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Fototour: Was machen sie im Labor für hybride Nanophotonik und Optoelektronik des New Physics Institute ITMO?

Während alle zu Hause sind, ist es Zeit, über die Projekte und Technologien zu sprechen, an denen in unseren Wänden gearbeitet wird, und über Geräte zu sprechen: Handschuhboxen, Vakuumkammern und Reagenzien.

Achtung: Unter einer Katze gibt es viele Fotos.

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Was macht das Labor?


Das Labor für hybride Nanophotonik und Optoelektronik besteht seit drei Jahren im ITMO Engineering Center . Es entwickelt Produkte auf Basis von Hybridperowskiten . Dies ist ein Material mit hoher Lichtabsorption im sichtbaren Bereich. Beispielsweise absorbiert Silizium mit einer Dicke von Hunderten von Mikrometern so viel Strahlung wie Perowskit mit einem Mikrometer. Aufgrund der einzigartigen physikalischen Eigenschaften hat es Anwendung bei der Herstellung von lichtemittierenden elektrochemischen Zellen (lichtemittierende elektrochemische Zellen, LEC ), Solarzellen und Nanolasern gefunden .

Noch auf der Grundlage des Labors werden die Schüler unterrichtet. Grundsätzlich gehen hier Junggesellen und Meister der ITMO Physical Engineering PhysicsEs gibt jedoch Studenten anderer Fakultäten und sogar Universitäten - des SCAMT-Instituts, der akademischen und elektrotechnischen Universitäten. Junior-Studenten sind an Projektaktivitäten beteiligt. Sie sammeln Erfahrung im Team und Motivation zur Selbstbildung.

Studierende forschen im Rahmen der Vorbereitung von Qualifikationsarbeiten. Die talentiertesten Kinder erhalten die Möglichkeit, ihr Studium als Doktoranden der Fakultät für Physik und Technologie fortzusetzen. Einer der Vorgesetzten ist Anvar ZakhidovWer hat ein Labor in Dallas. Es produziert Kohlenstoffnanoröhren, ein weiteres vielversprechendes Material. Mit seiner Hilfe ist es möglich, transparente LEDs mit guten Helligkeitseigenschaften oder kaskadierende LEDs herzustellen. Die Emitter befinden sich untereinander und nicht nebeneinander. Dieser Ansatz reduziert die Größe der Anzeigen.

Geräte und Ausrüstungen


Das Hauptwerkzeug im Labor sind Handschuhboxen. Dies sind luftdichte Behälter für die Arbeit mit Substanzen und Reagenzien in einer kontrollierten Umgebung. Auf dem Foto unten - MBraun-Installation, deren Kammer mit reinem Stickstoff gefüllt ist. Dies ist ein Inertgas, so dass es nicht mit Perowskit wechselwirkt und auch Sauerstoff und Wasserdampf aus der Kammer verdrängt. Ein ähnlicher Effekt kann mit Argon erzielt werden, ist jedoch in St. Petersburg teurer und schwieriger zu bekommen.



Das Arbeiten mit Boxen erfordert bestimmte Fähigkeiten. Es muss sichergestellt werden, dass die Proben korrekt in die Kammer eingeführt werden, da sonst die Gefahr besteht, dass die Stickstoffressource des Geräts einfach verschwendet wird. Daher durchläuft jeder neue Mitarbeiter eine Schulung.





Eines der Handschuhboxen ist für die Arbeit mit Perowskit-Lösungen reserviert. Dies sind Perowskite, die mit Salzen und Lösungsmitteln von DMSO (Dimethylsulfoxid ) und DMF ( Dimethylformamid ). Sie werden in kleinen Reagenzgläsern aufbewahrt.


Perowskitlösung


Reagenzgläser werden signiert und in Kunststoffbehältern aufbewahrt.

Aus der Lösung werden dünne Perowskitfilme erhalten. Die Substanz wird auf ein spezielles Glas gesprüht, das in einer Zentrifugenpatrone montiert und ungedreht ist. Irgendwann wird ein Antilösungsmittel zugesetzt. Infolgedessen fällt das Material aus und bildet einen Film.



Verschiedene Perowskite haben einzigartige Eigenschaften. Daher üben Laborspezialisten ständig die Technologie ihrer Anwendung.



Fertige Filme müssen in einer inerten Box aufbewahrt werden. Für ihre kurzfristige Bewegung während der Forschung ist es jedoch zulässig, gewöhnliche Petrischalen zu verwenden.



