В современной науке далеко не всегда получается так, что результаты одного исследования могут дать ощутимые прикладные результаты сразу в трех различных сферах технологии. Физикам из Университета ИТМО и их коллегам из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) удалось провести серию экспериментов по лазерной обработке перовскита, по результатам которой они показали, как можно делать солнечные батареи всех цветов радуги, как миллионами штамповать нанолазеры для будущих оптических транзисторов, а также как быстро записывать на поверхность информацию, которую сможет прочитать только тот, кому она предназначена. Результаты исследования опубликованы в журнале Small.

Перовскит. Источник: shutterstock.com

Перовскиты — это класс материалов с определенной кристаллической структурой. Впервые его обнаружили в первой половине XIX века на Урале в виде минерала, состоящего из атомов кальция, титана и кислорода, после чего перовскиты находили применения как в нелинейной оптике, так и для создания сверхпроводников. Однако сегодня они стремительно завоевывает позиции в солнечной энергетике и фотонике — в 2013 году работы по использованию этого материала вошли в ТОП-10 прорывов года по версии Science, так как новые органо-неорганические перовскиты уже сейчас бросают вызов кремнию или арсениду галлия.

Из перовскита можно также делать очень маленькие лазеры, их размер меньше длины волны света, который они излучают. При этом эти источники света легко переключать в видимом диапазоне света, проще говоря, их сигнал может иметь разный цвет. Однако за все приходится платить: из перовскита сравнительно сложно создавать крошечные структуры, размер которых исчисляется десятками нанометров. Это осложняет активное внедрение этого материала в промышленность.

«Перовскит слишком чувствителен к стандартным процедурам наноструктурирования, — рассказывает ведущий научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Сергей Макаров. — Обычно для получения наноструктур из кремния, арсенида галлия используют литографические методы на основе газофазного или жидкофазного травления. Однако перовскит так обрабатывать нельзя — реактивы зачастую просто разлагают материал».

Сергей Макаров

Роспись лазером

Однако у перовскита, помимо особо большой чувствительности к реагентам для травления, есть и другая особенность — крайне низкая теплопроводность. Тепло по этому материалу передается еще хуже, чем по стеклу. Это позволило ученым Университета ИТМО и Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) предложить метод обработки перовскита с помощью лазера.

«Обычные полупроводники, такие как арсенид галлия, обрабатывать с помощью лазера очень сложно, — поясняет 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 получаются четкими и очень миниатюрными».

Исследователи из Санкт-Петербурга подготовили материал, который затем обрабатывался во Владивостоке при помощи фемтосекундного лазера и прецизионной системы позиционирования. Дальневосточные ученые, имеющие богатый опыт в наноструктурировании, создали лазерные пучки со специальным профилем.

Александр Кучмижак. Фото Леонида Макогина

«С учетом особенностей структуры, химического состава и свойств перовскитных материалов мы предложили оригинальную технологию их лазерной обработки. Чтобы избежать таких разрушительных для перовскита эффектов, как перегрев, мы облучали его сверхкороткими лазерными импульсами. Интенсивность подобрали такую, чтобы в местах испарения материала температура достигала всего 160C⁰. У нас получилось равномерно и очень точно, послойно удалять перовскит в заданной профилем пучка области без существенного негативного воздействия на окружающий материал. Технология обеспечила беспрецедентное качество печати элементов», — рассказал Александр Кучмижак, научный сотрудник Центра НТИ ДВФУ по нейротехнологиям, технологиям VR/AR.

Цветные солнечные батареи, нанолазеры и запись информации

Сверхкороткий импульс фемтосекундного лазера не успевает нагреть большую площадь, вырезая наноструктуру на очень маленьком участке, именно том, который и нужен ученым. Как показали эксперименты, лазер может не только прорезать перовскит насквозь, но и делать в нем канавки различной формы, шириной в несколько нанометров. При этом оптические свойства материала сохраняю

Ученые описали в своей работе сразу несколько применений для этой технологии. Первое — нанесение на перовскит информации, которую можно будет считать только при определенных условиях, известных пользователю.

«Мы записали QR-коды, незаметные никому, кроме пользователя. Они могут быть как большими, так и микроскопическими. Также можно сделать многоуровневую защиту, то есть этот QR-код можно сделать таким, что его можно будет считать лишь в режиме фотолюминесценции или при подсветке с определенного угла», — поясняет Сергей Макаров.

Изображение из статьи ученых в журнале Small. Источник: onlinelibrary.wiley.com

Но это еще не все — с помощью лазера можно также менять видимый цвет фрагмента перовскита без красителя. Материал может казаться глазу желтым, черным, синим, белым, красным, в зависимости от ваших задач.

«Лазер, чтобы придать окрас поверхности, наносит специальные канавки в виде решетки с определенным периодом, — продолжает Сергей Макаров. — Это называется структурное окрашивание, когда цвет придается за счет структуры поверхности, а не за счет красителя. Это нужно для создания солнечных батарей всех цветов радуги. Современная архитектура позволяет покрыть солнечными батареями хоть всю поверхность здания, но далеко не все заказчики хотят однотонные черные панели. С помощью цветных батарей небоскреб может быть желтым, синим, красным и все равно работать всеми своими стенами и крышей как солнечная батарея. Да, производительность будет меньше, чем у черных фотоэлементов, но все равно выше, чем у простых стен».

Изображение из статьи ученых в журнале Small. Источник: onlinelibrary.wiley.com

Наконец, третье применение — создание нанолазеров для оптических сенсоров, а в будущем и для оптических компьютеров, информация в которых будет передаваться не за счет движения электронов, а за счет движения фотонов. Решение задачи по простому, быстрому и дешевому производству таких элементов — это одна из тех проблем, которая стоит на пути к новой эпохе вычислительной техники, работающей на свете.

«Источники света для нанолазеров выглядят как такие крошечные палочки, обычно их синтезируют химически, — рассказывает Сергей Макаров. — В работе же показано, что их можно вырезать из перовскита лазером. С помощью лазера мы можем получать тысячи, десятки, сотни тысяч таких палочек за минуту. Причем у них будут одинаковые параметры, одинаковая геометрия. В будущем, как мы надеемся, это позволит печатать такие лазеры прямо на интегральных схемах оптических чипов».

Константин Крылов,

редакция ITMO.NEWS