Ученые ИТМО разработали новый способ создания структурных цветных перовскитных пленок — полупроводниковых материалов — без риска образования брака и загрязнений. Специальный наноорнамент, благодаря которому удается придать нужные оптические свойства перовскиту, наносят лазером не на саму перовскитную пленку, а на подложку — субстрат из диоксида титана. Также с помощью таких пленок можно менять направленность люминесценции. Такие наноструктурированные полупроводники открывают возможности для разработки нового типа солнечных батарей и светодиодов с улучшенными электрофизическими характеристиками. Результаты исследования были опубликованы в журнале Light: Advanced Manufacturing.

^{Пленки из диоксида титана, созданные с помощью лазерного метода структурирования поверхностей (LIPSS) учеными ИТМО. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

В последние годы в качестве альтернативы кремнию в солнечных батареях, фотодиодах и светодиодах всё активнее изучают перспективы использования полупроводниковых перовскитов. Они лучше поглощают свет в оптическом диапазоне. Кроме того, такие полупроводники проще производить: их получают методами растворной химии ― более быстрым и экономичным способом, который подходит для массового производства. При этом качество исходных материалов — реактивов, из которых синтезируют полупроводники — для получения эффективных составляющих устройств не столь важно, так как они менее подвержены дефектам.

Чтобы создавать новые наноэлектронные устройства, часто необходимо выполнить наноструктуризацию полупроводниковых пленок. Это позволяет, например, улучшить полупроводниковые свойства материалов или их фотопоглощение. Один из самых распространенных методов наноструктуризации перовскитов — травление ионным пучком, то есть выедание материала пучком ионов с помощью установок электронной микроскопии. С его помощью удается добиться появления нужных оптических свойств у материала. В большинстве случаев лазером воздействуют на сам перовскит. Но это, как правило, приводит к его абляции — удалению с поверхности — и образованию на ней гари, что препятствует созданию современных многослойных устройств ― например, солнечных батарей и светодиодов.

Ученые ИТМО предложили способ, который позволяет «наносить» наноорнамент на перовскиты без прямого воздействия на них лазером. С помощью лазерного метода структурирования поверхностей (LIPSS) наноорнамент формируют не на самой перовскитной пленке, а на пленке из диоксида титана. На последнюю воздействуют импульсным лазером в специально подобранном режиме. Свет от лазера поглощается пленкой и возбуждает поверхностный плазмонный резонанс — когда частота падающего света совпадает с частотой синхронных колебаний электронов на поверхности пленки. Из-за этого подложка локально плавится и затем мгновенно застывает. Так на поверхности диоксида титана образуются «бороздки» разной формы и глубины. После на пленку из диоксида титана наносят перовскитную, которая приобретает свойства наноорнамента подложки.

^{Перовскитные пленки, созданные с помощью лазерного метода структурирования поверхностей (LIPSS) учеными ИТМО. Фото представлено учеными ИТМО}

^{Пленки из диоксида титана, созданные с помощью лазерного метода структурирования поверхностей (LIPSS) учеными ИТМО. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

Внешне наноорнамент на пленках напоминает зыбь на поверхности моря или песчаных дюн ― он точно так же повторяется с определенным периодом. Именно этот период определяет дифракционные свойства перовскитной пленки, то есть те цвета, которые мы видим на ее поверхности — оттенки от зеленого до голубого. Изначально перовскит коричневого цвета, но, когда свет локализуется в «бороздках» наноорнамента, он преломляется под другим углом и выходит «окрашенным по-новому». Этот оптический эффект в точности повторяет природный механизм образования окраса на крыльях бабочки: на них располагаются небольшие чешуйки, в которых свет локализуется и преломляется под определенным углом, и в итоге происходит изменение цвета.

«Мы выяснили, что от наноорнамента также зависят фотолюминесцентные свойства перовскитных пленок, а именно диаграмма направленности фотолюминесценции — так называемого холодного свечения. Иными словами, мы можем “направить” свет в нужную область. При повороте пленки под разными углами люминесценция будет увеличиваться или уменьшаться, то есть мы будем получать более или менее яркий источник света без изменения других свойств материала. Это доказательство анизотропии света — главный научный результат исследования», — отмечает первый автор статьи, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физического факультета ИТМО Александра Фурасова.

Еще одно преимущество разработанного учеными ИТМО метода — высокая скорость «записи» наноорнамента на пленку. Всего за минуту можно сформировать до одного квадратного сантиметра такого нанопаттерна на поверхности диоксида титана. А так как физики работают с объектами в нанометровом масштабе, время записи можно еще сократить. Кроме того, пленки из диоксида титана пригодны для повторного использования: с их поверхности можно смыть пленку из перовскита и нанести новую. Размер пленок также можно варьировать. Благодаря этим свойствам такие полупроводники перспективны для масштабирования.

«Примечательно, что в работе использовались передовые лазерные технологии для быстрой и высококачественной записи окрашивающих наноструктур. Вместе с коллегами из Института лазерных технологий ИТМО нам удалось оптимизировать процесс настолько, что мы смогли применять уже промышленные лазерные системы для такого рода прецизионных задач, когда толщина модифицированного слоя диоксида титана в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса», — добавляет главный научный сотрудник и заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физического факультета ИТМО, профессор Сергей Макаров.

Разработанные перовскитные пленки могут быть использованы для создания нового типа высокоэффективных солнечных батарей, светодиодов и фотодетекторов. Ученые уже приступили к следующему этапу и тестируют созданные перовскитные пленки в разработке реальных устройств.

Исследование проводилось в рамках грантовой поддержки РНФ и средств федеральной программы «Приоритет 2030».