajo irradiación de pulso único (N =1) y de pulso múltiple (N =5) versus energía de pulso aplicada E (graficada en escala logarítmica). Para irradiación de múltiples pulsos, se considera la energía total del pulso incidente. d) Perfiles de temperatura pico en profundidad de MAPbI3 irradiado con láser calculados a fluencias pico incidentes variables F. e) Imágenes SEM correlacionadas y PL confocal de orificios pasantes de tamaño μm perforados en la película MAPbI3 de 425 nm de espesor por pulso único y múltiple -Irradiación de pulsos (N =5). Las barras de escala indican 2 μm. g) Fluencia incidente umbral Fth requerida para la ablación de película MAPbI3 (marcadores naranjas) y formación de agujeros (marcadores huecos) versus el número de pulsos de láser aplicados N medidos para el espesor de película variable h. Las curvas sólidas proporcionan los datos basados en evaluaciones teóricas. La curva punteada se ajusta a los datos experimentales promediados estadísticamente para el umbral de ablación. Cada pulso del tren tiene idéntica energía, mientras que la energía total del pulso incidente se considera para los cálculos de fluencia. Crédito:Oficina de prensa de FEFU
Litografía de proyección láser utilizada para el modelado avanzado con láser fs de películas de perovskita. a) Esquema de montaje experimental utilizado para la litografía de proyección láser fs. b) Perfiles de intensidad de plano focal de varios rayos láser de superficie plana utilizados para el modelado directo de películas de perovskita. c) Imágenes SEM de vista lateral en falso color representativas (ángulo de visión de 30 °) de aberturas aisladas producidas en película MAPbI3 utilizando perfiles de intensidad de superficie plana generados. d) Mapas PL confocales correspondientes en las proximidades de áreas con patrones láser. e) Serie de imágenes SEM de película MAPbI3 de 425 nm de espesor con un patrón de microagujeros de forma circular, aberturas de forma cuadrada, y 400 nm de ancho a través de nano rendijas. Crédito:Oficina de prensa de FEFU
Adaptación de las propiedades locales de PL mediante el adelgazamiento preciso inducido por láser y el nanopatrón de las películas MAPbI3. a) Imagen SEM de vista superior a gran escala que muestra una película de MAPbI3 de 425 nm de espesor irradiada con un rayo láser de superficie plana de forma cuadrada con una fluencia F (eje vertical) que varía gradualmente y un número de pulsos aplicados N (eje horizontal). b) Imágenes SEM de vista lateral representativas de varias áreas sometidas a ablación producidas con un número fijo de pulsos y un aumento de la energía del pulso. c) Imagen PL de campo amplio del área con patrón láser marcada con un rectángulo rojo. d) Imagen PL confocal de alta resolución del área modificada con láser de la película MAPbI2. El área irradiada con láser está marcada con líneas discontinuas. e) TR-PL decae para áreas de película MAPbI3 de forma cuadrada con patrones en diferentes fluencias. f) Imágenes SEM correlacionadas y PL de campo amplio de la película MAPbI3 modelada con rejillas de superficie de período de 800 nm de diferentes profundidades producidas al variar la fluencia aplicada F y el número de pulsos aplicados N. píxel que contiene rejillas de superficie impresas Crédito:Oficina de prensa de FEFU
Modelado láser de MAPbI3 para cifrado óptico y coloración de superficies. a) Imágenes SEM de primer plano de las rejillas de superficie impresas con láser de un período variable que va de 300 a 1000 nm (panel izquierdo), así como una imagen óptica de campo oscuro de las rejillas de superficie de 100 × 100 μm2 ajustadas por período dentro de un rango similar y visualizado con un objetivo de microscopio seco de 0.15-NA (panel derecho). b) Imagen óptica DF de letras “FEFU” en escala mm inscritas en la superficie de una película MAPbI3 de 425 nm de espesor mediante el registro de rejillas de superficie con períodos variables. El color de cada letra está ajustado por el período de rejilla. c) Imágenes PL y ópticas de campo claro de código QR cifrado con láser (panel superior). Dos imágenes SEM insertadas muestran la morfología de dos tipos de píxeles ("brillantes" y "oscuros") utilizados para el cifrado de códigos QR. El lado del píxel individual es de 7,5 × 7,5 μm2. Imágenes ópticas de campo oscuro de un código QR cifrado con láser similar observado tras la iluminación desde diferentes lados indicados por una flecha naranja (panel inferior). Crédito:Oficina de prensa de FEFU
Rendimiento duradero de los nanocables MAPbI3 (NW) impresos. a) Imagen SEM a gran escala de una matriz de MAPbI3 NW impresos con láser de longitud variable L y ancho w. El recuadro proporciona una imagen SEM ampliada que muestra la reproducibilidad del proceso de fabricación y las facetas de NW. b) Esquema de la fotoexcitación / emisión del MAPbI3 NW aislado. c) Vista lateral de primer plano (ángulo de visión de 40 °) Imagen SEM del NW aislado representativo con w =500 nm y L =8000 nm. d) Imagen PL del mismo NW bombeado a fluencias por debajo (F
Sencillo, La producción rápida y rentable de tales elementos podría dar lugar a una nueva era de tecnología informática basada en los principios de la luz controlada. El procesamiento de perovskitas de acuerdo con la tecnología propuesta brinda la oportunidad de obtener miles, incluso cientos de miles de nanoláseres por minuto. La introducción de la tecnología en la industria acercará al mundo al desarrollo de las computadoras ópticas.
"Otra característica clave de la tecnología propuesta es que permite el adelgazamiento capa por capa de las perovskitas. Esto abre el camino para diseñar y fabricar microestructuras tridimensionales más complicadas a partir de perovskita". por ejemplo, láseres emisores de vórtices a microescala, que son muy demandados para la multiplexación de información en las comunicaciones ópticas de próxima generación. En tono rimbombante, dicho procesamiento conserva e incluso mejora las propiedades de emisión de luz de la capa diluida pasivada debido a la modificación de la composición química, "dijo el miembro del equipo Aleksandr Kuchmizhak, becario de investigación en el Centro de Neurotecnología FEFU, VR y AR.
