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Visite photo: que font-ils dans le laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique du New Physics Institute ITMO

Alors que tout le monde est à la maison, il est temps de parler des projets et des technologies sur lesquels nous travaillons dans nos murs, mais aussi de discuter des équipements: boîtes à gants, chambres à vide et réactifs.

Attention: sous la coupe beaucoup de photos.

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Que fait le laboratoire


Le laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique existe depuis trois ans au Centre d'ingénierie ITMO . Elle développe des produits à base de pérovskites hybrides . Il s'agit d'un matériau à forte absorption lumineuse dans le domaine visible. Par exemple, une épaisseur de centaines de microns de silicium absorbe autant de rayonnement que la pérovskite d'un micron. En raison de ses propriétés physiques uniques, il a trouvé une application dans la production de cellules électrochimiques électroluminescentes (cellules électrochimiques électroluminescentes, LEC ), de cellules solaires et de nanolasers .

Toujours sur la base du laboratoire, les étudiants sont enseignés. Fondamentalement, les bachelors et masters de l' ITMO Génie physique physique vont ici, mais il y a des étudiants d'autres facultés et même des universités - l'Institut SCAMT, les universités et les universités électrotechniques. Les étudiants juniors participent aux activités du projet. Ils acquièrent de l'expérience en équipe et une motivation pour l'auto-éducation.

Les étudiants de premier cycle mènent des recherches dans le cadre de la préparation des travaux de qualification. Les enfants les plus talentueux ont la possibilité de poursuivre leurs études en tant qu'étudiants diplômés de la Faculté de physique et de technologie. L'un des superviseurs est Anvar Zakhidovqui a un laboratoire à Dallas. Il produit des nanotubes de carbone, un autre matériau prometteur. Avec son aide, il est possible de produire des LED transparentes avec de bonnes caractéristiques de luminosité ou des LED en cascade. Ces émetteurs sont situés les uns sous les autres et non côte à côte. Cette approche réduit la taille des écrans.

Appareils et équipements


Le principal outil du laboratoire est les boîtes à gants. Ce sont des conteneurs hermétiques pour travailler avec des substances et des réactifs dans un environnement contrôlé. Sur la photo ci-dessous - Installation MBraun, dont la chambre est remplie d'azote pur. Il s'agit d'un gaz inerte, il n'interagit donc pas avec la pérovskite et déplace également l'oxygène et la vapeur d'eau de la chambre. Un effet similaire peut être obtenu en utilisant de l'argon, mais il est plus cher et plus difficile à obtenir à Saint-Pétersbourg.



Travailler avec des boîtes nécessite certaines compétences. Il est nécessaire de s'assurer que les échantillons sont correctement introduits dans la chambre, sinon il y a un risque que la ressource azotée du dispositif soit simplement gaspillée. Par conséquent, chaque nouvel employé suit une formation.





L'une des boîtes à gants est réservée pour travailler avec des solutions de pérovskite. Ce sont des pérovskites diluées avec des sels et des solvants de DMSO (diméthylsulfoxyde ) et DMF ( diméthylformamide ). Ils sont stockés dans de petits tubes à essai.


Solution de pérovskite Les


tubes à essai sont signés et stockés dans des récipients en plastique et des

films minces de pérovskite sont obtenus à partir de la solution. La substance est pulvérisée sur un verre spécial, qui est monté dans une cartouche de centrifugeuse et sans torsion. À un certain point, un anti-solvant y est ajouté. En conséquence, le matériau précipite, formant un film.



Différentes pérovskites ont des propriétés uniques. Par conséquent, les spécialistes de laboratoire pratiquent constamment la technologie de leur application.



Les films finis doivent être stockés dans une boîte inerte. Mais pour leur mouvement à court terme pendant la recherche, il est permis d'utiliser des boîtes de Pétri ordinaires.



Aussi, le laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique est engagé dans la synthèse de pérovskites. Pour cela, il y a tous les réactifs et sels nécessaires.



En modifiant les volumes de sels dans la solution, il est possible de «déplacer» la zone interdite de pérovskite de 1,5 eV à 3 eV. Cette fonctionnalité vous permet de collecter des cellules solaires en cascade qui absorbent la lumière avec différentes longueurs d'onde. Il suffit de fabriquer plusieurs pérovskites aux propriétés diverses et d'en faire un dispositif multicouche.



Dans l'une des boîtes à gants se trouve une chambre de projection thermique pour la production de produits à diodes. Il est sous vide, car la pureté est un paramètre très important lorsque l'on travaille avec la nanophotonique. La chambre elle-même est un récipient scellé avec quatre poêles contrôlés - creusets, où la substance pulvérisée est chargée. Deux creusets sont destinés aux métaux, deux aux composés métal-organiques.

Pendant le fonctionnement, la chambre est pompée à un vide moyen - environ 2,10 -6 atmosphères - et le creuset est chauffé à la température d'évaporation du matériau chargé. Ensuite, ces paires se précipitent, où elles sont déposées à travers le masque sur l'échantillon (film de pérovskite).



Le masque vous permet de choisir presque n'importe quelle conception du film pulvérisé. Il peut s'agir d'électrodes métalliques pour connecter l'appareil, ainsi que de couches de barrière de carbone afin que les couches voisines n'interagissent pas entre elles. Les masques eux-mêmes sont fixés au cadre du pochoir avec des vis. À la fois, la caméra peut pulvériser quatre modules de 25 x 25 mm (dans la figure ci-dessous, ce sont des marques jaunes ).


