Почему перовскиты — прорывной материал
В начале статьи ученые отвечают на вопрос о том, почему же галоидные перовскиты и наноструктуры на их основе стали такими популярными и востребованными в исследовательской среде? В первую очередь этот класс материалов произвел революцию в области фотовольтаики, где на основе него уже достигнут уровень эффективности 23.3%, что приближается к значительно более дорогим аналогам на основе кремния. Также на основе перовскитов можно создавать светодиоды благодаря их превосходным люминесцентным свойствам. Светодиоды на основе перовскитов можно делать в диапазоне длин волн всего видимого излучения, при этом спектр почти не будет зависеть от размеров элемента, а только от свойств самого материала. Способность перовскитов поглощать свет также используется для изготовления эффективных фотодетекторов.
Однако совсем недавно стало ясно, что и с точки зрения нанофотоники перовскит представляет немалый интерес. Наноструктуры на основе перовскитов дешево производить, у них высокие значения показателя преломления, что позволяет локализовать свет и управлять им на наномасштабе, а также в них наблюдаются экситоны при комнатной температуре. Кроме того, этот материал удобно сочетать с другими типами наноструктур для получения новых оптических эффектов.
Исторически для получения наноразмерных оптических элементов использовались различные металлы. Затем наступила пора диэлектриков, так как они позволяют сократить оптические потери и получать новые функциональные свойства. Это такие материалы, как кремний, оксид цинка, арсенид галлия и другие материалы с высокими значениями показателя преломления. Кроме того, методы их производства сильно развиты. Однако у большинства этих материалов есть свои ограничения, связанные с тем, что их тяжело использовать для работы с излучением на разных длинах волн. Также они редко поддерживают существование экситонов при комнатной температуре. И наконец, производить высококачественные наноструктуры на основе диэлектриков, как правило, достаточно дорого.
Галоидные перовскиты выгодно отличаются на фоне подавляющего большинства диэлектриков. Помимо низкой стоимости и простоты изготовления наноструктур на их основе перовскиты — легко перестраиваемый материал, что позволяет им излучать достаточно «чистые» цвета (спектрально узкие) в широком диапазоне длин волн от 400 до 1000 нанометров. Благодаря особенностям строения галоидных перовскитов интенсивность излучения света из них устойчива к дефектам, что сейчас активно используется для создания высокоэффективных нанолазеров на их основе.
Какие наноструктуры можно получать на основе перовскитов
Из перовскитов сегодня получают оптически резонансные наночастицы сферической или кубической формы размером 200-1000 нанометров. Их можно получать методом лазерной абляции или химическим синтезом. Они обладают хорошими резонансными свойствами в видимом диапазоне. Наночастицы размером даже 500 нанометров обладают лазерными свойствами, то есть способностью когерентно излучать фотоны. Путем несложных химических преобразований такие наночастицы из перовскитов могут излучать как когерентно, так и некогерентно на длинах волн всего видимого спектра, и, более того, такие лазеры работают при комнатной температуре.
Также из галоидных перовскитов получают наностержни и нанопластины. Полностью неорганические галоидные перовскитные наностержни менее подвержены внешним возмущениям, чем их органо-неорганические аналоги. Перовскитные наностержни также позволяют работать с излучением во всем видимом спектре и даже в инфракрасном диапазоне.
Другим удивительным отличием перовскитов от известных полупроводников является мягкость материала и возможность его деформации без потери эффективности работы. Периодические структуры из перовскитов получают при помощи самой дешевой технологии наноструктурирования пленок — наноимпринтной литографией, которая часто используется в полимерной промышленности. Например, так можно получать фотонные кристаллы из перовскитов или метаповерхности — это планарные структуры с оптическими резонансами. Они уже используются для создания лазеров с распределенной обратной связью, являющиеся перспективными за счет своей дешевизны производства и простоте настройки.
Использовать перовскиты можно и в 3D — фотонных кристаллах, которые в естественных условиях образуются в опалах. Пространство между структурной решеткой опалов может быть заполнено разными материалами для получения свойств, которые можно использовать в работе лазеров. Использование в качестве такого материала перовскита позволяет существенно улучшить некоторые физические свойства кристалла, в том числе для повышения эффективности солнечных элементов. Перовскиты можно успешно сочетать и с другими резонансными наноструктурами, в том числе с плазмонными наночастицами и волноводами, а также другими метаповерхностями, где галоидный перовскит обычно играет роль фотоактивного материала излучающего или поглощающего свет.
