Команда ученых из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), Университета ИТМО, а также ведущих исследовательских центров Германии, Японии и Австралии, представила инновационную технологию лазерной обработки галогенидных перовскитов (CH3NH3PbI3). Этот способ позволяет создавать необыкновенно точные и миниатюрные наноструктуры, не повреждая исходный материал, что открывает путь к массовому производству разноцветных солнечных батарей и передовых оптических микросхем. Благодаря их методу стало возможным быстро записывать секретную информацию на крошечные участки поверхности и штамповать нанолазеры для новых поколений фотонных устройств.
Перовскиты: материалы будущего
Перовскит был впервые обнаружен на Урале еще в XIX веке, как невзрачный минерал, содержащий кальций, титан и кислород. Сегодня его производные представляют огромный интерес для исследователей всего мира. Перовскитовые соединения уже используются в солнечной энергетике, в оптике нового поколения, а также служат материалом для разработки сверхпроводников и элементов нелинейной оптики. Их уникальные электронные свойства позволяют создавать устройства, значительно превосходящие по эффективности традиционные аналоги.
Проблема обработки и ее решение
В последние годы органо-неорганические перовскиты стремительно заняли ведущие позиции в фотонике и солнечной энергетике. Однако эти материалы чрезвычайно чувствительны к обычным методам обработки: воздействия электронных пучков, жидкостей или повышенных температур быстро разрушают их структуру, лишая уникальных свойств. Изготовление наноструктур размером всего в десятки нанометров стандартными литографическими способами сталкивалось с серьезными препятствиями. Эта проблема тормозила широкое внедрение перовскитов в промышленность и создание устройств нового поколения.
Благодаря работе российских ученых из Университета ИТМО и ДВФУ такой барьер удается преодолеть. Применение ультракоротких лазерных импульсов — фемтосекундных лазеров — позволяет обрабатывать перовскиты с беспрецедентной точностью и контролем. Такие импульсы длительностью всего квадриллионную долю секунды не перегревают и не повреждают окружающий материал, обеспечивая четкое и качественное формирование наноструктур.
Преимущества технологии лазерной наноструктуризации
Традиционная работа с полупроводниками, например с арсенидом галлия, приводит к быстрому рассредоточению тепла, что размывает мелкие детали: острые грани сходят на нет, перемешиваются, ухудшая качество наноструктур. В случае с перовскитами, как рассказал Сергей Макаров, ведущий научный сотрудник Университета ИТМО, низкая теплопроводность материала позволяет формировать исключительно точные и изящные элементы. Аналогия с созданием татуировок здесь уместна: если краска растекается, рисунок теряет четкость, но именно перовскит удерживает "краску" внутри границ, позволяя реализовывать тончайшие узоры.
Новая технология позволяет не только нарезать пленки перовскита на микроскопические заготовки — подобно скрайбингу в традиционном производстве солнечных модулей, но и создавать сложные канавки и рельефные структуры шириной всего в несколько сотен нанометров. Причем сам материал сохраняет все свои оптические и физические свойства, что критически важно для фотонных и солнечных устройств.
Научный взгляд — комментарии исследователей
Александр Кучмижак, научный сотрудник Центра НТИ ДВФУ по нейротехнологиям и технологиям VR/AR, подчеркивает уникальные свойства новой методики: "Мы детально проанализировали химический состав, структуру и поведение перовскитовых материалов. Для предотвращения разрушения под действием тепла мы использовали сверхкороткие лазерные импульсы невысокой интенсивности, доводя температуру лишь до 160°С — и только в области испарения. Благодаря этому, слой за слоем можно точно и равномерно удалять излишний материал, формируя изящные детали без риска для окружающей структуры. Результатом стала технология, достигающая выдающегося качества создания миниатюрных элементов".
