Credito: Piccolo
Scienziati dell'Università Federale dell'Estremo Oriente (FEFU) in collaborazione con i colleghi dell'Università ITMO, e università in Germania, Giappone, e Australia, hanno sviluppato un metodo per una precisa, lavorazione laser veloce e di alta qualità di perovskiti ad alogenuri (CH 3 NH 3 PbI 3 ), promettenti materiali emettitori di luce per l'energia solare, elettronica ottica, e metamateriali. Strutturato da impulsi laser molto brevi alla scala dei femtosecondi, le perovskiti si sono rivelate nanoelementi funzionali caratterizzati da una qualità senza precedenti. Un articolo correlato è pubblicato in Piccolo .
Le perovskiti furono scoperte nella prima metà del XIX secolo negli Urali (Russia) sotto forma di un minerale costituito da calcio, titanio e atomi di ossigeno. Oggi, grazie a proprietà uniche, le perovskiti sono materiali emergenti per l'energia solare e lo sviluppo di dispositivi emettitori di luce per la fotonica, ovvero LED e microlaser. Raggiungono la vetta dei materiali più scrutatori che attirano l'interesse di gruppi scientifici di tutto il mondo.
Lo svantaggio principale è l'elaborazione complicata. Le perovskiti si degradano facilmente sotto l'influenza di un fascio di elettroni, liquidi o temperatura, perdere le proprietà a cui gli scienziati sono così interessati. Ciò complica notevolmente la produzione di nanostrutture funzionali di perovskite mediante metodi comuni come la litografia a fascio di elettroni.
Scienziati della FEFU (Vladivostok, Russia) e ITMO University (San Pietroburgo, Russia) ha collaborato con colleghi stranieri e ha risolto questo problema proponendo una tecnologia unica per la lavorazione di perovskiti organo-inorganiche utilizzando impulsi laser a femtosecondi. Il risultato sono nanostrutture di alta qualità con caratteristiche controllate.
"È molto difficile nanostrutturare i semiconduttori convenzionali, come l'arseniuro di gallio, utilizzando un potente laser pulsato, "dice Sergey Makarov, un ricercatore leader presso la Facoltà di Fisica e Ingegneria dell'Università ITMO, "Il calore è sparso in tutte le direzioni e tutto il sottile, gli spigoli vivi sono semplicemente distorti da questo calore. È come se provi a fare un tatuaggio in miniatura con dettagli fini, ma a causa della vernice che si diffonde sotto la pelle, otterrai solo una brutta macchia blu. La perovskite ha una scarsa conduttività termica, quindi i nostri modelli si sono rivelati molto precisi e molto piccoli."
L'incisione laser di film di perovskite in singoli blocchi è un importante passo tecnologico della moderna catena di produzione di celle solari. Finora il processo non è stato molto accurato ed è stato piuttosto distruttivo per il materiale perovskite poiché le sue sezioni più esterne hanno perso proprietà funzionali a causa della degradazione della temperatura. La nuova tecnologia può aiutare a risolvere questo problema consentendo la fabbricazione di celle solari ad alte prestazioni.
"La perovskite rappresenta un materiale complesso costituito da parti organiche e inorganiche. Abbiamo utilizzato impulsi laser ultracorti per il riscaldamento rapido e l'evaporazione mirata della parte organica della perovskite che procede a una temperatura piuttosto bassa di 160 C0. L'intensità del laser è stata regolata in modo tale da produrre fusione/evaporazione della parte organica lasciando inalterata quella inorganica.Tale lavorazione non distruttiva ci ha permesso di ottenere una qualità senza precedenti delle strutture funzionali della perovskite prodotta, " ha detto Alexey Zhizhchenko, ricercatore presso la Facoltà di Ingegneria della FEFU.
Gli scienziati della FEFU e dell'Università ITMO hanno indicato tre aree in cui il loro sviluppo può dare risultati tangibili.
Il primo è la registrazione di informazioni che l'utente può leggere solo a determinate condizioni. "Abbiamo dimostrato la rilevanza del nostro approccio producendo reticoli di diffrazione e laser a microstriscia con la larghezza ridotta di soli 400 nanometri. Tali dimensioni caratteristiche aprono la strada allo sviluppo di elementi attivi di futuri chip di comunicazione ottica e computer, ", ha detto Alexey Zhizhchenko.
