Что такое «перовскитная революция» и к чему она привела
Еще столетие назад перовскит был известен лишь как редкий природный материал — титанат кальция (TiCaO3). Впервые минерал обнаружили в России, в Уральских горах, а своим названием он обязан графу Льву Перовскому (общая формула перовскитов ABX3, собственно, и была названа перовскитной структурой). Новый прорыв в изучении свойств подобного материала, но уже с другими, чем у TiCaO3 компонентами (A, B, X) произошел лишь несколько лет назад. И в данном случае речь шла уже о так называемом гибридном органически-неорганическом материале MAPbI3.
В 2013 году журнал Science включил новые гибридные перовскиты в список прорывных технологий на правах перспективного элемента для солнечных батарей. Тогда же ученые обнаружили, что их КПД применительно к фотовольтаике и светодиодам практически сопоставим с традиционными лучшими полупроводниками, такими как, например, кремний или арсенид галлия. Обладают перовскиты еще одним преимуществом: технология их изготовления не только проще, но и позволяет применять их на любых гибких основах — от листа бумаги или полимерной пленки до ткани.
Изучать и развивать уникальные свойства перовскитов, создавая на их основе качественно новые оптоэлектронные устройства, будут и в новой лаборатории Университета ИТМО в Петербурге, которая создается в рамках мегагранта, выигранного учеными университета в сотрудничестве с Техасским университетом в Далласе. Работа будет идти в коллаборации с профессором американского университета Анваром Захидовым. Именно он предложил для увеличения эффективности оптоэлектронных приборов внедрять в них различные наноструктуры. Кроме того, лаборатория Захидова — одна из немногих в мире, что обладает на сегодняшний момент всеми необходимыми материалами и методами для их исследования. Эти материалы, а также идеи профессора из Далласа в совокупности с передовым оптическим оборудованием Университета ИТМО, как полагают на кафедре нанофотоники и метаматериалов университета, помогут создать почву для эффективного взаимодействия.
Об этапах создания уникальной лаборатории, первых результатах сотрудничества и «задачах мечты» в фотонике ITMO.NEWS поговорил с руководителями мегагранта — старшим научным сотрудником кафедры нанофотоники и метаматериалов Сергеем Макаровым и профессором Техасского университета в Далласе Анваром Захидовым, который накануне приехал в Петербург для проведения первого международного двухдневного семинара, посвященного формальному началу работы по проекту (Kick-off Workshop).
Вы начали сотрудничество в начале 2016 года, а уже в сентябре прошлого года вам удалось выиграть мегагрант. Как начиналась совместная работа и каких результатов удалось достичь на сегодняшний момент?
Анвар Захидов: Сначала в феврале 2016 года я побывал в Университете ИТМО с большим докладом о перовскитах и заинтересовал коллектив Павла Белова. Потом в марте Сергей Макаров приехал ко мне в лабораторию в Техасский университет, и мы начали работать над первой идеей по объединению наночастиц и перовскитов. У нас стали получаться хорошие результаты, позже Сергей снова ко мне обратился и предложил написать проект, уже на мегагрант. Хотя у меня было на тот момент много других проектов, я согласился. Оказалось, что тема интересная. Уже первые наши результаты были весьма убедительными, и мы победили в конкурсе. В это время мы активно работали независимо от мегагранта, ведь творческих людей увлекает сам процесс, а не формальная победа в гранте.
Сергей Макаров: В начале 2016 года мы поняли, что есть взаимный интерес, что в нашей работе существует пересечение по многим темам. Я долгое время занимался нанофотоникой, а Анвар — новыми материалами и оптоэлектронными устройствами на их основе. Мы поняли, что современная наука и технологии созрели для того, чтобы объединить эти области (в частности, гибридные перовскиты), то есть соединить новые гибридные материалы с новыми концепциями нанофотоники, чтобы сделать на этой основе новые устройства. Улучшенные солнечные элементы, новые лазеры, фотоприемники, светодиоды — все это можно создать за счет новых концепций нанофотоники. Мы используем наночастицы, которые позволяют управлять светом на наномасштабе и делать, допустим, LED-светодиоды более яркими, лазеры более интенсивными, солнечные элементы более эффективными — в целом повышать эффективность всех оптоэлектронных устройств на основе новых материалов.
