В Университете ИТМО разработан новый наноматериал — источник света на основе перовскита.
Впервые излучение наночастиц (их размер — несколько сотен нанометров) можно усиливать и направлять без дополнительных устройств — они являются одновременно и источником света, и наноантенной. Меняя состав материала при синтезе наночастиц, можно варьировать спектр излучения во всём видимом диапазоне. Это делает новые наноантенны перспективной основой для создания компактных оптоэлектронных устройств — оптических чипов, светодиодов или сенсоров.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.
Наноразмерные источники света и наноантенны нужны, в частности, для создания миниатюрных инструментов для изучения процессов в живых клетках на молекулярном уровне. С их помощью также можно передавать информацию в сверхкомпактных оптических схемах.
Создание устройств на основе наноструктур в настоящее время осложнено тем, что материалы, которые используются для изготовления наноантенн, обладают очень низкой эффективностью свечения. Кроме того, источник света и наноантенна — два отдельных устройства, необходимо разместить их рядом. Это само по себе технологически сложная задача.
Сотрудники Университета ИТМО нашли способ объединить наноантенну и источник света в одной наночастице. Она может генерировать, усиливать и направлять свет.
«Материалом для наших частиц служит органо-неорганический перовскит. Именно он позволил нам сделать такие наноантенны, ‒ комментирует Екатерина Тигунцева, ведущий автор статьи. ‒ При этом способ, который мы придумали для получения наноантенн, сравнительно прост. Мы синтезируем перовскитную плёнку и формируем из неё наночастицы методом лазерной абляции: используем отдельные лазерные импульсы, чтобы перенести частицы перовскита с поверхности плёнки на другую подложку. По сравнению с другими методиками получения наночастиц, это не требует больших финансовых затрат».
В ходе исследования учёные обнаружили, что излучение перовскитных наночастиц усиливается, если спектр излучения совпадает с Ми-резонансами.
«Эти резонансы названы в честь выдающегося немецкого учёного Густава Ми, ─ рассказывает Георгий Зограф, сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО. ─ Он разработал общую теорию взаимодействия света со субволновыми сферическими объектами. Сейчас активно изучаются Ми-резонансы в диэлектрических и полупроводниковых наночастицах. Перовскит, используемый в нашей работе ─ тоже полупроводник, эффективность свечения которого существенно превосходит многие материалы. В этой работе нам удалось показать, что совмещение Ми-резонанса перовскитных наночастиц со спектром излучения позволяет получить максимально эффективные субволновые источники света при комнатной температуре».
Спектр излучения наночастиц можно менять, варьируя анионы в составе материала.
«Мы обнаружили, что если использовать другой состав материала при синтезе перовскитной плёнки, цвет излучения частиц изменится — нам удалось получить красное, жёлтое и зелёное свечение. При этом структура материала и метод синтеза остаются прежними — не нужно ничего адаптировать и усложнять», ‒ объясняет Екатерина Тигунцева.
Георгий Зограф добавляет:
«Насколько нам известно, никому раньше не удавалось получить субволновые перовскитные наноантенны с настраиваемым спектром излучения. Отправляя статью в журнал, мы в шутку пообещали коллегам, что приготовим выпечку, отражающую суть работы, если статью примут. В итоге мы отпраздновали публикацию разноцветными пирожными в цветах излучения наших наночастиц. Мы назвали их «ПЕРОжками» ─ в честь перовскита».
Теперь научная группа продолжает изучение перовскитных наночастиц с использованием других компонентов. Кроме того, в лаборатории разрабатывают новые варианты наноструктур на основе перовскита для совершенствования ультракомпактных оптических приборов и устройств передачи данных.
