Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО

в 16:55, , рубрики: Блог компании Университет ИТМО, гибридная нанофотоника, диодные изделия, новый физтех ИТМО, оптоэлектроника, Производство и разработка электроники, Университет ИТМО

Пока все дома, самое время рассказать о проектах и технологиях, над которыми работают в наших стенах, а еще — обсудить оборудование: перчаточные боксы, вакуумные камеры и реагенты.

Внимание: под катом много фото.

Больше фотоэкскурсий по лабораториям вуза:


Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 1

Чем занимаются в лаборатории

Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники существует уже три года. В ней разрабатывают изделия на основе гибридных перовскитов. Это — материал с высоким поглощением света в видимом диапазоне. Например, кремний толщиной в сотни микрон поглощает столько же излучения, сколько и перовскит в один микрон. Благодаря уникальным физическим свойствам он нашел применение в производстве светоизлучающих электрохимических ячеек (light-emitting electrochemical cells, LEC), солнечных элементов и нанолазеров.

Еще на базе лаборатории обучают студентов. В основном сюда ходят бакалавры и магистры физтеха ИТМО, но есть и учащиеся других факультетов и даже вузов — института SCAMT, Академического и Электротехнического университетов. Студенты младших курсов занимаются проектной деятельностью. Они получают опыт работы в команде и мотивацию к самообразованию.

Старшекурсники проводят НИР в рамках подготовки квалификационной работы. Наиболее талантливые ребята получают возможность продолжить обучение в качестве аспирантов физико-технического факультета. Одним из научных руководителей является Анвар Захидов, у которого есть лаборатория в Далласе. Она производит углеродные нанотрубки, еще один перспективный материал. С его помощью можно изготавливать прозрачные светодиоды с хорошими яркостными характеристиками или каскадные LED. В них излучатели располагаются друг под другом, а не рядом. Такой подход позволяет уменьшить размеры дисплеев.

Аппаратура и оборудование

Главный инструмент в лаборатории — перчаточные боксы. Это — герметичные контейнеры для работы с веществами и реагентами в контролируемой среде. На фото ниже — установка MBraun, камера которого заполнена чистым азотом. Это инертный газ, поэтому он не взаимодействует с перовскитом, а также вытесняет кислород и водяные пары из камеры. Аналогичного эффекта можно добиться с использованием аргона, но он дороже, и его сложнее достать в Петербурге.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 2

Работа с боксами требует определенных навыков. Нужно следить, чтобы образцы правильным образом вносились в камеру, иначе есть риск просто так потратить азотный ресурс устройства. Поэтому каждый новый сотрудник проходит курс обучения.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 3

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 4

Один из перчаточных боксов отведен под работу с растворами перовскита. Это — перовскиты, разведенные солями и растворителями ДМСО (диметилсульфоксид) и ДМФА (диметилформамид). Они хранятся в небольших пробирках.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 5
Раствор перовскита

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 6
Пробирки подписаны и хранятся в пластиковых контейнерах

Из раствора получают тонкие перовскитные пленки. Вещество распыляют на специальное стеклышко, которое монтируется в патрон центрифуги и раскручивается. В определенный момент туда подливают антирастворитель. В результате материал выпадает в осадок, образуя пленку.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 7

Разные перовскиты обладают уникальными свойствами. Поэтому специалисты лаборатории постоянно отрабатывают технологию их нанесения.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 8

Готовые пленки нужно хранить в боксе с инертной средой. Но для их кратковременного перемещения во время исследований допустимо использовать обыкновенные чашки Петри.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 9

Также лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники занимается синтезом перовскитов. Для этого здесь есть все необходимые реагенты и соли.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 10

Изменяя объемы солей в растворе, можно «двигать» запрещенную зону перовскита от 1,5 эВ до 3 эВ. Эта особенность позволяет собирать каскадные солнечные элементы, поглощающие свет с разной длиной волны. Достаточно сделать несколько перовскитов с различными свойствами и составить из них многослойное устройство.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 11

В одном из перчаточных боксов установлена камера термического напыления для производства диодных изделий. Она находится под вакуумом, поскольку чистота — очень важный параметр при работе с нанофотоникой. Сама камера представляет собой герметичный сосуд с четырьмя управляемыми печками — тиглями, куда загружается напыляемое вещество. Два тигля предназначены для металлов, два — для метал-органических соединений.

Во время работы камера откачивается до среднего вакуума — это примерно 2.10-6 атмосфер — а тигель разогревается до температуры испарения загруженного материала. Затем эти пары устремляются вверх, где через маску осаждаются на образец (перовскитную пленку).

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 12

Маска позволяет выбрать практически любой дизайн напыляемой пленки. Это могут быть металлические электроды для подключения устройства, а также барьерные углеродные слои, чтобы соседние слои не взаимодействовали друг с другом. Сами маски крепятся к рамке трафарета винтами. За один раз камера может напылить четыре модуля размером в 25х25 мм (на рисунке ниже — это желтые следы).