Auch das Labor für hybride Nanophotonik und Optoelektronik befasst sich mit der Synthese von Perowskiten. Hierzu gibt es alle notwendigen Reagenzien und Salze.



Durch Ändern der Salzvolumina in der Lösung ist es möglich, die verbotene Zone von Perowskit von 1,5 eV auf 3 eV zu „verschieben“ . Mit dieser Funktion können Sie kaskadierende Solarzellen sammeln, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren. Es reicht aus, mehrere Perowskite mit verschiedenen Eigenschaften herzustellen und daraus ein mehrschichtiges Gerät herzustellen.



In einem der Handschuhboxen befindet sich eine thermische Spritzkammer zur Herstellung von Diodenprodukten. Es steht unter Vakuum, da Reinheit ein sehr wichtiger Parameter bei der Arbeit mit Nanophotonik ist. Die Kammer selbst ist ein versiegeltes Gefäß mit vier kontrollierten Öfen - Tiegeln, in die die gesprühte Substanz geladen wird. Zwei Tiegel sind für Metalle, zwei für metallorganische Verbindungen.

Während des Betriebs wird die Kammer auf ein durchschnittliches Vakuum gepumpt - etwa 2,10 bis 6 Atmosphären - und der Tiegel wird auf die Verdampfungstemperatur des beladenen Materials erhitzt. Dann rasen diese Paare hoch, wo sie durch die Maske auf die Probe (Perowskitfilm) aufgebracht werden.



Mit der Maske können Sie nahezu jedes Design des Sprühfilms auswählen. Dies können Metallelektroden zum Verbinden der Vorrichtung sowie Barrierekohlenstoffschichten sein, so dass benachbarte Schichten nicht miteinander interagieren. Die Masken selbst werden mit Schrauben am Schablonenrahmen befestigt. Die Kamera kann gleichzeitig vier Module mit einer Größe von 25 x 25 mm sprühen (in der folgenden Abbildung sind dies gelbe Markierungen ).


Probenscheibe

Bei der Herstellung einer LED (oder Solarzelle) wird der Bodenkontakt aus handelsüblichem ITO ( Indiumzinnoxid) hergestellt) - durchscheinendes Material. Mit der Methode der Photolithographie werden vier Streifen von jeweils 3 mm darin geätzt. Handschuhboxen werden mit Transport-, Aktiv- und Barriereschichten aufgebracht und anschließend mit Metallkontakten - Elektroden besprüht. Die Elektroden sind ebenfalls vier Streifen von 3 mm, jedoch senkrecht zu den Kontakten von ITO. Somit erscheinen Pixel von Perowskit-Vorrichtungen an der Kreuzung - nur 16 Stücke mit einer Größe von 3 x 3 mm auf jedem Modul.



Eine andere unter Druck stehende Laborbox wird zur Charakterisierung von Perowskit-Vorrichtungen verwendet. Im Inneren sind Messgeräte installiert: zwei Sonnensimulatoren, ein kompaktes Spektrometer und ein Spektroradiometer. Letzteres ist eine Kamera zur Beurteilung der Beleuchtung von LEDs - cd / m2, lux.

Dort wurde auch eine integrierende Sphäre eingerichtet. Sie macht alles genauso wie das Spraktroradiometer, nur ein wenig genauer, da sie das Diodenlicht von allen Seiten „sammelt“.


Keithley 2400-Quellenzähler Der Keithley 2400-

Quellenzähler steht auch Laborspezialisten zur Verfügung. Mit ihm können Sie die Strom-Spannungs-Eigenschaften von Dünnschichtgeräten messen. Das Foto unten zeigt ein Demo-Beispiel - eine LED mit einer gesprühten oberen Elektrode.





In einer der Kammern befindet sich ein System zur Expressbestimmung der Filmbedienbarkeit. Im Inneren befindet sich eine Spritze mit In-Ga-Eutektikum und einem Krokodil". Mit Eutektikum können Sie eine direkte Verbindung zum Perowskit herstellen, um die Kontakte in der Wärmekammer nicht zu „stäuben“. "Krokodil" spielt die Rolle eines Druckkontakts, um Strom durch die LED zu leiten und sie zu beleuchten. Auf diese Weise kann das Elektrolumineszenzspektrum gemessen werden.

Die Geräte sind sehr klein und man muss mit Gummihandschuhen arbeiten. Eine Mutter in ihnen festzuziehen ist schon eine große Sache. Daher befinden sich Schraubenschlüssel und Pinzetten in den Zellen.



