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Tour fotográfico: o que eles estão fazendo no laboratório de nanofotônica híbrida e optoeletrônica do New Physics Institute ITMO

Enquanto todo mundo está em casa, é hora de conversar sobre os projetos e tecnologias que estão sendo trabalhadas em nossas paredes e também para discutir equipamentos: porta-luvas, câmaras de vácuo e reagentes.

Atenção: debaixo de um gato há muitas fotos.

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O que o laboratório faz


O laboratório de nanofotônica híbrida e optoeletrônica existe há três anos no ITMO Engineering Center . Desenvolve produtos baseados em perovskitas híbridas . Este é um material com alta absorção de luz na faixa visível. Por exemplo, o silício com centenas de mícrons de espessura absorve tanta radiação quanto a perovskita um mícron. Devido às propriedades físicas únicas, encontrou aplicação na produção de células eletroquímicas emissoras de luz ( células eletroquímicas emissoras de luz, LEC ), células solares e nanolasers .

Ainda com base no laboratório, os alunos são ensinados. Basicamente, solteiros e mestres da Física de Engenharia Física da ITMO vão aqui, mas há estudantes de outras faculdades e até universidades - o Instituto SCAMT, as universidades acadêmicas e eletrotécnicas. Os alunos juniores estão envolvidos nas atividades do projeto. Eles ganham experiência em equipe e motivação para a auto-educação.

Os estudantes de graduação realizam pesquisas no âmbito da preparação do trabalho de qualificação. As crianças mais talentosas têm a oportunidade de continuar seus estudos como estudantes de graduação da Faculdade de Física e Tecnologia. Um dos supervisores é Anvar Zakhidovquem tem um laboratório em Dallas. Produz nanotubos de carbono, outro material promissor. Com sua ajuda, é possível produzir LEDs transparentes com boas características de brilho ou LEDs em cascata. Os emissores estão localizados um sob o outro, e não lado a lado. Essa abordagem reduz o tamanho dos monitores.

Aparelhos e equipamentos


A principal ferramenta do laboratório são os porta-luvas. Estes são recipientes herméticos para trabalhar com substâncias e reagentes em um ambiente controlado. Na foto abaixo - instalação do MBraun, cuja câmara é preenchida com nitrogênio puro. Este é um gás inerte, portanto não interage com a perovskita e também desloca o oxigênio e o vapor de água da câmara. Um efeito semelhante pode ser alcançado usando o argônio, mas é mais caro e mais difícil de obter em São Petersburgo.



Trabalhar com caixas requer certas habilidades. É necessário garantir que as amostras sejam introduzidas corretamente na câmara, caso contrário, existe o risco de o recurso de nitrogênio do dispositivo ser simplesmente desperdiçado. Portanto, cada novo funcionário passa por um curso de treinamento.





Um dos porta-luvas é reservado para trabalhar com soluções de perovskita. São perovskitas diluídas com sais e solventes de DMSO (dimetilsulfóxido ) e DMF ( dimetilformamida ). Eles são armazenados em pequenos tubos de ensaio.


Solução de perovskita Os


tubos de ensaio são assinados e armazenados em recipientes de plástico e

filmes finos de perovskita são obtidos da solução. A substância é pulverizada em um vidro especial, que é montado em um cartucho de centrífuga e sem torção. Em algum momento, um anti-solvente é adicionado a ele. Como resultado, o material precipita, formando um filme.



Diferentes perovskitas têm propriedades únicas. Portanto, especialistas em laboratório estão constantemente praticando a tecnologia de sua aplicação.



Os filmes acabados devem ser armazenados em uma caixa inerte. Mas, por seu movimento de curto prazo durante a pesquisa, é permitido o uso de placas de Petri comuns.



Além disso, o laboratório de nanofotônica híbrida e optoeletrônica está envolvido na síntese de perovskitas. Para isso, existem todos os reagentes e sais necessários.



Alterando os volumes de sais na solução, é possível "mover" a zona proibida de perovskita de 1,5 eV para 3 eV. Esse recurso permite coletar células solares em cascata que absorvem a luz com diferentes comprimentos de onda. É suficiente fazer vários perovskitas com várias propriedades e criar um dispositivo multicamada a partir deles.



Em um dos porta-luvas, há uma câmara de pulverização térmica para a produção de produtos de diodos. Está sob vácuo, uma vez que a pureza é um parâmetro muito importante quando se trabalha com nanofotônica. A própria câmara é um recipiente selado com quatro fogões controlados - cadinhos, onde a substância pulverizada é carregada. Dois cadinhos são para metais, dois para compostos metal-orgânicos.

Durante a operação, a câmara é bombeada para um vácuo médio - cerca de 2,10 -6 atmosferas - e o cadinho é aquecido até a temperatura de evaporação do material carregado. Em seguida, esses pares avançam rapidamente, onde são depositados através da máscara na amostra (filme de perovskita).



A máscara permite escolher praticamente qualquer design do filme pulverizado. Podem ser eletrodos de metal para conectar o dispositivo, bem como camadas de barreira de carbono, para que as camadas vizinhas não interajam. As próprias máscaras são presas à moldura do estêncil com parafusos. Ao mesmo tempo, a câmera pode pulverizar quatro módulos com tamanho de 25x25 mm (na figura abaixo, são marcas amarelas ).


