Группа ученых из Университета ИТМО представила обзорную статью, посвященную перспективам материалов на основе галогенидного перовскита. Группа исследователей уверена, что этот материал может совершить революцию в нанофотонике. Труд авторов был особо оценен редакцией журнала «Applied Physics Reviews». Корреспондент ITMO.NEWS встретился с авторами исследования и узнал, какие уникальные свойства перовскитов позволят повысить эффективность солнечных батарей, а также в чем преимущество этого материала над кремнием. 

Галогенидный перовскит – материал сравнительно новый для нанофотоники. Впервые его стали использовать для создания солнечных батарей около десяти лет назад. Этот искусственный материал имеет структуру, идентичную природному минералу перовскиту, обнаруженному в горах Урала еще в XIX веке и получившему свое имя в честь Льва Перовского, министра внутренних дел и страстного коллекционера минералов.

Несмотря на то, что множество ученых по всему миру работают над тем, чтобы внедрить галогенидный перовскит в промышленное производство солнечных батарей и светодиодов, до сих пор многие свойства этого метаматериала вызывают споры или не до конца ясны ученым. Поэтому группа физиков Университета ИТМО решила собрать всю имеющуюся на сегодняшний день информацию о перовскитах и представить ее в своей статье в «Applied Physics Reviews». Усилия ученых оценила редакция журнала, лично главный редактор назвал статью одной из лучших в номере.

«Нам важно было показать, какие преимущества имеет данный материал для создания элементов мета-оптики и нанофотоники по сравнению с используемыми ранее материалами, – рассказывает один из соавторов статьи Сергей Макаров, – Мы надеемся, что эта работа стимулирует интерес у оптического комьюнити к разработке новых оптоэлектронных устройств на основе перовскитов, так как использование современных нанофотонных технологий открывает уникальные перспективы в данной области. Могу предположить, что редакции понравился наш междисциплинарный подход и то, что мы постарались выполнить дополнительные расчеты для объединения одной идеей опубликованных ранее разрозненных экспериментальных данных различных лабораторий».

Перестраиваемый метаматериал

Одним из важнейших преимуществ перовскитов является их перестраиваемость: в зависимости от задач, которые ученые и инженеры хотят решить, метаматериал на основе перовскита легко можно адаптировать, использовав для его создания разные химические элементы.   

«Есть такое понятие, как ширина запрещенной зоны у полупроводников, – это те значения энергии, которыми не может обладать электрон в данном материале. У традиционных полупроводников, таких как кремний и арсенид галлия, эта зона фиксированная. В случае с перовскитами мы можем ее модифицировать, например, при помощи галоидного замещения. Говоря более простым языком, это достигается заменой одной из составляющих материала, а именно аниона галогена, другим химическим элементом той же группы. К примеру, атом брома в исходном составе материала можем заместить йодом или хлором, и наоборот. Более того, весь процесс является обратимым – свойства материала при необходимости могут быть возвращены в исходное состояние. Варьируя ширину запрещенной зоны, мы подстраиваем наш материал для работы в различных диапазонах длин волн. В частности, мы можем получить светодиод, который светит синим, зеленым, или красным. Также и с солнечными батареями – они могут поглощать только часть света, в каком-то конкретном диапазоне и этот диапазон можно двигать под конкретные задачи», – поясняет соавтор исследования Павел Ворошилов.

Также адаптивность перовскитов удобна для их использования в компактных источниках излучения. При этом их можно настраивать in situ – уже после создания, что открывает новые возможности для появления устройств на основе перовскитов. 

«Все заинтересованы в создании миниатюрных источников света. В случае с перовскитами мы можем не только задавать исходные параметры материала, но и менять их уже после изготовления, причем здесь это сравнительно легко делается. Тем самым можно, к примеру, переключать один и тот же светодиод на другой цвет, а потом возвращать исходный. По сути, у нас появляется возможность реализовать цветные пиксели, состоящие из одного подобного перестраиваемого светодиода вместо трех, как в стандартной RGB-схеме, тем самым уменьшая физический размер самого пикселя. Это важно, потому что некоторые свойства перовскитов заставляют говорить о них как о перспективном материале для нового поколения LED-дисплеев», – продолжает Ворошилов.

Соревнование с кремнием

Одним из ключевых достоинств галогенидного перовскита по сравнению с арсенидом галлия и кремнием заключается в дешевизне производства наноструктур на его основе. Чтобы создать их на основе традиционных полупроводников, как правило, необходимо прибегать к помощи дорогостоящих установок и к дорогим методам синтеза.

«В случае перовскита нам проще, потому что они могут быть изготовлены вполне доступными химическими методами и совместимы с рулонной технологией. Эта технология позволяет наносить в большом объеме материал, раскатывая его по поверхности подложки, как рулон. Если мы говорим о формах наноструктур, можно изготавливать наносферы, нанокубы, микродиски, нанопроволоки на основе перовскитов, и для этого тоже существуют методы. К примеру, перовскитные наночастицы кубической формы могут быть получены при помощи методов химического осаждения из газовой фазы или переосаждения с помощью лигандов. Кремниевые наноструктуры тоже можно изготовить подобной формы, только это сложнее и дороже. Если нам нужны периодические структуры, то в случае перовскита у нас также есть вариант использовать довольно простой метод – нанопечать. Есть шаблон – потом штампуем нашу подложку с перовскитом этой печатью для придания поверхности нужной формы», – поясняет Ворошилов.

И все же пока перовскиты еще не заняли своего места на рынке производства диодов и солнечных элементов. Опыты и теоретические изыскания, которые провели авторы статьи, могут ускорить этот процесс.

«Помимо обзорной части, в данной работе есть также и оригинальное исследование, касающееся изучения оптических резонансов, которые могут возникать в наноструктурах на основе перовскита. Нами был обнаружен известный ранее для других материалов, но не рассматривавшийся ранее для перовскитов широкополосный эффект Керкера. Он позволяет получить направленное рассеяние света. По сути, у нас есть перовскитный нанокуб, мы его облучаем плоской волной, и он практически ничего не рассеивает назад, то есть в обратном направлении он не дает никакого отражения», – продолжает он.

Этот эффект может быть полезен в разных областях нанофотоники – для создания нанолазеров, более эффективных светодиодов. Однако наиболее наглядно его польза видна при использовании в солнечных батареях.

«На основе этого эффекта можно сделать, к примеру, просветляющее покрытие. Оно позволяет уменьшить отражение от поверхности. То есть, когда солнечный свет падает на солнечную батарею, часть света от нее отражается, потому что у нас есть оптический контраст между воздухом и самой структурой. Это потеря, потому что отраженный свет мог быть поглощен. Просветляющее покрытие на поверхности солнечной батареи позволяет свету проходить без потерь внутрь активного слоя и улучшает эффективность устройства», – поясняет Ворошилов.

В будущем, предполагает один из самых именитых авторов исследования Юрий Кившарь, перовскиты могут выиграть «соревнование» у кремния и стать одним из самых удобных материалов для создания нанофотонных устройств.  

«Галогенидные перовскиты могут быть использованы в качестве резонаторных материалов с высоким коэффициентом усиления, что позволяет создавать нанолазеры с размерами до 420 нм. Недавние разработки могут иметь далеко идущие последствия для создания современных оптоэлектронных устройств с оптимизированными оптическими характеристиками», – поделился он мнением.

Константин Крылов

Редакция новостного портала