Работа группы, которую возглавили ученые ИТМО, опубликована в Laser & Photonics Reviews.
В последние годы технологии дополненной реальности развиваются все активнее. Разработчики из разных стран создают концепты и рабочие модели «умных» очков, «умных» окон, «умных» лобовых стекол автомобилей, снабжающих пользователя дополнительной информацией о происходящем вокруг него. В связи с этим активно растет спрос на материалы для таких технологий. Они должны быть прозрачными, чтобы не мешать человеку смотреть сквозь них, но при этом должны излучать свет, чтобы выводить на поверхность нужную информацию.
«Создание оптоэлектронных устройств, которые выполняли бы свои основные функции и при этом были бы полупрозрачными, гибкими, могли бы интегрироваться в стекла, является очень перспективным направлением. Это позволяет создавать красивые, привлекательные и функциональные устройства», ― рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета Сергей Макаров.
Перспективными материалами для этой работы являются галогенидные перовскиты. Эти полупроводниковые материалы являются сравнительно дешевыми в получении, но при этом демонстрируют высокую эффективность в солнечной энергетике и создании светодиодов.
«Солнечные элементы на основе перовскитов демонстрируют эффективность больше 25%, ― объясняет Сергей Макаров. ― Светодиоды на основе перовскитов имеют внешнюю квантовую эффективность, превышающую 20%. Более того, существуют крайне интересный класс устройств, который работает эффективно как в режиме солнечной батареи, так и в режиме светодиодов, то есть такие бифункциональные устройства на основе перовскитных материалов».
Обычная оптика не работает
Создание тончайших пленок, которые могли бы наноситься на стекло и при этом работать как экран дополненной реальности или светоизлучающий солнечный элемент, ― проблема весьма неординарная. Ведь из-за крайне малой толщины слоя управлять светом в нем весьма сложно.
«Когда речь идет о таких тонких активных слоях толщиной меньше, чем длина волны, на которой они работают, здесь возникает ряд сложностей, ― рассказывает Сергей Макаров. ― Подходы геометрической оптики уже не применимы. Здесь работают принципы нанооптики, когда нужно оптимизировать структуру, которая меньше длины волны, учитывая ее сложный резонансный отклик».
В качестве материала для создания таких покрытий ученые Университета ИТМО и Академического университета выбрали стандартные перовскитные пленки, которые уже сейчас применяют для производства светодиодов. Преимущества этих пленок в том, что запрещенная зона у них находится в видимом спектре, поэтому они могут пропускать через себя примерно половину различимых для человеческого глаза цветов.
Однако есть и проблема ― слишком большое количество света от них отражается, что влияет на прозрачность стекла, на которое нанесена пленка.
«Такие пленки изначально имеют коэффициент отражения около 30%, что говорит о том, что на отражении мы теряем треть энергии, ― рассказывает Сергей Макаров. ― Мы поставили задачу минимизировать эти потери ― чтобы оно не отражало и пропускало как можно больше. Чтобы, глядя через такую поверхность, человек не обращал внимание на то, что он смотрит через функциональный слой. При этом, чтобы сохранились полезные свойства».
Борьба за проценты
Чтобы снизить коэффициент отражения, ученым нужно было модифицировать пленки, создав из них метаповерхность. Грубо говоря, перед ними стояла задача снять с поверхности пленки часть перовскита, вытравив на ней определенный строго периодичный узор из канавок. В таком виде поверхность иначе взаимодействует со светом.
«Такие метаповерхности хорошо известны и производятся с использованием других материалов, например, кремния, ― объясняет Сергей Макаров. ― Если на них падает плоская волна, то каждый метаатом такой метаповерхности рассеивает излучение только вперед, и отражение назад стремится к нулю. Эффект известный, но реализовать его на материалах с высокой эффективностью излучения света (т.е. люминесценции) является нетривиальной задачей».
Дело в том, что нанесение «узора» должно осуществляться с нанометровой точностью. Для таких тонких операций используется, в частности, способ ионной нанолитографии, когда поверхность бомбардируется ионами галлия.
«Когда наши коллеги применяли такие методы для создания наноструктур, они видели, что в местах обработки они получали темные выжженные области, ― рассказывает аспирант физико-технического факультета Татьяна Ляшенко. ― Хотя материала оставалось довольно много, но при воздействии ультрафиолетом он переставал люминесцировать. Казалось, эта проблема, которая накладывает существенные ограничения. Однако интересный метод постобработки, подразумевающий под собой воздействие парами спиртового раствора соли на перовскитную поверхность, позволил довольно быстро восстановить свойства материала».
На пути к прототипу
В результате ученым удалось увеличить эффективность люминесценции материала, снизив коэффициент отражения.
«Тонкую пленку перовскита мы разделили на много отдельных наночастиц, расположенных периодически, ― рассказывает первый автор работы Ксения Барышникова. ― Каждая частичка, представляющая собой параллелепипед с закругленной "шляпкой", взаимодействует с падающим на нее светом аналогично тому, как антенна взаимодействует с радиоизлучением, захватывая и перенаправляя свет. Уникальность наночастиц перовскита заключается в том, что при определенных геометрических параметрах (которые мы и искали в данной статье) они способны взаимодействовать со светом в широком диапазоне солнечного спектра схожим образом. При этом большая часть энергии проходит по направлению падения света. Оставшаяся часть поглощается в перовските, преобразуясь в энергию фотолюминесценции. В результате мы получаем высокопропускающую антибликовую метаповерхность с активными свойствами».
Следующим шагом будет интеграция подобных поверхностей в оптоэлектронные устройства, то есть переход от фундаментальной работы к прототипированию.
Статья: Kseniia Baryshnikova, Dmitry Gets, Tatiana Liashenko, Anatoly Pushkarev, Ivan Mukhin, Yuri Kivshar, Sergey Makarov. Broadband Antireflection with Halide Perovskite Metasurfaces, Laser & Photonics Reviews, 2020/10.1002/lpor.202000338