In secondo luogo, con l'aiuto di un laser, si può cambiare il colore visibile di un frammento di perovskite senza l'applicazione di coloranti. Il materiale può venire come il giallo, Nero, blu, rosso, a seconda delle esigenze.
"Questo può essere utilizzato per realizzare pannelli solari di tutti i colori dell'arcobaleno. L'architettura moderna consente di coprire l'intera superficie dell'edificio con pannelli solari, il punto è che non tutti i clienti vogliono semplici pannelli neri, "Ha detto Sergey Makarov.
La terza applicazione è la produzione di nanolaser per sensori ottici e chip ottici che trasmettono informazioni tramite fotoni anziché elettroni.
Figura 1. Ablazione laser a impulso singolo e multiplo di film MAPbI3. a) Illustrazione schematica della lavorazione laser a impulso singolo e multiplo di film MAPbI3 supportati da vetro con impulsi fs focalizzati di forma gaussiana. b) Immagini SEM in vista laterale (angolo di visione di 30°) di un film MAPbI3 spesso 425 nm irradiato da un singolo impulso fs con un'energia di impulso aumentata E compresa tra 2,44 e 25,2 nJ. Per una migliore comprensione, ogni immagine SEM è stata ottenuta combinando i segnali di due rilevatori SEM:segnale del rilevatore InLens (parte destra di ciascuna immagine) e segnale misto SE/InLens. Il diametro dell'area di ablazione è contrassegnato da un cerchio arancione in ciascuna immagine. La barra della scala corrisponde a 500 nm. c) Diametro quadrato D2 dell'area di ablazione (marcatori arancioni pieni) e del foro passante (marcatori cavi) prodotti nel film di MAPbI3 spesso 425 nm sotto irradiazione a singolo (N =1) e multi-impulso (N =5) contro energia dell'impulso applicata E (tracciata in scala logaritmica). Per l'irradiazione multi-impulso, si considera l'energia totale dell'impulso incidente. d) Profili approfonditi della temperatura di picco di MAPbI3 irradiato da laser calcolati a fluenze di picco incidente variabili F. e) Immagini correlate SEM e PL confocale di fori passanti di dimensioni μm praticati nel film MAPbI3 spesso 425 nm mediante impulso singolo e multiplo -irraggiamento impulsivo (N =5). Le barre della scala indicano 2 μm. g) Soglia di fluenza incidente Fth richiesta per l'ablazione del film MAPbI3 (marcatori arancioni) e la formazione di fori (marcatori cavi) rispetto al numero di impulsi laser applicati N misurati per spessore variabile del film h. Le curve solide forniscono i dati basati su valutazioni teoriche. La curva tratteggiata si adatta ai dati sperimentali mediati statisticamente per la soglia di ablazione. Ogni impulso nel treno ha energia identica, mentre l'energia totale dell'impulso incidente viene considerata per i calcoli della fluenza. Credito:ufficio stampa FEFU
Litografia a proiezione laser utilizzata per il patterning fs-laser avanzato di film di perovskite. a) Schema del setup sperimentale utilizzato per la litografia a proiezione laser fs. b) Profili di intensità del piano focale di vari fasci laser flat-top utilizzati per la modellazione diretta di film di perovskite. c) Immagini SEM rappresentative in falsi colori (angolo di visione di 30°) di aperture isolate prodotte in film MAPbI3 utilizzando profili di intensità flat-top generati. d) Mappe PL confocali corrispondenti in prossimità di aree disegnate a laser. e) Serie di immagini SEM di film MAPbI3 spesso 425 nm modellato con microfori di forma circolare, aperture quadrate, e larghezza di 400 nm attraverso le nanofessure. Credito:ufficio stampa FEFU
