Новости

Дата публикации: 21/04/2017

В лазерных технологиях грядет «перовскитная революция»

блок

В конце сентября 2016 г. российские ученые (Университет ИТМО, Санкт-Петербург) совместно с американскими коллегами (UTD, Даллас) получили грант Минобрнауки на развитие сложных материалов для оптоэлектроники. В этой связи уже в ближайшее время на базе кафедры «Нанофотоника и метаматериалы» появится лаборатория по разработке композитов с интегрированными нанофотонными структурами. Ее цель — создание прототипов приборов на основе гибридных перовскитов: светодиодов, гибких инжекционных и поляритонных лазеров, фотоприемников и т.д.

Современная нанофотоника использует материалы с заданными свойствами, которые основаны на органо-неорганических соединениях. Сейчас они содержат наночастицы золота, кремния или нитридов металлов. Однако вот-вот эти традиционные материалы уступят место гибридным перовскитам. Ученые считают, что после этого LED-светодиоды станут более яркими, лазеры ? более интенсивными, солнечные батареи ? более мощными. Словом, новый вид композитных материалов повысит эффективность многих оптоэлектронных устройств.

Что же представляют собой перовскиты? Это материалы, в которых органические молекулы углерода и водорода в связке с металлом и галогеном образуют трехмерную кристаллическую решетку. Первые перовскиты (титанат кальция-TiCaO3) нашли на Урале еще в середине XIX века. Однако до недавнего времени их свойства не интересовали ученых. И только в 2009 г. выяснилось, что смесь титаната кальция с редкоземельными элементами (Се, Nb и др.) представляет собой гибридный материал, способный произвести настоящую «перовскитную революцию». Причем ее впечатляющие плоды можно ожидать и в сфере лазерных технологий.

блок

Сегодня фемтосекундная нанофотоника активно исследует взаимодействие сверхкоротких лазерных импульсов с гибридными наноструктурами. Интенсивное излучение создает среду для уникального сочетания светового поля с композитными материалами. Возникающие в этом случае эффекты диэлектрического и электронного ограничения, а также резонансы, обусловленные квантово-размерными взаимодействиями в надмолекулярных структурах, приводят к усилению нелинейных пересечений сверхкоротких импульсов. Такие явления позволяют развивать тонкие методы анализа состава, структуры и морфологии наноматериалов и формируют новые подходы к преобразованию сверхкоротких импульсов. Кроме того, разработка технологии фемтосекундного нанесения на первоскиты наночастиц открывает возможность создавать материалы с внедренными нанофотонными структурами и тем самым повышать эффективность оптоэлектронных устройств.

Как известно, экситоны принимают непосредственное участие в процессе излучения. Они «путешествуют» по кристаллу без рассеивания и взаимодействия со встречными частицами, благодаря чему переносят энергию без потерь. Однако низкая энергия связи электронной пары обуславливает устойчивость экситона только при криогенных температурах. Поскольку такая связь в гибридных перовскитах отличается высокой энергетикой, «симбиоз» дырки с электроном не распадается и продолжает свободно «гулять» по материалу вне зависимости от колебаний температуры. Более того, рекомбинация экситонов не только сохраняет вложенную в них энергию, но и излучает ее в виде света. Таким образом, устойчивость экситонов и их сложных производных (поляритонов) будет играть важную роль в работе оптоэлектронных приборов нового поколения. Например, инжекционный лазер на гибридном перовскитном материале будет ярким, тонким, гибким или пластичным как резина. С появлением перовскитов новые возможности появляются и у поляритонного лазера. Напомним, этот вид устройства светит в диапазоне терагерцового излучения, а в основе его работы лежит принцип Бозе-конденсации светоматериальных частиц-поляритонов. Как и экситоны, поляритоны зависят от холода и периодических квантовых ям, действие которых обусловлено сложной и дорогостоящей технологией. Однако специальные наноструктурированные перовскиты активируют потоки свето-материальных частиц даже при комнатной температуре. При этом волны субмиллиметрового диапазона проникают сквозь органические и неорганические предметы, так что с их помощью можно в буквальном смысле видеть сквозь стены.

Изучение новых возможностей, которые заключают в себе перовскитные материалы, приводит ученых к мысли, что в дальнейшем оптоэлектроника вообще откажется от использования обычных полупроводников. Ведь производство последних требует соблюдения множества условий и очень затратно. Перовскиты же просты в изготовлении и могут применяться на любых гибких основах — от листа бумаги или полимерной пленки до ткани. К тому же способны значительно удешевить процесс производства оптоэлектронных устройств.



Статьи по теме:

страницы: 1