Cientistas desenvolvem método para processamento suave a laser de perovskitas em nanoescala
p Crédito: Pequena
p Cientistas da Far Eastern Federal University (FEFU) em parceria com colegas da ITMO University, e universidades na Alemanha, Japão, e Austrália, desenvolveram um método preciso, processamento a laser rápido e de alta qualidade de perovskitas halogenadas (CH
3 NH
3 PbI
3 ), materiais emissores de luz promissores para energia solar, eletrônica óptica, e metamateriais. Estruturado por pulsos de laser muito curtos na escala de femtossegundos, perovskitas revelaram-se nanoelementos funcionais marcados por uma qualidade sem precedentes. Um artigo relacionado foi publicado em
Pequena . p As perovskitas foram descobertas na primeira metade do século 19 nos Urais (Rússia) na forma de um mineral que consiste em cálcio, átomos de titânio e oxigênio. Hoje, devido a propriedades únicas, perovskitas são materiais emergentes para energia solar e para o desenvolvimento de dispositivos emissores de luz para fotônica, ou seja, LEDs e microlasers. Eles atingiram o topo dos materiais mais minuciosos que atraem o interesse de grupos científicos de todo o mundo.
p A principal desvantagem é o processamento complicado. As perovskitas se degradam facilmente sob a influência de um feixe de elétrons, líquidos ou temperatura, perder as propriedades nas quais os cientistas estão tão interessados. Isso complica significativamente a fabricação de nanoestruturas de perovskita funcionais por meio de métodos comuns como litografia por feixe de elétrons.
p Cientistas da FEFU (Vladivostok, Rússia) e Universidade ITMO (São Petersburgo, Rússia) se juntou a colegas estrangeiros e resolveram esse problema propondo uma tecnologia única para o processamento de perovskitas organo-inorgânicas usando pulsos de laser de femtossegundo. O resultado foram nanoestruturas de alta qualidade com características controladas.
p "É muito difícil nanoestruturar semicondutores convencionais, como o arsenieto de gálio, usando um poderoso laser pulsado, "diz Sergey Makarov, um pesquisador líder da Faculdade de Física e Engenharia da Universidade ITMO, “O calor está espalhado em todas as direções e em todas as finas, bordas afiadas são simplesmente distorcidas por este calor. É como se você tentasse fazer uma tatuagem em miniatura com detalhes finos, mas devido à tinta se espalhando sob a pele, você apenas obterá uma mancha azul feia. A perovskita tem baixa condutividade térmica, então nossos padrões ficaram muito precisos e muito pequenos. "
p A gravação a laser de filmes de perovskita em blocos individuais é uma etapa tecnológica importante da moderna cadeia de produção de células solares. Até agora, o processo não foi muito preciso e foi bastante destrutivo para o material perovskita, pois suas seções mais externas perderam propriedades funcionais devido à degradação da temperatura. A nova tecnologia pode ajudar a resolver esse problema permitindo a fabricação de células solares de alto desempenho.
p "A perovskita representa um material complexo que consiste em partes orgânicas e inorgânicas. Usamos pulsos de laser ultracurtos para aquecimento rápido e evaporação direcionada da parte orgânica da perovskita que prossegue a uma temperatura bastante baixa de 160 C0. A intensidade do laser foi ajustada de forma a produzir fusão / evaporação da parte orgânica, deixando a parte inorgânica inalterada. Esse processamento não destrutivo nos permitiu alcançar uma qualidade sem precedentes de estruturas funcionais de perovskita produzidas, "disse Alexey Zhizhchenko, Pesquisador da Escola de Engenharia da FEFU.
p Cientistas da FEFU e da Universidade ITMO apontaram três áreas onde seu desenvolvimento pode dar resultados tangíveis.
p O primeiro é o registro de informações que o usuário só pode ler sob certas condições. "Demonstramos a relevância de nossa abordagem ao produzir redes de difração e lasers de microtira com a largura mínima de apenas 400 nanômetros. Essas dimensões características abrem o caminho para o desenvolvimento de elementos ativos de futuros chips de comunicação óptica e computadores, "disse Alexey Zhizhchenko.