Анвар Захидов: Сейчас работа у нас двигается довольно быстро. Перед Новым годом, в ноябре-декабре, мы поняли, насколько, оказывается, интересны наши наноимпринтованные перовскитные структуры для усиления взаимодействия со светом. Отмечу, что мы их создали в Техасском университете, а потом я их привез сюда, в Университет ИТМО. Уже здесь мы исследовали эти структуры и увидели интересный эффект очень сильного усиления нелинейной люминесценции. Были сделаны расчеты (по инициативе Юрия Кившаря, который в это время также приезжал в Университет ИТМО из Австралии), и мы все вместе отставили свои обычные дела, сосредоточились на анализе полученных результатов и быстро написали хорошую статью. Я очень доволен, что мегагрант начинается с успешного и многообещающего научного результата. Тем более, что мы этот результат уже «застолбили» в хорошей публикации в хорошем журнале.
Лаборатория, которая создается в рамках мегагранта в Петербурге, на улице Ломоносова, уникальна для России. В чем ее особенность и как идет строительство и оснащение?
Анвар Захидов: Эту лабораторию мы будем строить постепенно, в два этапа. Первоначально работа будет вестись в кооперации и частично на базе новой лаборатории Органической электроники и фотовольтаики, которая создается в Университете ИТМО. Мы будем работать в тандеме с центром и его руководителями — Викторией Желтовой и Дмитрием Паращуком, которые создают в вузе многоцелевую базу для гибкой органической и печатной электроники. Мы со своей стороны дополним это направление гибридными наноимпринтованными перовскитами, а также другими гибридными органо-неорганическими материалами, углеродными нанотрубками и резонансными наночастицами. А студенты и аспиранты Университета ИТМО будут создавать в лаборатории прототипы различных гибких электронных приборов: LED-светодиодов, сенсоров, преобразователей энергии, источников света, фотодетекторов. Эта работа будет вестись на новой многоцелевой и многокамерной установке, закупаемой в рамках нашего мегагранта. Но ту большую новую лабораторию, которую мы себе представляем в итоге — «Лабораторию гибридной нанофотоники и оптоэлектроники», мы построим отдельно, оснащая ее современным оборудованием постепенно, за три года. Вокруг нашей лаборатории будут созданы небольшие группы в поддержку инноваций. Например, мы планируем пригласить профессора Альдо ди Карло из Рима для создания инновационного центра по солнечным батареям.
Сергей Макаров: В дальнейшем в лаборатории мы уйдем от обычных неорганических полупроводников, которые требуют более сложной технологии напыления, высокотемпературные процессы, вакуумные камеры и так далее. Здесь все будет делаться при помощи нанесения тонких пленок жидкой химии, что гораздо удешевит производство приборов. Ведь химия гораздо дешевле, чем вакуумные камеры, где нужно напылить идеальные слои, при этом согласовывая их между собой. В данном случае мы замешиваем материал на основе перовскитов и, грубо говоря, выливаем на поверхность электродов тонким слоем в так называемых «спин-коатерах». Это все делается без вакуума, без дорогих элементов, без дорогостоящей полупроводниковой технологии, а также на гибких основах.
В течение какого времени вы планируете получить первые практические результаты?
Сергей Макаров: Лаборатория будет создана в течение первого года и будет расширяться в течение трех лет. В этот период мы планируем собрать команду из порядка 15 человек, далее мы хотим привлекать специалистов из-за рубежа на постоянную работу, средства для этого есть. Сейчас наша задача — создать команду, квалифицированный коллектив, который будет даже после истечения трехлетнего срока мегагранта продолжать работать и выигрывать новые гранты, публиковать статьи, делать патенты и многое другое.
