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Recorrido fotográfico: ¿qué están haciendo en el laboratorio de nanofotónica híbrida y optoelectrónica del New Physics Institute ITMO?

Mientras todos están en casa, es hora de hablar sobre los proyectos y las tecnologías que se están trabajando en nuestras paredes, y también de hablar sobre los equipos: cajas de guantes, cámaras de vacío y reactivos.

Atención: debajo de un gato hay muchas fotos.

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¿Qué hace el laboratorio?


El laboratorio de nanofotónica híbrida y optoelectrónica ha existido durante tres años en el Centro de Ingeniería ITMO . Desarrolla productos basados ​​en perovskitas híbridas . Este es un material con alta absorción de luz en el rango visible. Por ejemplo, el silicio de cientos de micras de espesor absorbe tanta radiación como la perovskita de una micra. Debido a sus propiedades físicas únicas, ha encontrado aplicación en la producción de células electroquímicas emisoras de luz ( células electroquímicas emisoras de luz, LEC ), células solares y nanolasers .

Aún sobre la base del laboratorio, se les enseña a los estudiantes. Básicamente, los licenciados y maestros de la Física de Ingeniería Física de ITMO van aquí, pero hay estudiantes de otras facultades e incluso universidades: el Instituto SCAMT, las universidades académicas y electrotécnicas. Los estudiantes junior participan en actividades del proyecto. Ganan experiencia en equipo y motivación para la autoeducación.

Los estudiantes universitarios realizan investigaciones en el marco de la preparación del trabajo de calificación. Los niños más talentosos tienen la oportunidad de continuar sus estudios como estudiantes graduados de la Facultad de Física y Tecnología. Uno de los supervisores es Anvar Zakhidov.quien tiene un laboratorio en Dallas. Produce nanotubos de carbono, otro material prometedor. Con su ayuda, es posible producir LED transparentes con buenas características de brillo o LED en cascada. Los emisores están ubicados uno debajo del otro, y no uno al lado del otro. Este enfoque reduce el tamaño de las pantallas.

Aparatos y equipos


La herramienta principal en el laboratorio son las cajas de guantes. Estos son recipientes herméticos para trabajar con sustancias y reactivos en un ambiente controlado. En la foto a continuación: instalación de MBraun, cuya cámara está llena de nitrógeno puro. Este es un gas inerte, por lo que no interactúa con la perovskita, y también desplaza el oxígeno y el vapor de agua de la cámara. Se puede lograr un efecto similar usando argón, pero es más costoso y más difícil de conseguir en San Petersburgo.



Trabajar con cajas requiere ciertas habilidades. Es necesario asegurarse de que las muestras se introducen correctamente en la cámara; de lo contrario, existe el riesgo de que el recurso de nitrógeno del dispositivo simplemente se desperdicie. Por lo tanto, cada nuevo empleado se somete a un curso de capacitación.





Una de las cajas de guantes está reservada para trabajar con soluciones de perovskita. Estas son perovskitas diluidas con sales y solventes de DMSO (dimetilsulfóxido ) y DMF ( dimetilformamida ). Se almacenan en pequeños tubos de ensayo.


Solución de perovskita Los


tubos de ensayo se firman y se almacenan en recipientes de plástico

. La sustancia se rocía sobre un vidrio especial, que se monta en un cartucho de centrífuga y se desenrolla. En algún momento, se agrega un antidisolvente al mismo. Como resultado, el material precipita, formando una película.



Diferentes perovskitas tienen propiedades únicas. Por lo tanto, los especialistas de laboratorio practican constantemente la tecnología de su aplicación.



Las películas terminadas deben almacenarse en una caja inerte. Pero para su movimiento a corto plazo durante la investigación, está permitido usar platos de Petri comunes.



Además, el laboratorio de nanofotónica híbrida y optoelectrónica se dedica a la síntesis de perovskitas. Para esto, hay todos los reactivos y sales necesarios.



Al cambiar los volúmenes de sales en la solución, es posible "mover" la zona prohibida de perovskita de 1.5 eV a 3 eV. Esta característica le permite recolectar células solares en cascada que absorben la luz con diferentes longitudes de onda. Es suficiente hacer varias perovskitas con varias propiedades y crear un dispositivo multicapa a partir de ellas.



En una de las cajas de guantes hay una cámara de pulverización térmica para la producción de productos de diodos. Está bajo vacío, ya que la pureza es un parámetro muy importante cuando se trabaja con nanofotónica. La cámara en sí es un recipiente sellado con cuatro estufas controladas: crisoles, donde se carga la sustancia pulverizada. Dos crisoles son para metales, dos para compuestos organometálicos.

Durante la operación, la cámara se bombea a un vacío promedio - aproximadamente 2.10 -6 atmósferas - y el crisol se calienta a la temperatura de evaporación del material cargado. Luego, estos pares se apresuran, donde se depositan a través de la máscara sobre la muestra (película de perovskita).



La máscara le permite elegir casi cualquier diseño de la película rociada. Estos pueden ser electrodos metálicos para conectar el dispositivo, así como capas de barrera de carbono para que las capas vecinas no interactúen entre sí. Las máscaras están unidas al marco de la plantilla con tornillos. Al mismo tiempo, la cámara puede rociar cuatro módulos de 25x25 mm de tamaño (en la figura a continuación, estas son marcas amarillas ).