Применение наноструктур на основе галоидных перовскитов и существующие вызовы для ученых
На основе превосходных электрических и оптических характеристик галоидных перовскитов и простоте их производства создаются эффективные солнечные батареи, фотодетекторы, светодиоды и лазеры. Но дополнительное наноструктурирование перовскитов открывает новые возможности по улучшению характеристик этих устройств. Например, в лаборатории профессора Анвара Захидова в США с помощью наноимпринтной литографии удалось повысить чувствительность перовскитных фотодетекторов в 35 раз по сравнению с ровными устройствами. В других лабораториях мира чувствительность перовскитных устройств также увеличивается за счет внедрения в них резонансных металлических наночастиц. А в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники совсем недавно повысили эффективность солнечной батареи за счет внедрения кремниевых наночастиц.
В конце обзорной статьи ученые подчеркивают, что все еще остается ряд нерешенных вопросов и актуальных для практического применения задач в области изучения перовскитов. Во-первых, необходимо продолжать работать над повышением стабильности таких наноструктур. Во-вторых, следует увеличивать диапазон длин волн, которые могут излучать перовскиты, так как это позволит использовать их в телекоммуникациях и кремниевых микросхемах. Для использования в тех же микросхемах стоит продолжать разрабатывать наномасштабные лазеры на основе перовскитов, так как это будет наноразмерный источник когерентного излучения. В-третьих, перспективным является создание нелинейных преобразователей частоты света на основе перовскитов для получения эффективных источников терагерцового и ультрафиолетового излучения. И наконец, необходимо сделать коммерчески доступными технологии наноструктурирования перовскитов.
ITMO.NEWS задал несколько вопросов первому автору статьи Сергею Макарову, руководителю лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, о том, какие самые перспективные разработки сегодня ведутся с перовскитами в мире, а также какими научными исследованиями в этой области могут заняться магистранты Университета ИТМО.
Какое из приложений разработок на основе галоидных перовскитов кажется вам наиболее интересным с научной точки зрения и с точки зрения инновационности?
Безусловно, сейчас все внимание приковано к резкому росту эффективностей солнечных батарей на основе галоидных перовскитов. Мы считаем, что именно эта технология в скором будущем выйдет на рынок. В силу не только своей низкой стоимости, но и меньшего срока службы, перовскитная фотовольтаика будет полезна для обеспечения энергией устройств, время использования которых также ограничено несколькими годами. С точки зрения инновационности подходов одной из наиболее впечатляющих разработок тут являются перестраиваемые нанолазеры, которые мы создаем в нашей лаборатории. В скором времени их применение позволит создавать недорогие оптические чипы.
Какие фундаментальные исследования перовскитов сегодня требуют наибольших усилий со стороны ученых как по степени их актуальности, так и по степени их сложности?
В первую очередь необходимо повышать срок службы всех перовскитных устройств и наноструктур. Существует множество негативных факторов воздействия на перовскиты, которые надо минимизировать — защита от паров воды в атмосфере воздуха, от ультрафиолета, от контакта с химическими активными материалам. Работа над каждым отдельным каналом деградации — это целое направление в данной области, над которым трудятся десятки лабораторий мира.
Какие фундаментальные исследования перовскитов в Университете ИТМО могут иметь наибольшую практическую направленность?
В лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники мы работаем не только по чисто фундаментальным задачам, но сразу по нескольким прикладным задачам. Анатолий Пушкарев разрабатывает перестраиваемые перовскитные светодиоды высокой яркости, работающие во всем видимом диапазоне. Дмитрий Гец создает устройства, работающие сразу в двух режимах — солнечного элемента и светодиода, что важно для эффективных портативных дисплеев. Александра Фурасова придумала универсальный способ увеличения эффективности перовскитных солнечных батарей за счет внедрения кремниевых наночастиц. Мы имеем огромный интерес к нашим разработкам от индустриальных партнеров.
Почему возникла необходимость написать обзор исследований в области галоидных перовскитов? Есть у этого какая-то практическая направленность, цель?
Целью данного обзора является начало разговора на одном языке специалистов, занимающихся совершенно в разных областях науки — оптика, фотовольтаика, оптоэлектроника, материаловедение и химия. Собственно, из таких специалистов и состоит наша лаборатория, как и Физико-технический факультет Университета ИТМО. Теперь этот обзор у нас является «настольным» для каждого сотрудника, так как он содержит и немало справочной информации, полезной в ежедневных исследованиях.
Какие компетенции по исследованиям перовскитов вы хотели бы передать новым магистрантам нашего вуза?
В работе с такими материалами как перовскиты мы передаем студентам опыт работы в таких областях фундаментальной науки, как оптика и физика твердого тела с той особенностью, что объекты исследований являются наноразмерными. С точки зрения практических навыков — это и работа с самыми современными оптическими приборами (микроскопы, спектрометры, лазеры), и с установками по созданию оптоэлектронных устройств, а также базовые навыки химического синтеза новых наноматериалов. В совокупности выпускники будут востребованы как научными лабораториями, так и инновационными компаниями всего мира, с многими из которых мы поддерживаем тесные связи.
