Сегодня одним из самых активно изучаемых материалов является семейство перовскитов. Первым перовскитом был минерал титаната кальция, открытый в 1839 году в горах Урала, он долгое время рассматривался как материал для конденсаторов. Затем в 1980-х годах более сложные перовскиты стали применять для высокотемпературных сверхпроводников. Однако в начале  XXI века произошло его повторное «открытие», на этот раз как ценного сырья для фотоники.

Так называемые галогенидные перовскиты имеют большой потенциал для использования в оптических системах. Созданные на их основе лазеры могут испускать очень чистый и яркий свет. Перовскит эффективно поглощает световую энергию, что открывает потенциал для его использования в солнечной энергетике. 

Однако для широкомасштабного коммерческого использования перовскитов пока есть ряд проблем. Одна из них — поиск дешевого и эффективного способа придания микрокристаллам этого материала нужной формы. 

«Можно провести аналогию с ювелирным делом, в котором важно не только качество алмаза, но и его огранка, — рассказывает декан факультета фотоники Университета ИТМО Сергей Макаров. — Нужно обработать камень так, чтобы придать ему нужную форму, сохранив его свойства. Так и здесь, необходимо обработать перовскит, чтобы получить из него, например, микролинзу или другой оптический элемент. При этом мы не должны повредить его функциональным свойствам, прежде всего — оптической прозрачности и эффективности люминесценции».  

Недостатки существующих методов

Сегодня ученым известен ряд способов обрабатывать полупроводниковые материалы. Они позволяют вырезать, выдавить или вытравить необходимый узор на поверхности образца или придать самому микрокристаллу материала необходимые очертания. Однако эти методы плохо подходят для работы с микро- и наноскопическими частицами перовскита.  

«Например, один из самых точных методов нанолитографии — литография сфокусированным ионным пучком, — объясняет Сергей Макаров, — на материал направляется поток ионов и «снимает» лишнюю часть материала с образца. Но с перовскитом эта технология не работает. Используемые для обработки ионы галлия нарушают кристаллическую структуру и внедряются в неё. Мы просто портим материал. Даже если после обработки он по форме смотрится хорошо, то в реальности его оптические свойства безнадежно испорчены».  

Дело в том, что встроившиеся в структуру кристалла ионы галлия начинают поглощать свет, а не пропускать его через себя. В результате активный элемент для лазера из такого кристалла уже не сделать. Поэтому ученые экспериментировали с различными методами обработки перовскита. Методы давали результат, но были тяжелыми в применении и нередко так же приводили к порче материала. 

«К примеру, многостадийная литография с использованием фоторезисторов, — дает пояснение Сергей Макаров, — она подразумевает нанесение жидких материалов для защиты образца. Но мы работаем с микрокристаллами, которые не очень надежно держатся на подложке. Нанося жидкость, мы можем сдвинуть их или вообще смыть. Можно использовать наноимпринт литографию, когда какой-то паттерн наносится на кристалл при помощи пресс-формы под давлением. Но тут тоже возникает проблема, ведь давление может сместить микрокристалл, что опять же приведет к его порче при обработке».       

Лазерная обработка 

Международная группа ученых, в которую вошли ученые Университета ИТМО, Дальневосточного федерального университета, Института систем обработки изображений РАН и японского Университет Токай предложила иной способ придания монокристаллам перовскита нужной формы. 

«В наших предыдущих работах мы опробовали технологию лазерной абляции тонких пленок, состоящих из множества нанокристаллов перовскита, — вспоминает Александр Кучмижак, старший научный сотрудник в Тихоокеанском квантовом центре ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН, соавтор работы. — Мы показали, что из пленки можно вырезать лазером микроструктуры различной формы. При этом такая обработка не приводила к деградации оптических и светоизлучающих свойств полученных структур в результате лазерного воздействия.  На основе этой работы мы решили попробовать схожий метод для обработки единичных микро- и нанокристаллов перовскита».   

Для этого ученые использовали ультракороткие (фемтосекундные) лазерные импульсы. За счет того, что перовскит имеет сравнительно плохую теплопроводность, ученым удалось выжечь нужные части кристалла, не повредив его структуру на соседних участках. Таким образом, ученым удалось «вырезать» из монокристалов линзы и другие элементы, которые можно использовать в оптических системах.   

«С использованием разработанного лазерного метода записи нам удалось сформировать из перовскитных микрокристаллов разнообразные функциональные оптические микроструктуры — различные микролинзы, “субволновые” дифракционные решетки с периодом существенно меньше длины волны оптического излучения и так далее. Однако, перовскитные оптические элементы могут использоваться не только как пассивные устройства — для отклонения пучка или его фокусировки в дифракционный предел, они также могут выступить в качестве функциональных элементов более сложных активных оптических устройств — микролазеров, свербыстрых модуляторов и других элементов оптических чипов нового поколения” — рассказывает еще один соавтор работы, старший научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН и ДВФУ Алексей Жижченко. 

Данное исследование открывает новые возможности для создания высококачественных элементов микрооптики из перовскитов. Это может приблизить широкомасштабное использование этого материала в микрочипах и других оптоэлектронных  устройствах. Проект поддержан Российским научным фондом.      

A.Y. Zhizhchenko, A.B. Cherepakhin, M. Masharin, A. Pushkarev, S.A. Kulinich, A. Porfirev, A.A. Kuchmizhak, S.V. Makarov. Direct Imprinting of Laser Field on Halide Perovskite Single Crystal for Advanced Photonic Applications. Laser & Photonics Reviews, 2021