Adattamento delle proprietà PL locali tramite un preciso assottigliamento indotto da laser e nanopatterning di film MAPbI3. a) Immagine SEM su larga scala con vista dall'alto che mostra un film MAPbI3 spesso 425 nm irradiato con raggio laser flat-top di forma quadrata a fluenza F (asse verticale) gradualmente variabile e numero di impulsi applicati N (asse orizzontale). b) Immagini SEM rappresentative in vista laterale di diverse aree ablate prodotte a numero fisso di impulsi e maggiore energia di impulso. c) Immagine PL ad ampio campo dell'area modellata al laser contrassegnata da un rettangolo rosso. d) Immagine PL confocale ad alta risoluzione dell'area modificata dal laser del film MAPbI2. L'area irradiata dal laser è contrassegnata da linee tratteggiate. e) Decadimenti TR-PL per aree di film MAPbI3 di forma quadrata modellate a diverse fluenze. f) Immagini SEM correlate e PL ad ampio campo del film MAPbI3 modellate con reticoli superficiali di periodo di 800 nm di diverse profondità prodotte variando la fluenza applicata F e il numero di impulsi applicati N. Inset immagine SEM che mostra una vista ravvicinata sul singolo pixel contenente griglie di superficie stampate Credit:ufficio stampa FEFU
Modellazione laser di MAPbI3 per crittografia ottica e colorazione superficiale. a) Immagini SEM ravvicinate dei reticoli di superficie stampati al laser di periodo variabile compreso tra 300 e 1000 nm (pannello di sinistra) e immagine ottica in campo scuro dei reticoli di superficie di 100 × 100 μm2 sintonizzati per periodo all'interno di un intervallo simile e visualizzato con obiettivo microscopio secco 0,15-NA (pannello di destra). b) Immagine ottica DF di lettere “FEFU” in scala mm incise sulla superficie di un film MAPbI3 di 425 nm di spessore registrando reticoli superficiali con periodi variabili. Il colore di ogni lettera è sintonizzato dal periodo del reticolo. c) Immagini ottiche e PL in campo chiaro del codice QR crittografato con laser (pannello superiore). Due immagini SEM inserite mostrano la morfologia di due tipi di pixel ("luminosi" e "scuri") utilizzati per la crittografia del codice QR. Il lato del singolo pixel è 7,5 × 7,5 μm2. Immagini ottiche in campo scuro di un codice QR simile crittografato con laser osservate dopo l'illuminazione da diversi lati indicati dalla freccia arancione (pannello inferiore). Credito:ufficio stampa FEFU
Prestazioni laser dei nanofili MAPbI3 stampati (NW). a) Immagine SEM su larga scala di una serie di NW MAPbI3 stampati al laser di lunghezza variabile L e larghezza w. L'inserto fornisce un'immagine SEM ingrandita che mostra la riproducibilità del processo di fabbricazione e le sfaccettature di NW. b) Schema della fotoeccitazione/emissione del MAPbI3 NW isolato. c) Vista laterale ravvicinata (angolo di visione di 40°) Immagine SEM di NW isolato rappresentativo con w =500 nm e L =8000 nm. d) Immagine PL dello stesso NW pompato a fluenze sotto (F
Semplice, la produzione rapida ed economica di tali elementi potrebbe portare a una nuova era della tecnologia informatica che lavora sui principi della luce controllata. La lavorazione delle perovskiti secondo la tecnologia proposta dà la possibilità di ottenere migliaia, anche centinaia di migliaia di nanolaser al minuto. L'introduzione della tecnologia nell'industria avvicinerà il mondo allo sviluppo dei computer ottici.
"Un'altra caratteristica chiave della tecnologia proposta è che consente l'assottigliamento strato per strato delle perovskiti. Questo apre la strada alla progettazione e alla fabbricazione di microstrutture 3D più complicate dalla perovskite, Per esempio, laser a emissione di vortici su microscala, che sono molto richiesti per il multiplexing delle informazioni nelle comunicazioni ottiche di prossima generazione. È importante sottolineare che tale lavorazione preserva e addirittura migliora le proprietà di emissione della luce dello strato diluito passivato a causa della modifica della composizione chimica, " ha detto il membro del team Aleksandr Kuchmizhak, ricercatore presso il Centro FEFU per la neurotecnologia, VR e AR.