Анвар Захидов: В течение трех ближайших лет мы должны будем получить большой результат и закончить основную работу. И потом на основании этого мы сможем продлить свой план, возможно, еще на два года. Это распространенная практика среди обладателей мегагрантов. И я точно могу сказать, что мы не хотим останавливаться и через три года. За этот период, я уверен, мы многое сделаем, создадим лабораторию, будем работать в тандеме с инжиниринговым центром и другими коллективами, поднимем все это на высокий международный уровень, потом продлимся на два года и сможем уже приступить к выполнению мегазадач, или «задач мечты».
Что это за «задачи мечты»? Расскажите, пожалуйста, подробнее.
Анвар Захидов: Возьмем к примеру те лазеры, которые мы сегодня носим в кармане в качестве указки, — они крайне просты. Вы нажимаете на кнопку, от батареи идет электричество, и ток превращается в свет в твердотельных диодах. Они называются электрически накачиваемыми лазерами. Так вот наша мечта — создать такой же электрически накачиваемый лазер, но только на гибридном перовскитном материале, который будет очень тонким и гибким. Он будет более ярким, у него будут другие, перестраиваемые в яркие цвета, он в целом будет гораздо более функционален и эффективен. И кроме того, мы сможем сделать его гибким или даже пластичным, как резина. Например, в виде небольшого платочка, который можно растягивать, или в виде прочной ткани. Это может быть даже тонкая прозрачная веревочка, которую можно обмотать вокруг пальца, нажать и из нее будет идти свет. Прикладное применение такого прибора очень обширно. Можно сделать ткани, на которых будет много лазеров. Лазер можно использовать, чтобы, например, лечить, диагностировать заболевания, диагностировать присутствие каких-то токсических веществ вокруг нас, это ведь будут очень чувствительные сенсоры. Но это все простые применения. Гораздо более интересными будут фотонные чипы, или фотонные интегральные схемы, совместимые с кремниевыми CMOS-чипами. Такие чипы смогут стать базой новых компьютеров, устройств памяти.
И наконец, вторая большая мечта, над которой бьется весь мир, — это так называемый поляритонный лазер, в основе которого лежит новый принцип Бозе-Эйнштейновской конденсации комплексных бозе-частиц — светоэкситонов, более известных как поляритоны. Пока их делают при очень низких температурах, на основе периодических квантовых ям, которые создаются с помощью очень сложной и дорогой технологии, а мы хотим получить их довольно простыми методами и тоже на основе перовскитов, но специальным образом наноструктурированных, свойства которых в этом плане еще до конца не изучены. И они, как мы надеемся, будут работать при комнатной температуре.
Каково может быть его практическое применение?
Анвар Захидов: Прикладное применение такое же, как у обычных лазеров, но эти поляритоны могут иметь какие-то дополнительные необычные области. Например, они могут светить в области терагерцового излучения, на основе переходов в самом Бозе-Эйнштейновском конденсате. Все хотят терагерцы. Почему? Потому что они, эти волны субмиллиметрового диапазона, проходят через человеческое тело, сквозь предметы. Они проходят сквозь стены. Вы можете сквозь стену увидеть, что там кто-то стоит, и знать конкретно, что он там делает. Сейчас, конечно, нет таких приборов, которые могут видеть человека сквозь стены. И нет еще таких источников.
Пока эта мечта, конечно, очень далека. Хотя могу сказать, что в Университете ИТМО сложился очень мощный коллектив, исторически в этом университете есть серьёзная теоретическая группа, это сильные фотонщики, оптики, они тоже очень давно носятся с этой идеей. У них сейчас есть очень большие наработки в плане нанофотоники, а материала до этих пор не было. Но теперь с этим материалом появились мы. И мы можем применить его в таких нано-структурах, в которых, скорее всего, не обычный электрический, а именно поляритонный перовскитный лазер, возможно, и получится. Мечта такая есть, и над ее осуществлением надо много работать.