p Em segundo lugar, com a ajuda de um laser, pode-se mudar a cor visível de um fragmento de perovskita sem aplicação de corante. O material pode vir como amarelo, Preto, azul, vermelho, dependendo das necessidades.
p “Isso pode ser utilizado para a realização de painéis solares de todas as cores do arco-íris. A arquitetura moderna permite cobrir toda a superfície do edifício por painéis solares, a questão é que nem todos os clientes desejam painéis pretos simples, ", Disse Sergey Makarov.
p A terceira aplicação é a fabricação de nanolasers para sensores ópticos e chips ópticos que transmitem informações por meio de fótons em vez de elétrons.
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p Figura 1. Ablação a laser de pulso único e múltiplo de filmes MAPbI3. a) Ilustração esquemática do processamento de laser de pulso único e múltiplo de filmes MAPbI3 com suporte de vidro com pulsos fs em forma de Gauss. b) Visão lateral (ângulo de visão de 30 °) Imagens SEM de filme MAPbI3 de 425 nm de espessura irradiado por um único pulso fs com energia de pulso aumentada E variando de 2,44 a 25,2 nJ. Para melhor compreensão, cada imagem SEM foi obtida combinando sinais de dois detectores SEM:sinal do detector InLens (parte direita de cada imagem) e sinal SE / InLens misto. O diâmetro da área de ablação é marcado por um círculo laranja em cada imagem. A barra de escala corresponde a 500 nm. c) Diâmetro quadrado D2 da área de ablação (marcadores laranja sólido) e o orifício de passagem (marcadores ocos) produzidos no filme MAPbI3 de 425 nm de espessura sob irradiação simples (N =1) e multipulso (N =5) versus energia de pulso aplicada E (plotada em escala logarítmica). Para irradiação multipulso, a energia de pulso incidente total é considerada. d) Perfis de temperatura de pico em profundidade de MAPbI3 irradiado por laser calculados em fluências de pico incidentes variáveis F. e) SEM correlacionadas e imagens confocais de PL de μm de tamanho através de orifícios perfurados no filme de MAPbI3 de 425 nm de espessura por pulso único e múltiplo -pulso (N =5) irradiação. As barras de escala indicam 2 μm. g) Fluência incidente limite Fth necessária para ablação de filme MAPbI3 (marcadores laranja) e formação de orifícios (marcadores ocos) versus o número de pulsos de laser aplicados N medidos para espessura de filme variável h. As curvas sólidas fornecem os dados com base em avaliações teóricas. A curva pontilhada se ajusta aos dados experimentais estatisticamente calculados para o limiar de ablação. Cada pulso no trem tem energia idêntica, enquanto a energia de pulso incidente total é considerada para cálculos de fluência. Crédito:Assessoria de imprensa da FEFU
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p Litografia de projeção a laser usada para padronização avançada de laser fs de filmes de perovskita. a) Esquema de configuração experimental usado para litografia de projeção a laser fs. b) Perfis de intensidade de plano focal de vários feixes de laser de topo plano usados para padronização direta de filmes de perovskita. c) Vista lateral de cor falsa representativa (ângulo de visão de 30 °) Imagens SEM de aberturas isoladas produzidas em filme MAPbI3 usando perfis de intensidade de topo plano gerados. d) Mapas confocais de PL correspondentes na vizinhança de áreas padronizadas por laser. e) Série de imagens de SEM de filme MAPbI3 de 425 nm de espessura padronizado com microfuros de forma circular, aberturas em forma de quadrado, e largura de 400 nm através de nanoslits. Crédito:Assessoria de imprensa da FEFU
