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Des scientifiques de l'Université fédérale d'Extrême-Orient (FEFU) en partenariat avec des collègues de l'Université ITMO, et universités en Allemagne, Japon, et l'Australie, ont développé une méthode de précision, traitement laser rapide et de haute qualité des pérovskites aux halogénures (CH
Les pérovskites ont été découvertes dans la première moitié du XIXe siècle dans l'Oural (Russie) sous la forme d'un minéral constitué de calcium, des atomes de titane et d'oxygène. Aujourd'hui, en raison de propriétés uniques, les pérovskites sont des matériaux d'avenir pour l'énergie solaire et le développement de dispositifs électroluminescents pour la photonique, c'est-à-dire les LED et les microlasers. Ils ont atteint le sommet des matériaux les plus scrutateurs qui attirent l'intérêt des groupes scientifiques du monde entier.
L'inconvénient majeur est un traitement compliqué. Les pérovskites se dégradent facilement sous l'influence d'un faisceau d'électrons, liquides ou température, perdre les propriétés qui intéressent tant les scientifiques. Cela complique considérablement la fabrication de nanostructures de pérovskite fonctionnelles au moyen de méthodes courantes telles que la lithographie par faisceau d'électrons.
Des scientifiques de la FEFU (Vladivostok, Russie) et ITMO University (Saint-Pétersbourg, Russie) s'est associé à des collègues étrangers et a résolu ce problème en proposant une technologie unique pour le traitement des pérovskites organo-inorganiques à l'aide d'impulsions laser femtosecondes. Le résultat était des nanostructures de haute qualité avec des caractéristiques contrôlées.
« Il est très difficile de nanostructurer les semi-conducteurs conventionnels, comme l'arséniure de gallium, à l'aide d'un puissant laser pulsé, " dit Sergueï Makarov, chercheur de premier plan à la Faculté de physique et d'ingénierie de l'Université ITMO, "La chaleur est dispersée dans toutes les directions et tout le mince, les arêtes vives sont simplement déformées par cette chaleur. C'est comme si vous essayiez de faire un tatouage miniature avec des détails fins, mais à cause de la peinture qui s'étale sous la peau, vous obtiendrez juste une tache bleue moche. La pérovskite a une mauvaise conductivité thermique, nos modèles se sont donc avérés très précis et très petits."
La gravure au laser de films de pérovskite en blocs individuels est une étape technologique importante de la chaîne de production moderne de cellules solaires. Jusqu'à présent, le processus n'était pas très précis et était plutôt destructeur pour le matériau pérovskite car ses sections les plus externes ont perdu leurs propriétés fonctionnelles en raison de la dégradation de la température. La nouvelle technologie peut aider à résoudre ce problème en permettant la fabrication de cellules solaires hautes performances.
"La pérovskite représente un matériau complexe composé de parties organiques et inorganiques. Nous avons utilisé des impulsions laser ultracourtes pour un chauffage rapide et une évaporation ciblée de la partie organique de la pérovskite qui se déroule à une température plutôt basse de 160 C0. L'intensité du laser a été ajustée de manière à produire fusion/évaporation de la partie organique en laissant la partie inorganique inchangée.Un tel traitement non destructif nous a permis d'atteindre une qualité sans précédent de structures fonctionnelles de pérovskite produites, " a déclaré Alexey Zhizhchenko, chercheur à l'école d'ingénieurs FEFU.
Les scientifiques de la FEFU et de l'Université ITMO ont souligné trois domaines où leur développement peut donner des résultats tangibles.
Le premier est l'enregistrement d'informations que l'utilisateur ne peut lire que sous certaines conditions. « Nous avons démontré la pertinence de notre approche en réalisant des réseaux de diffraction et des lasers microruban d'une largeur finalement réduite de seulement 400 nanomètres. De telles dimensions caractéristiques ouvrent la voie au développement d'éléments actifs des futurs ordinateurs et puces de communication optique, " a déclaré Alexeï Zhizhchenko.