Технология отличается еще тем, что позволяет записывать "невидимую" информацию непосредственно в структуру материала: если параметры лазерного воздействия известны лишь создателю, то обнаружить нанесенное "послание" сможет только обладатель соответствующих знаний. Таким образом открываются уникальные возможности как для создания маркировки и идентификации продукции, так и для безопасной передачи данных.
Возможности и направления развития
Методика, созданная исследователями ДВФУ и Университета ИТМО, открывает дорогу самым разнообразным приложениям. Одно из перспективных направлений — изготовление разноцветных солнечных панелей с рекордным КПД. Возможность изменять структуру перовскита на наноуровне позволяет тонко настраивать его оптические характеристики, производить батареи всех цветов радуги, что особенно важно для интеграции солнечных элементов в архитектурные решения и гибкую электронику нового поколения.
Еще одно ключевое направление — массовое производство нанолазеров, необходимых для создания оптических транзисторов и фотонных чипов. Такие компоненты станут неотъемлемой частью будущих компьютеров и систем связи, полностью основанных на свете вместо электричества, что радикально повысит скорость и снизит энергопотребление современных устройств.
Будущее перовскитов: потенциал международного сотрудничества
Синергия усилий Дальневосточного федерального университета, Университета ИТМО и зарубежных партнеров подтверждает, насколько значимы международные кооперации для быстрого продвижения в науке. Феноменальный прорыв в лазерной обработке перовскитов вдохновляет ученых на всем земном шаре развивать междисциплинарные проекты, ведь уже сейчас ясно: качество современных материалов и устройств напрямую зависит от смелых инновационных подходов.
Технология, над которой работали Сергей Макаров, Александр Кучмижак, Алексей Жижченко и их коллеги, не только преодолевает ограничения прежних методов, но и открывает блестящие перспективы для промышленного применения перовскитов в энергетике, информатике, медицине и многих смежных областях. Каждый шаг в этом направлении приближает нас к миру, где экологически чистые источники энергии и мощные оптические устройства станут реальностью для всех.
Исследователи Дальневосточного федерального университета и Университета ИТМО предложили инновационную технологию, результаты которой порадуют как специалистов в области высоких технологий, так и всех, кто следит за разработками будущего. Открытие этих учёных открывает перед человечеством сразу несколько направлений для практического внедрения, способных изменить привычные представления о хранении данных, энергетике и микроэлектронике.
Запись данных с помощью света: шаг к защищённым технологиям
Одной из самых ярких возможностей новой техники стала лазерная запись информации в структуре перовскита, которую можно считать исключительно при сохранении определённых, заранее известных пользователю условий. Такая методика существенно повышает безопасность персональных и корпоративных данных. Исследователи убедительно показали: на базе их метода производятся дифракционные решётки и микрополосковые лазеры с минимальными размерами порядка 400 нанометров. Компактные размеры подобных элементов в перспективе позволят реализовать полностью оптические трассы передачи данных, где защита информации достигается не только шифрованием, но и особенностями самого материала.
Перовскит: яркие оттенки без красителей
Не менее значимое применение технологии связано с созданием новых цветных материалов для солнечных батарей. С помощью точного воздействия лазера на поверхность перовскитных композиций учёные добились мгновенного изменения видимого цвета без использования традиционных красителей. Теперь этот материал легко принимает желтый, чёрный, синий, красный или иной оттенок, который необходим по дизайнерскому замыслу. Это открывает дорогу архитектурным решениям, ранее считавшимся невозможными: здания могут быть украшены многоцветными солнечными панелями, каждая из которых выполняет функцию эффективного фотоэлемента, составляя при этом эстетически привлекательный фасад. Энергетический эффект остаётся заметно выше, чем у обычных стен, хотя и отстаёт по показателям от классических чёрных солнечных ячеек.