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p Adaptação de propriedades locais de PL por meio de afinamento e nanopadronização induzidos por laser precisos de filmes MAPbI3. a) Imagem SEM de vista superior em grande escala mostrando filme MAPbI3 de 425 nm de espessura irradiado com feixe de laser de topo plano de forma quadrada com fluência F (eixo vertical) e número de pulsos aplicados N (eixo horizontal) gradualmente variando. b) Imagens de SEM de vista lateral representativas de várias áreas ablacionadas produzidas em um número fixo de pulsos e energia de pulso aumentada. c) Imagem PL de campo amplo da área padronizada a laser marcada com um retângulo vermelho. d) Imagem confocal PL de alta resolução da área modificada por laser do filme MAPbI2. A área irradiada com laser é marcada por linhas tracejadas. e) O TR-PL decai para áreas de filme MAPbI3 quadradas padronizadas em diferentes fluências. f) Imagens SEM correlacionadas e PL de campo amplo do filme MAPbI3 padronizado com grades de superfície de período de 800 nm de diferentes profundidades produzidas variando a fluência F aplicada e o número de pulsos aplicados N. Imagem SEM inserida mostrando uma visão close-up no único pixel contendo grades de superfície impressas. Crédito:assessoria de imprensa da FEFU
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p Padronização a laser de MAPbI3 para criptografia óptica e coloração de superfície. a) Imagens de close-up SEM das grades de superfície impressas a laser de período variável variando de 300 a 1000 nm (painel esquerdo), bem como imagem óptica de campo escuro das grades de superfície de 100 × 100 μm2 ajustadas por período dentro de uma faixa semelhante e visualizado com objetiva de microscópio seco de 0,15-NA (painel direito). b) imagem óptica DF de letras “FEFU” em escala mm inscritas na superfície de um filme MAPbI3 de 425 nm de espessura, registrando grades de superfície com períodos variáveis. A cor de cada letra é ajustada pelo período de grade. c) Imagens ópticas de campo claro e imagens PL do código QR criptografado por laser (painel superior). Duas imagens SEM inseridas mostram a morfologia de dois tipos de pixels (“claros” e “escuros”) usados para criptografia de código QR. O lado do pixel individual é 7,5 × 7,5 μm2. Imagens ópticas de campo escuro de código QR criptografado por laser semelhante observadas na iluminação de diferentes lados indicados pela seta laranja (painel inferior). Crédito:Assessoria de imprensa da FEFU
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p Desempenho de lasing dos nanofios MAPbI3 impressos (NWs). a) Imagem SEM em grande escala de uma matriz de MAPbI3 NWs impressos a laser de comprimento variável L e largura w. A inserção fornece imagem SEM ampliada mostrando a reprodusibilidade do processo de fabricação e as facetas da NW. b) Esquema da fotoexcitação / emissão do MAPbI3 NW isolado. c) Close-up vista lateral (ângulo de visão de 40 °) imagem SEM de NW isolado representativo com w =500 nm e L =8000 nm. d) Imagem PL do mesmo NW bombeado nas fluências abaixo (F Fth). A imagem mais à direita mostra a distribuição de intensidade de campo próximo calculada do modo Fabry-Perot suportado pelo NW. e) Espectros PL do MAPbI3 NW em diferentes fluências de bomba. f) Intensidade (marcadores vermelhos) e largura total na metade do máximo (marcadores verdes) no comprimento de onda de emissão (λlas ≈ 787 nm) em função da fluência da bomba. Crédito:FEFU
p Simples, a produção rápida e econômica de tais elementos poderia trazer uma nova era de tecnologia de computador, trabalhando com os princípios da luz controlada. O processamento de perovskitas de acordo com a tecnologia proposta dá a chance de obter milhares, até mesmo centenas de milhares de nanolasers por minuto. A introdução da tecnologia na indústria aproximará o mundo do desenvolvimento de computadores ópticos.
p "Outra característica importante da tecnologia proposta é que ela permite o afinamento camada por camada das perovskitas. Isso abre o caminho para projetar e fabricar microestruturas 3-D mais complicadas a partir da perovskita, por exemplo, lasers emissores de vórtice em microescala, que são altamente demandados para multiplexação de informações em comunicações ópticas de próxima geração. Mais importante, tal processamento preserva e até melhora as propriedades de emissão de luz da camada fina passivada devido à modificação da composição química, "disse o membro da equipe Aleksandr Kuchmizhak, bolsista de pesquisa no Centro FEFU de Neurotecnologia, VR e AR.