Disque échantillon

Dans la production d'une LED (ou cellule solaire), le contact inférieur est en ITO commercial ( oxyde d'indium et d'étain)) - matériau translucide. En utilisant la méthode de la photolithographie, quatre bandes de 3 mm chacune y sont gravées. Les boîtes à gants sont appliquées avec des couches de transport, actives et barrière sur le dessus, puis des contacts métalliques - des électrodes sont pulvérisées. Les électrodes sont également quatre bandes de 3 mm, mais perpendiculaires aux contacts de l'ITO. Ainsi, les pixels des dispositifs de pérovskite apparaissent à l'intersection - seulement seize pièces de 3 x 3 mm de taille sur chaque module.



Une autre boîte de laboratoire sous pression est utilisée pour caractériser les dispositifs de pérovskite. Un équipement de mesure est installé à l'intérieur: deux simulateurs solaires, un spectromètre compact et un spectroradiomètre. Ce dernier est une caméra pour évaluer l'illumination des LED - cd / m2, lux.

Une sphère d'intégration y a également été établie. Elle fait tout la même chose que le spraktroradiomètre, seulement un peu plus précisément, car elle «recueille» la lumière de la diode de tous les côtés.


Compteur de source Keithley 2400 Le

compteur de source Keithley 2400 est également à la disposition des spécialistes de laboratoire et vous permet de mesurer les caractéristiques courant-tension des appareils à couches minces. La photo ci-dessous montre un échantillon de démonstration - une LED avec une électrode supérieure pulvérisée.





Dans l'une des chambres, il existe un système de détermination rapide de l'opérabilité du film. A l'intérieur il y a une seringue avec eutectique In-Ga et un crocodile". Eutectic vous permet de vous connecter directement à la pérovskite afin de ne pas «dépoussiérer» les contacts dans la chambre thermique. "Crocodile" joue le rôle d'un contact de pression pour faire passer le courant à travers la LED et l'allumer. De cette façon, le spectre d'électroluminescence peut être mesuré.

Les appareils sont très petits et vous devez travailler avec des gants en caoutchouc. Serrer un écrou en eux est déjà un gros problème. Par conséquent, il y a des clés et des pincettes dans les cellules.



La chambre de test express possède également un profilomètre - ce n’est qu’un «doigt» qui roule à la surface et regarde son profil. Avec son aide à déterminer l'épaisseur du film, la rugosité, la morphologie.



Un autre appareil est un microscope optique. C'est l'un des principaux instruments car un spectromètre à fibre y est connecté. Le système vous permet d'enregistrer localement le spectre de photoluminescence, transmission, réflexion du film. Lorsque les élèves cultivent des nanoparticules, ils peuvent étudier les caractéristiques d'éclat de l'une d'entre elles. Ceci est important car, en fonction de la taille des particules, les changements de longueur d'onde de photoluminescence et d'autres caractéristiques changent.

Autres installations de laboratoire


Une salle de produits chimiques est cachée derrière l'une des portes du laboratoire.



Situé sur son territoire est autorisé exclusivement en salopette. Tout est strict avec cela - les contrevenants sont supprimés des projets.



En plus de la salle chimique, le laboratoire dispose de son propre espace ouvert. Cette salle est une salle de bal convertie.



Modifications récentes


La base technologique du laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique est régulièrement améliorée. Un four à creuset a été acheté l'année dernière. Il est utilisé pour produire des couches de transport dans des cellules solaires à base de pérovskite très efficaces. Les températures élevées aident à traiter thermiquement les substrats en verre, à accélérer la diffusion des contacts métalliques dans la structure des couches de transport des cellules solaires en pérovskite et à travailler avec des points quantiques inorganiques.

Un bloc de réaction a également été acheté pour la synthèse de nanoparticules inorganiques et la formation de couches actives dans des LED de pérovskite, des nano et des microlasers.

Le laboratoire a récemment acquis un système pour étudier la génération d'harmoniques optiques de rayonnement cohérent. Il permet d'étudier les propriétés optiques non linéaires à base de composés organo-inorganiques à structures nanophotoniques intégrées.

Un compteur d'imitance de précision (compteur LRC) est également apparu, qui permet d'obtenir les caractéristiques de fréquence de l'impédance des films de pérovskite, ainsi que des LED et des panneaux solaires basés sur ceux-ci. Grâce à lui, il est possible non seulement de caractériser le matériau de la couche photoactive, mais aussi de tirer des conclusions sur la qualité des contacts des dispositifs lors de la pratique de la technologie de leur dépôt.


A gauche, un système pour étudier la génération d'harmoniques optiques de rayonnement cohérent. À droite: laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique en janvier 2019


Sur la gauche se trouve un compteur d'immitance de précision (compteur LRC). À droite, un four à creuset,

en plus de l'équipement, de nouvelles directions de recherche sont apparues. L'un d'eux est associé à la synthèse de cristaux de pérovskite de forme et de taille données. Ils permettent d'enregistrer des effets non linéaires intéressants et d'obtenir des nanomatériaux fonctionnels. Ainsi, en 2019, les ingénieurs ont développé le plus petit laser diélectrique à pompage optique. Le résonateur dans le laser était un cristal de pérovskite cubique. Sa taille était corrélée au rayonnement longtemps gagné du matériau.

Un autre domaine en développement actif dans le laboratoire est le développement de dispositifs "bifonctionnels". Ce sont des couches minces de pérovskite qui, en fonction de la tension appliquée, peuvent fonctionner à la fois en mode batterie solaire et en mode LED. Des prototypes et premiers brevets ont déjà été reçus. À l'avenir, ces films trouveront une application dans la mise en œuvre de fenêtres intelligentes - lorsqu'une fenêtre à double vitrage charge la batterie l'après-midi et le soir fonctionne comme une source de lumière étendue.


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