Disco de amostra

Na produção de um LED (ou célula solar), o contato inferior é feito a partir de ITO comercial ( óxido de índio e estanho)) - material translúcido. Utilizando o método da fotolitografia, são gravadas quatro tiras de 3 mm cada. Os porta-luvas são aplicados com camadas de transporte, ativa e barreira na parte superior e, em seguida, contatos de metal - os eletrodos são pulverizados. Os eletrodos também são quatro tiras de 3 mm, mas perpendiculares aos contatos da ITO. Assim, os pixels dos dispositivos perovskitas aparecem na interseção - apenas dezesseis peças de tamanho 3x3 mm em cada módulo.



Outra caixa de laboratório pressurizada é usada para caracterizar os dispositivos de perovskita. O equipamento de medição é instalado no interior: dois simuladores solares, um espectrômetro compacto e um espectrorradiômetro. Esta última é uma câmera para avaliar a iluminação dos LEDs - cd / m2, lux.

Uma esfera integradora também foi estabelecida lá. Ela faz tudo da mesma forma que o spraktroradiômetro, apenas com um pouco mais de precisão, pois "coleta" a luz do diodo por todos os lados.


Medidor de

fonte Keithley 2400 O medidor de fonte Keithley 2400 também está à disposição de especialistas em laboratório, permitindo medir as características de tensão de corrente dos dispositivos de película fina. A foto abaixo mostra uma amostra demo - um LED com um eletrodo superior pulverizado.





Em uma das câmaras existe um sistema para determinação expressa da operabilidade do filme. No interior, há uma seringa com eutética In-Ga e um crocodilo" O Eutectic permite que você se conecte diretamente à perovskita para não "espanar" os contatos na câmara térmica. "Crocodilo" desempenha o papel de um contato de pressão para passar a corrente pelo LED e acendê-lo. Desta forma, o espectro de eletroluminescência pode ser medido.

Os dispositivos são muito pequenos e você precisa trabalhar com luvas de borracha. Apertar uma porca neles já é um grande problema. Portanto, existem chaves e pinças nas células.



A câmara de teste expressa também possui um perfilômetro - é apenas um "dedo" que flutua na superfície e olha para o seu perfil. Com sua ajuda, determinar a espessura, rugosidade e morfologia do filme.



Outro dispositivo é um microscópio óptico. Este é um dos principais instrumentos porque um espectrômetro de fibra está conectado a ele. O sistema permite gravar localmente o espectro de fotoluminescência, transmissão e reflexão do filme. Quando os alunos cultivam nanopartículas, eles podem estudar as características de brilho de uma delas. Isso é importante porque, dependendo do tamanho da partícula, o comprimento de onda da fotoluminescência muda e outras características mudam.

Outras instalações laboratoriais


Uma sala de química está escondida atrás de uma das portas do laboratório.



Localizado em seu território é permitido exclusivamente de macacão. Tudo é rigoroso com isso - os violadores são removidos dos projetos.



Além da sala de produtos químicos, o laboratório possui seu próprio espaço aberto. Este quarto é um salão de baile convertido.



Modificações recentes


A base tecnológica do laboratório de nanofotônica híbrida e optoeletrônica é aprimorada regularmente. Um forno de cadinho foi comprado no ano passado. É usado para produzir camadas de transporte em células solares altamente eficientes à base de perovskita. Altas temperaturas ajudam no tratamento térmico de substratos de vidro, aceleram a difusão de contatos de metal na estrutura das camadas de transporte de células solares de perovskita e trabalham com pontos quânticos inorgânicos.

Também foi adquirido um bloco de reação para a síntese de nanopartículas inorgânicas e a formação de camadas ativas em LEDs de perovskita, nano e microlaminadores.

O laboratório adquiriu recentemente um sistema para estudar a geração de harmônicos ópticos de radiação coerente. Permite estudar propriedades ópticas não lineares baseadas em compostos organo-inorgânicos com estruturas nanofotônicas integradas.

Também apareceu um medidor de imitância de precisão (medidor LRC), que permite obter características de frequência da impedância de filmes de perovskita, além de LEDs e painéis solares baseados neles. Graças a isso, é possível não apenas caracterizar o material da camada fotoativa, mas também tirar conclusões sobre a qualidade dos contatos dos dispositivos ao praticar a tecnologia de deposição.


À esquerda, existe um sistema para estudar a geração de harmônicos ópticos de radiação coerente. Direita: laboratório de nanofotônica híbrida e optoeletrônica em janeiro de 2019


À esquerda, há um medidor de imitância de precisão (medidor LRC). À direita, um forno de cadinho,

além de equipamentos, surgiram novas direções de pesquisa. Um deles está associado à síntese de cristais de perovskita de uma determinada forma e tamanho. Eles permitem registrar efeitos não lineares interessantes e obter nanomateriais funcionais. Assim, em 2019, os engenheiros desenvolveram o menor laser dielétrico opticamente bombeado. O ressonador no laser era um cristal cúbico de perovskita. Seu tamanho se correlacionou com a longa radiação obtida do material.

Outra área em desenvolvimento ativo no laboratório é o desenvolvimento de dispositivos "bifuncionais". São filmes finos de perovskita que, dependendo da tensão aplicada, podem funcionar tanto no modo de bateria solar quanto no LED. Protótipos e primeiras patentes já foram recebidos. No futuro, esses filmes terão aplicação na implementação de janelas inteligentes - quando uma janela com vidro duplo carrega a bateria à tarde e à noite funciona como uma fonte de luz estendida.


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