Исследователи научились переключать эффективность свечения перовскитов

Перовскиты широко применяются в промышленности в качестве материалов для лазеров и светодиодов. Ученым удалось разработать на их основе конструкцию, эффективность свечения которой можно переключать. Для этого они использовали подслой, состоящий из германия, сурьмы и теллура (GST), кристаллическая форма которого повышала эффективность излучения перовскита на 20% по сравнению с аморфной фазой GST. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Laser & Photonic Reviews.

Перовскиты — это материалы, которые поглощают свет, а затем испускают лучи с определенной длиной волны. Они широко используются при производстве солнечных элементов, фотоприемников и лазеров. Одним из ключевых параметров, определяющих производительность этих устройств, является эффективность их свечения. Однако еще не существует перовскитов, у которых можно было бы менять эффективность свечения в процессе их работы.

Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), Харбинского инженерного университета (Китай) продемонстрировали обратимое переключение эффективности свечения перовскита. Для этого они разработали конструкцию, состоящую из трех слоев. На сапфировую подложку физики наносили слой GST, состоящий из германия (Ge), сурьмы (Sb) и теллура (Te). Непосредственно после создания конструкции GST имел аморфную фазу, однако после облучения пучком лазера он переходил в кристаллическое состояние. Затем по поверхности слоя GST авторы распределяли перовскит.

Оказалось, что перовскиты на подслое из кристаллического GST излучали свечение, эффективность которого была на 20% больше, чем у перовскитов на аморфной подложке. Аморфный подслой имел больше структурных дефектов, на которых задерживались электроны, что уменьшало свечение материала.

Исследователи показали, что эффективность излучения конструкции можно менять после изготовления образца. Так, авторы освещали его пучком лазера, в результате чего исходно аморфный GST переходил в кристаллическое состояние, а эффективность излучения повышалась на 20%. Чтобы вернуть аморфный GST, ученые использовали одиночный быстрый лазерный импульс высокой интенсивности, который обеспечивал энергию, достаточную для внесения структурного беспорядка в GST. Эта неупорядоченность сохранялась благодаря быстрому охлаждению пленки, а образец возвращался в начальное аморфное состояние, однако эффективность излучения падала на 13% по сравнению с исходной аморфной фазой. Затем авторы снова переводили образец в кристаллическое состояние с помощью последовательности импульсов, и эффективность свечения снова повышалась на 20% по сравнению с исходным аморфным состоянием. Таким образом, ученые создали перовскитный «выключатель».

Фаза GST и ее оптические свойства могут сохраняться в течение долгого времени без внешнего источника излучения или другой энергии, что повышает надежность разработанной конструкции.

В работе приняли самое активное участие молодые сотрудники. Так, аспирантка Университета ИТМО Ольга Кущенко, первый соавтор статьи, поделилась впечатлениями о проведенном исследовании: «Работа ученого отличается от других профессий. Значительную ее часть занимают неудачные эксперименты. Однако именно большое количество провалов делает успех более ценным и желаемым. Кроме того, многие эксперименты, особенно в области фотоники, в которой я работаю, поражают своей необычностью и красотой. В моей профессии нет такого понятия как рутина, каждый день я делаю то, что ни я, ни кто-либо другой раньше не делал, и в большинстве случаев я не знаю, какой результат у меня получится».

Несмотря на такую специфику научных исследований, ученым удалось добиться важных конкретных результатов. Перестраиваемые светоизлучающие структуры найдут широкое применение в фотонных устройствах. Например, если наносить их на товары и настраивать эффективность свечения определенным образом, производство можно будет защитить от подделок.

«Наша платформа позволяет при помощи материалов с фазовой памятью управлять ярким излучением перовскитов. На данном этапе мы продемонстрировали принципиальную работоспособность данной платформы. Далее мы планируем использовать ее для управления направленностью и поляризацией излучения, а также использовать изменение электрических свойств материалов с фазовой памятью для демонстрации новых возможностей микрооптоэлектронных компонентов на основе платформы», — рассказывает Михаил Рыбин, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО.

Автор: Анна Дегтярь