Deuxièmement, à l'aide d'un laser, on peut changer la couleur visible d'un fragment de pérovskite sans appliquer de colorant. Le matériel peut venir comme le jaune, le noir, bleu, rouge, selon les besoins.
"Cela peut être utilisé pour réaliser des panneaux solaires de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. L'architecture moderne permet de couvrir toute la surface du bâtiment par des panneaux solaires, le fait est que tous les clients ne veulent pas de panneaux noirs unis, ", a déclaré Sergueï Makarov.
La troisième application est la fabrication de nanolasers pour capteurs optiques et puces optiques qui transmettent des informations via des photons plutôt que des électrons.
Figure 1. Ablation laser mono- et multi-impulsions de films MAPbI3. a) Illustration schématique du traitement laser à une et plusieurs impulsions de films MAPbI3 sur verre avec des impulsions fs focalisées de forme gaussienne. b) Vue latérale (angle de vue de 30°) Images SEM d'un film MAPbI3 de 425 nm d'épaisseur irradié par une seule impulsion fs à une énergie d'impulsion accrue E allant de 2,44 à 25,2 nJ. Pour mieux comprendre, chaque image SEM a été obtenue en combinant les signaux de deux détecteurs SEM :le signal du détecteur InLens (partie droite de chaque image) et le signal mixte SE/InLens. Le diamètre de la zone d'ablation est marqué par un cercle orange sur chaque image. La barre d'échelle correspond à 500 nm. c) Diamètre carré D2 de la zone d'ablation (repères oranges pleins) et du trou traversant (repères creux) réalisés dans le film MAPbI3 de 425 nm d'épaisseur sous irradiation simple (N =1) et multi-impulsions (N =5) versus énergie d'impulsion appliquée E (tracée en échelle logarithmique). Pour l'irradiation multi-impulsions, l'énergie d'impulsion incidente totale est prise en compte. d) Profils de température de pic en profondeur de MAPbI3 irradié au laser calculés à des fluences de pic incident variables F. e) Images SEM et PL confocales corrélées de trous traversants de taille m forés dans le film MAPbI3 -l'irradiation par impulsions (N =5). Les barres d'échelle indiquent 2 um. g) Seuil de fluence incidente Fth requis pour l'ablation du film MAPbI3 (marqueurs orange) et la formation de trous (marqueurs creux) par rapport au nombre d'impulsions laser appliquées N mesurées pour une épaisseur de film variable h. Les courbes pleines fournissent les données basées sur des évaluations théoriques. La courbe en pointillé correspond aux données expérimentales statistiquement moyennes pour le seuil d'ablation. Chaque impulsion dans le train a une énergie identique, tandis que l'énergie totale de l'impulsion incidente est prise en compte pour les calculs de fluence. Crédit :Service de presse FEFU
Lithographie par projection laser utilisée pour la structuration avancée au laser fs de films de pérovskite. a) Schéma de montage expérimental utilisé pour la lithographie par projection laser fs. b) Profils d'intensité du plan focal de divers faisceaux laser à sommet plat utilisés pour la structuration directe de films de pérovskite. c) Vue latérale en fausses couleurs représentatives (angle de vue de 30°) Images SEM d'ouvertures isolées produites dans un film MAPbI3 à l'aide de profils d'intensité à sommet plat générés. d) Cartes PL confocales correspondantes à proximité des zones à motifs laser. e) Série d'images SEM d'un film MAPbI3 de 425 nm d'épaisseur à motifs de micro-trous de forme circulaire, ouvertures carrées, et une largeur de 400 nm à travers des nanofentes. Crédit :Service de presse FEFU