Нанолазеры: революция в сенсорике и вычислениях
Третья область, где проявляется потенциал лазерной обработки перовскита — это микроразмерные лазерные излучатели для оптических сенсоров и микрочипов. В будущем устройства смогут передавать информацию не за счёт электрических сигналов, а благодаря фотонам, что существенно ускоряет и упрощает обмен большими объёмами данных. По словам экспертов, предложенное решение позволяет буквально за несколько минут синтезировать целые массивы нанолазеров — свыше сотен тысяч единиц, что открывает перед промышленностью возможность масштабного и недорогого производства элементов для оптометрии и вычислительных систем нового поколения. Начало эпохи оптических компьютеров становится ближе благодаря этим открытиям.
Повышение эффективности материалов посредством лазерной обработки
Кроме всего прочего, учёные выяснили: при лазерном воздействии на перовскиты их световые характеристики не только не ухудшаются, а демонстрируют явный прогресс. Это обусловлено изменением поверхностной структуры и химического состава, благодаря чему устраняются дефекты, возникающие от высокотемпературной обработки. Усовершенствованные материалы приобретают ещё лучшие свойства, что даёт новый импульс их широкому применению в светотехнике и оптоэлектронике.
Международное научное сотрудничество и перспективы развития
В рамках реализации данного проекта объединились усилия специалистов с разных концов мира: к инициативе примкнули исследователи из Института автоматизации и процессов управления (Россия), Объединённого института высоких температур РАН, Рурского университета в Германии, Токайского университета (Япония), а также Технологического университета Суинбурна (Австралия). Такой междисциплинарный подход позволил повысить эффективность поиска новых решений и провести необходимые практические испытания с максимальной достоверностью результатов.
Первое успешное испытание подхода было проведено весной 2019 года — тогда команде удалось впервые реализовать быстрый и экономичный способ создания микролазеров на основе перовскитов. Эти излучатели вскоре могут стать неотъемлемой частью оптических микросхем для супермощных вычислительных машин, формируя платформу для развития новых отраслей цифровой индустрии.
Будущее в цвете: инновации для людей
Итоги работы открывают широкий спектр применений — от защищённого хранения важной информации и внедрения цветных энергоэффективных солнечных панелей до появления принципиально новых вычислительных систем, работающих со скоростью и надёжностью, недоступной для классических технологий. Новые лазерные методы позволяют переосмыслить само понятие цифровых и оптических технологий, приближая будущее, где возможности человека и машины гармонично сочетаются ради решения глобальных задач. Энергия света, которая так привычна каждому, становится ключом к инновациям — красивым, доступным и полезным всему обществу.
Прорывные технологии в работе с перовскитом
Современные ученые сделали значительный шаг вперед в развитии оптоэлектроники, освоив технологию создания сложных компонентов из перовскита при помощи лазерной обработки. Такой инновационный подход позволяет не только оптимизировать производственные процессы, но и открывает новые горизонты в создании миниатюрных, эффективных и красочных компонентов для различной техники.
Перовскит — кристаллический материал с уникальными свойствами, который в последние годы стал настоящей находкой для ученых, работающих в области новых источников энергии и оптических технологий. Одной из главных особенностей нового метода является возможность формировать сверхточные детали для оптических чипов и разноцветных солнечных батарей, с сохранением всех их функциональных характеристик. Благодаря воздействию лазера удается добиться точности, которая ранее оставалась недостижимой при традиционных способах обработки материалов.
Перспективы использования лазерного метода
Новый лазерный способ обработки перовскита отличается высокой скоростью и позволяет контролировать цвет и структуру создаваемых элементов. Это открывает широкие перспективы не только для промышленного производства, но и для разработки эстетичных и функциональных решений в области солнечной энергетики. Результатом работы ученых стали яркие, надежные и долговечные компоненты, которые обещают изменить рынок солнечных батарей и фотоники.
Такие разработки поддерживают стремление человечества к использованию экологичных источников энергии и эффективной миниатюризации устройств. Современная лазерная технология с применением перовскита придает мощный импульс к развитию доступных и эффективных решений для будущих инновационных энергетических систем.
Источник: scientificrussia.ru