Die Express-Testkammer hat auch ein Profilometer - es ist nur ein „Finger“, der auf der Oberfläche fährt und auf sein Profil schaut. Mit seiner Hilfe bestimmen Sie die Filmdicke, Rauheit, Morphologie.



Ein anderes Gerät ist ein optisches Mikroskop. Dies ist eines der Hauptinstrumente, da ein Faserspektrometer daran angeschlossen ist. Mit dem System können Sie das Spektrum der Photolumineszenz, Transmission und Reflexion des Films lokal aufzeichnen. Wenn Schüler Nanopartikel züchten, können sie die Glüheigenschaften eines von ihnen untersuchen. Dies ist wichtig, da sich in Abhängigkeit von der Partikelgröße die Wellenlänge der Photolumineszenz verschiebt und sich andere Eigenschaften ändern.

Andere Laboreinrichtungen


Hinter einer der Labortüren ist ein Chemieraum versteckt.



Das auf seinem Territorium gelegene ist ausschließlich in Overalls erlaubt. Damit ist alles streng - Verstöße werden aus Projekten entfernt.



Neben dem Chemieraum verfügt das Labor über einen eigenen Freiraum. Dieser Raum ist ein umgebauter Ballsaal.



Letzte Änderungen


Die technologische Basis des Labors für hybride Nanophotonik und Optoelektronik wird regelmäßig verbessert. Ein Tiegelofen wurde letztes Jahr gekauft. Es wird zur Herstellung von Transportschichten in hocheffizienten Solarzellen auf Perowskitbasis verwendet. Hohe Temperaturen helfen bei der Wärmebehandlung von Glassubstraten, beschleunigen die Diffusion von Metallkontakten in die Struktur von Transportschichten von Perowskit-Solarzellen und arbeiten mit anorganischen Quantenpunkten.

Ein Reaktionsblock wurde auch für die Synthese anorganischer Nanopartikel und die Bildung aktiver Schichten in Perowskit-LEDs, Nano- und Mikrolasern gekauft.

Das Labor hat kürzlich ein System zur Untersuchung der Erzeugung optischer Harmonischer kohärenter Strahlung erworben. Es ermöglicht die Untersuchung nichtlinearer optischer Eigenschaften auf Basis organoanorganischer Verbindungen mit integrierten nanophotonischen Strukturen.

Ein Präzisionsmessgerät (LRC-Messgerät) ist ebenfalls erschienen, mit dem Frequenzkennlinien der Impedanz von Perowskitfilmen sowie darauf basierende LEDs und Solarmodule ermittelt werden können. Dank ihm ist es möglich, nicht nur das Material der photoaktiven Schicht zu charakterisieren, sondern auch Rückschlüsse auf die Qualität der Kontakte der Geräte zu ziehen, wenn die Technologie ihrer Abscheidung geübt wird.


Auf der linken Seite befindet sich ein System zur Untersuchung der Erzeugung optischer Harmonischer kohärenter Strahlung. Rechts: Hybridlabor für Nanophotonik und Optoelektronik im Januar 2019


Auf der linken Seite befindet sich ein Präzisionsmessgerät (LRC-Messgerät). Rechts ist ein Tiegelofen zu sehen.

Neben der Ausrüstung erschienen neue Forschungsrichtungen. Eine davon ist mit der Synthese von Perowskitkristallen einer bestimmten Form und Größe verbunden. Sie ermöglichen es, interessante nichtlineare Effekte zu registrieren und funktionelle Nanomaterialien zu erhalten. So entwickelten die Ingenieure 2019 den kleinsten optisch gepumpten dielektrischen Laser. Der Resonator im Laser war ein kubischer Perowskitkristall. Seine Größe korrelierte mit der lang gewonnenen Strahlung des Materials.

Ein weiterer sich aktiv entwickelnder Bereich im Labor ist die Entwicklung von "bifunktionellen" Geräten. Hierbei handelt es sich um dünne Perowskitfilme, die je nach angelegter Spannung sowohl im Solarbatteriemodus als auch im LED-Modus arbeiten können. Prototypen und erste Patente sind bereits eingegangen. In Zukunft werden solche Filme Anwendung in der Implementierung von intelligenten Fenstern finden - wenn ein doppelt verglastes Fenster die Batterie am Nachmittag auflädt und abends als erweiterte Lichtquelle fungiert.


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