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 13
Диск с образцом

При производстве светодиода (или солнечного элемента) нижний контакт выполняется из коммерческого ITO (оксид индия-олова) — полупрозрачного материала. Методом фотолитографии в нем протравливаются четыре полоски по 3 мм каждая. Сверху в перчаточных боксах наносятся транспортные, активные и барьерные слои, а потом производится напыление металлических контактов — электродов. Электроды также представляют собой четыре полоски по 3 мм, но расположенные перпендикулярно контактам из ITO. Таким образом, на пересечении возникают пиксели перовскитных устройств — всего шестнадцать штук размером 3х3 мм на каждом модуле.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 14

Еще один герметичный бокс лаборатории служит для характеризации перовскитных устройств. Внутри установлено измерительное оборудование: два солнечных симулятора, компактный спектрометр и спректрорадиометр. Последний представляет собой камеру для оценки освещенности светодиодов — кд/м2, лк.

Там же установлена и интегрирующая сфера. Она делает все то же самое, что и спректрорадиометр, только чуть более точно, так как «собирает» свет диода со всех сторон.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 15
Источник-измеритель Keithley 2400

В распоряжении специалистов лаборатории также находится источник-измеритель Keithley 2400. Он позволяет измерять вольтамперные характеристики тонкопленочных устройств. На фото ниже представлен демонстрационный образец — светодиод с напыленным верхним электродом.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 16

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 17

В одной из камер находится система для экспресс-определения работоспособности пленки. Внутри есть шприц с In-Ga эвтектикой и «крокодил». Эвтектика позволяет напрямую подсоединиться к перовскиту, чтобы не «пылить» контакты в термической камере. «Крокодил» играет роль прижимного контакта, чтобы пропустить через светодиод ток и зажечь его. Так можно измерить спектр электролюминесценции.

Устройства очень маленькие, а работать приходится в резиновых перчатках. В них гайку закрутить — уже большое дело. Поэтому в камерах находятся гаечные ключи и пинцеты.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 18

В камере для экспресс-тестов также имеется профилометр — это просто «пальчик», который ездит по поверхности и смотрит её профиль. С его помощью определяют толщину пленки, шероховатость, морфологию.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 19

Еще одно устройство — оптический микроскоп. Это — один из основных приборов, потому что к нему подключен волоконный спектрометр. Система позволяет локально снимать спектр фотолюминесценции, пропускания, отражения с пленки. Когда студенты растят наночастицы, они могут изучить характеристики свечения одной из них. Это важно, потому что в зависимости от размера частицы смещается длина волны фотолюминесценции и меняются другие характеристики.

Другие помещения лаборатории

За одной из дверей лаборатории скрыта химическая комната.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 20

Находится на её территории разрешено исключительно в спецодежде. С этим все строго — нарушителей отстраняют от проектов.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 21

Помимо химической комнаты, на территории лаборатории есть свой опенспейс. Это помещение — переоборудованный бальный зал.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 22

Последние модификации

Технологическая база лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники регулярно совершенствуется. В прошлом году была закуплена тигельная печь. Её используют для получения транспортных слоев в высокоэффективных солнечных элементах на основе перовскита. Высокие температуры помогают производить термическую обработку стеклянных подложек, ускорять диффузию металлических контактов в структуру транспортных слоев перовскитных солнечных элементов, работать с неорганическими квантовыми точками.

Также был приобретен реакционный блок для синтеза неорганических наночастиц и формирования активных слоев в перовскитных светодиодах, нано- и микролазерах.

Лаборатория недавно обзавелась системой для исследования генерации оптических гармоник когерентного излучения. Она дает возможность изучать нелинейные оптические свойства на основе органо-неорганических соединений с интегрированными нанофотонными структурами.

Появился и прецизионный измеритель иммитанса (LRC-метр), который позволяет получить частотные характеристики импеданса пленок перовскита, а также светодиодов и солнечных батарей на их основе. Благодаря ему можно не только характеризовать материал фотоактивного слоя, но и делать выводы о качестве контактов устройств при отработке технологии их нанесения.

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 23
Слева — система для исследования генерации оптических гармоник когерентного излучения. Справа — лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники в январе 2019 года

Фотоэкскурсия: что делают в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Нового физтеха ИТМО - 24
Слева — прецизионный измеритель иммитанса (LRC-метр). Справа — тигельная печь

Помимо аппаратуры, появились и новые направления исследований. Одно из них связано с синтезом перовскитных кристаллов заданной формы и размера. Они дают возможность регистрировать интересные нелинейные эффекты и получать функциональные наноматериалы. Так, в 2019 году инженеры разработали самый маленький диэлектрический лазер с оптической накачкой. Резонатором в лазере выступил кристалл перовскита кубической формы. Его размер коррелировал с длинной воны излучения материала.

Другое активно развивающиеся направление в лаборатории — разработка «бифункциональных» устройств. Это — тонкие пленки перовскита, которые в зависимости от приложенного напряжения могут работать как в режиме солнечной батареи, так и в режиме светодиода. Уже получены прототипы и первые патенты. В перспективе такие пленки найдут применение в реализации умных окон — когда стеклопакет днем заряжает аккумулятор, а вечером работает в качестве протяженного источника света.


Свежие посты из нашего Хабраблога:


Автор: itmo

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js