Disco de muestra

En la producción de un LED (o célula solar), el contacto inferior está hecho de ITO comercial ( óxido de indio y estaño) - material translúcido. Usando el método de fotolitografía, se graban cuatro tiras de 3 mm cada una. Las cajas de guantes se aplican con capas de transporte, activas y de barrera en la parte superior, y luego contactos metálicos: se rocían electrodos. Los electrodos también son cuatro tiras de 3 mm, pero perpendiculares a los contactos de ITO. Por lo tanto, los píxeles de los dispositivos de perovskita aparecen en la intersección: solo dieciséis piezas de 3x3 mm de tamaño en cada módulo.



Otra caja de laboratorio presurizada se utiliza para caracterizar dispositivos de perovskita. El equipo de medición está instalado en el interior: dos simuladores solares, un espectrómetro compacto y un espectroradiómetro. Esta última es una cámara para evaluar la iluminación de los LED: cd / m2, lux.

Allí también se estableció una esfera integradora. Ella hace todo lo mismo que el spraktroradiometer, solo que con un poco más de precisión, ya que "recoge" la luz del diodo desde todos los lados.


Medidor de

fuente Keithley 2400 El medidor de fuente Keithley 2400 también está a disposición de especialistas de laboratorio, lo que le permite medir las características de voltaje de corriente de los dispositivos de película delgada. La foto a continuación muestra una muestra de demostración: un LED con un electrodo superior rociado.





En una de las cámaras hay un sistema para la determinación expresa de la operabilidad de la película. En el interior hay una jeringa con eutéctico In-Ga y un cocodrilo.". Eutectic le permite conectarse directamente a la perovskita para no "desempolvar" los contactos en la cámara térmica. "Cocodrilo" desempeña el papel de un contacto de presión para pasar corriente a través del LED y encenderlo. De esta manera, se puede medir el espectro de electroluminiscencia.

Los dispositivos son muy pequeños y hay que trabajar con guantes de goma. Apretar una tuerca en ellos ya es un gran problema. Por lo tanto, hay llaves y pinzas en las células.



La cámara de prueba exprés también tiene un perfilómetro: es solo un "dedo" que se desliza sobre la superficie y mira su perfil. Con su ayuda determina el espesor de la película, la rugosidad, la morfología.



Otro dispositivo es un microscopio óptico. Este es uno de los instrumentos principales porque un espectrómetro de fibra está conectado a él. El sistema le permite grabar localmente el espectro de fotoluminiscencia, transmisión, reflexión de la película. Cuando los estudiantes cultivan nanopartículas, pueden estudiar las características de brillo de una de ellas. Esto es importante porque, dependiendo del tamaño de partícula, los cambios de longitud de onda de fotoluminiscencia y otras características cambian.

Otras instalaciones de laboratorio.


Una sala química está escondida detrás de una de las puertas del laboratorio.



Ubicado en su territorio está permitido exclusivamente en monos. Todo es estricto con esto: los infractores se eliminan de los proyectos.



Además de la sala química, el laboratorio tiene su propio espacio abierto. Esta sala es un salón de baile convertido.



Modificaciones Recientes


La base tecnológica del laboratorio de nanofotónica híbrida y optoelectrónica se mejora regularmente. Un horno de crisol fue comprado el año pasado. Se utiliza para producir capas de transporte en células solares altamente eficientes basadas en perovskita. Las altas temperaturas ayudan a tratar térmicamente los sustratos de vidrio, acelerar la difusión de los contactos metálicos en la estructura de las capas de transporte de las células solares de perovskita y trabajar con puntos cuánticos inorgánicos.

También se compró un bloque de reacción para la síntesis de nanopartículas inorgánicas y la formación de capas activas en LEDs de perovskita, nano y microlasers.

El laboratorio adquirió recientemente un sistema para estudiar la generación de armónicos ópticos de radiación coherente. Permite estudiar propiedades ópticas no lineales basadas en compuestos organo-inorgánicos con estructuras nanofotónicas integradas.

También ha aparecido un medidor de inmitancia de precisión (medidor LRC), que permite obtener características de frecuencia de la impedancia de las películas de perovskita, así como LED y paneles solares basados ​​en ellas. Gracias a él, es posible no solo caracterizar el material de la capa fotoactiva, sino también sacar conclusiones sobre la calidad de los contactos de los dispositivos al practicar la tecnología de su deposición.


A la izquierda hay un sistema para estudiar la generación de armónicos ópticos de radiación coherente. Derecha: laboratorio híbrido de nanofotónica y optoelectrónica en enero de 2019


A la izquierda hay un medidor de precisión de inmitancia (medidor LRC). A la derecha hay un horno de crisol.

Además del equipo, aparecieron nuevas direcciones de investigación. Uno de ellos está asociado con la síntesis de cristales de perovskita de una forma y tamaño dados. Permiten registrar interesantes efectos no lineales y obtener nanomateriales funcionales. Entonces, en 2019, los ingenieros desarrollaron el láser dieléctrico bombeado ópticamente más pequeño. El resonador en el láser era un cristal de perovskita cúbico. Su tamaño se correlacionó con la radiación largamente ganada del material.

Otra área de desarrollo activo en el laboratorio es el desarrollo de dispositivos "bifuncionales". Estas son películas delgadas de perovskita que, dependiendo del voltaje aplicado, pueden funcionar tanto en el modo de batería solar como en el modo LED. Ya se han recibido prototipos y primeras patentes. En el futuro, tales películas encontrarán aplicación en la implementación de ventanas inteligentes: cuando una ventana de doble acristalamiento carga la batería por la tarde y por la noche funciona como una fuente de luz extendida.


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