Personnalisation des propriétés PL locales via un amincissement et un nanomodelage précis induits par laser des films MAPbI3. a) Image SEM vue de dessus à grande échelle montrant un film MAPbI3 de 425 nm d'épaisseur irradié avec un faisceau laser plat de forme carrée à une fluence F (axe vertical) et un nombre d'impulsions appliquées N (axe horizontal) variant progressivement. b) Des images SEM de vue latérale représentatives de plusieurs zones d'ablation produites à un nombre fixe d'impulsions et à une énergie d'impulsion accrue. c) Image PL à grand champ de la zone à motifs laser marquée d'un rectangle rouge. d) Image PL confocale haute résolution de la zone modifiée au laser du film MAPbI2. La zone irradiée au laser est marquée par des lignes pointillées. e) TR-PL se désintègre pour des zones de film MAPbI3 de forme carrée modelées à différentes fluences. f) Images SEM et PL à grand champ corrélées du film MAPbI3 à motifs avec des réseaux de surface de période de 800 nm de différentes profondeurs produites en faisant varier la fluence appliquée F et le nombre d'impulsions appliquées N. Image SEM en médaillon montrant une vue rapprochée sur l'unique pixel contenant des grilles de surface imprimées Crédit :bureau de presse FEFU
Motif laser de MAPbI3 pour le cryptage optique et la coloration de surface. a) Images SEM en gros plan des réseaux de surface imprimés au laser de période variable allant de 300 à 1000 nm (panneau de gauche) ainsi qu'une image optique en fond noir des réseaux de surface de 100 × 100 m2 réglés par période dans une plage similaire et visualisé avec un objectif de microscope sec 0,15-NA (panneau de droite). b) Image optique DF de lettres « FEFU » à l'échelle du mm inscrites sur la surface d'un film MAPbI3 de 425 nm d'épaisseur en enregistrant des réseaux de surface avec des périodes variables. La couleur de chaque lettre est réglée par la période de grille. c) Images optiques et PL à fond clair du code QR crypté au laser (panneau supérieur). Deux images SEM en médaillon montrent la morphologie de deux types de pixels (« clairs » et « sombres ») utilisés pour le cryptage du code QR. Le côté du pixel individuel est de 7,5 × 7,5 m2. Images optiques en fond noir d'un code QR crypté au laser similaire observé lors de l'éclairage de différents côtés indiqués par une flèche orange (panneau inférieur). Crédit :Service de presse FEFU
Performance laser des nanofils MAPbI3 imprimés (NW). a) Image SEM à grande échelle d'un réseau de MAPbI3 NWs imprimés au laser de longueur variable L et de largeur w. L'encart fournit une image SEM agrandie montrant la reproductibilité du processus de fabrication et les facettes de NW. b) Schéma de la photoexcitation/émission du MAPbI3 NW isolé. c) Vue latérale rapprochée (angle de vue de 40°) Image SEM d'un NW isolé représentatif avec w =500 nm et L =8000 nm. d) Image PL du même NW pompé à des fluences inférieures (F
Simple, la production rapide et rentable de tels éléments pourrait ouvrir une nouvelle ère de la technologie informatique fonctionnant sur les principes de la lumière contrôlée. Le traitement des pérovskites selon la technologie proposée donne une chance d'en obtenir des milliers, voire des centaines de milliers de nanolasers par minute. L'introduction de la technologie dans l'industrie rapprochera le monde du développement des ordinateurs optiques.
"Une autre caractéristique clé de la technologie proposée est qu'elle permet l'amincissement couche par couche des pérovskites. Cela ouvre la voie à la conception et à la fabrication de microstructures 3D plus complexes à partir de pérovskite, par exemple, lasers à micro-échelle émettant des vortex, qui sont très demandés pour le multiplexage d'informations dans les communications optiques de nouvelle génération. Surtout, un tel traitement préserve et améliore même les propriétés d'émission de lumière de la couche amincie passivée en raison de la modification de la composition chimique, " a déclaré le membre de l'équipe Aleksandr Kuchmizhak, chercheur au Centre de Neurotechnologie FEFU, VR et AR.
