由印度理工大学主办 信用:小 远东联邦大学(FEFU)的科学家与ITMO大学以及德、日、澳大学的同事合作，开发了一种精确、快速、高质量的卤化物钙钛矿(CH3NH3PbI3)激光加工方法，有望成为太阳能、光学电子和超材料的发光材料
由非常短的飞秒激光脉冲构成的钙钛矿，被证明是具有前所未有质量的功能性纳米元件
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钙钛矿于19世纪上半叶在俄罗斯乌拉尔地区被发现，其形式为由钙、钛和氧原子组成的矿物
今天，由于其独特的性质，钙钛矿是太阳能和光子学发光器件发展的新兴材料
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发光二极管和微型激光器
他们登上了吸引世界各地科学团体兴趣的最仔细的材料的顶端
主要缺点是加工复杂
钙钛矿在电子束、液体或温度的影响下很容易降解，失去了科学家们非常感兴趣的性质
这使得通过电子束光刻等普通方法制造功能性钙钛矿纳米结构变得非常复杂
来自FEFU(俄罗斯符拉迪沃斯托克)和意大利理工大学(圣彼得堡)的科学家
俄罗斯彼得斯堡)与外国同事合作，提出了一种利用飞秒激光脉冲加工有机-无机钙钛矿的独特技术，从而解决了这个问题
输出是具有受控特性的高质量纳米结构
“使用强大的脉冲激光很难对砷化镓等传统半导体进行纳米结构化，”印度理工大学物理与工程学院的首席研究员赛吉·马卡罗夫说，“热量向四面八方扩散，所有薄而锋利的边缘都被热量扭曲了。”
这就像如果你试图用精细的细节做一个微型纹身，但由于油漆在皮肤下扩散，你只会得到一个丑陋的蓝色斑点
钙钛矿的导热性很差，所以我们的图案非常精确，非常小
" 将钙钛矿膜激光刻划成单个块是现代太阳能电池生产链的重要技术步骤
到目前为止，该过程不是非常精确，并且对钙钛矿材料具有相当大的破坏性，因为其最外面的部分由于温度降低而丧失了功能特性
这项新技术可以帮助解决这个问题，制造高性能的太阳能电池
钙钛矿代表由有机和无机部分组成的复合材料
我们使用超短激光脉冲对钙钛矿的有机部分进行快速加热和目标蒸发，在160 C0的相当低的温度下进行
调节激光强度，使得有机部分熔化/蒸发，而无机部分不受影响
FEFU工程学院的研究员阿列克谢·齐齐琴科说:“这种无损处理使我们获得了前所未有的钙钛矿功能结构。”
FEFU大学和印度理工大学的科学家指出了他们的发展可以带来切实成果的三个领域
首先是记录用户在特定条件下只能阅读的信息
“我们通过生产最终宽度仅为400纳米的衍射光栅和微带激光器，证明了我们方法的相关性
这样的特征尺寸为未来光通信芯片和计算机的有源元件的发展铺平了道路
第二，在激光的帮助下，不用染料就可以改变钙钛矿碎片的可见颜色
根据需要，材料可以是黄色、黑色、蓝色、红色
“这可以用来制作彩虹各种颜色的太阳能电池板
赛吉·马卡罗夫说:“现代建筑允许用太阳能电池板覆盖整个建筑表面，关键是不是所有的顾客都想要纯黑色的电池板。”
第三个应用是制造用于光学传感器和光学芯片的纳米激光器，它们通过光子而不是电子传输信息
图1
MAPbI3薄膜的单脉冲和多脉冲激光烧蚀
a)用聚焦高斯型飞秒脉冲对玻璃支撑的MAPbI3薄膜进行单脉冲和多脉冲激光加工的示意图
425纳米厚的MAPbI3薄膜的侧视(视角为30°)扫描电镜图像，由单个飞秒脉冲以2
44至25岁
2 nJ
为了更好地理解，每个扫描电镜图像是通过组合来自两个扫描电镜检测器的信号获得的:入射光检测器信号(每个图像的右边部分)和混合的入射光/入射光信号
在每个图像中，消融区域的直径由橙色圆圈标记
比例尺对应于500纳米
c)在单脉冲(N = 1)和多脉冲(N = 5)照射下，在425纳米厚的MAPbI3薄膜中产生的消融区域(实心橙色标记)和通孔(空心标记)的平方直径D2与施加的脉冲能量E的关系(以对数标度绘制)
对于多脉冲辐射，考虑总入射脉冲能量
d)在可变的入射峰值流量下计算的激光辐照MAPbI3的深度峰值温度分布
e)通过单脉冲和多脉冲(N = 5)照射在425纳米厚的MAPbI3膜中钻出的微米大小的通孔的相关扫描电镜和共焦荧光图像
比例尺表示2微米
g)MapBi 3薄膜烧蚀(橙色标记)和空穴形成(空心标记)所需的阈值入射能流Fth与施加的激光脉冲数的关系(针对可变薄膜厚度h测量)
实线提供基于理论评估的数据
虚线曲线拟合消融阈值的统计平均实验数据
列车中的每个脉冲具有相同的能量，而总入射脉冲能量被考虑用于通量计算
信用:FEFU新闻办公室 用于钙钛矿薄膜的先进飞秒激光图案化的激光投影光刻
1)用于飞秒激光投影光刻的实验装置方案
b)用于钙钛矿薄膜直接构图的各种平顶激光束的焦平面强度分布
c)使用生成的平顶强度分布图在MAPbI3薄膜中产生的隔离开口的代表性假彩色侧视图(视角为30°)扫描电镜图像
d)激光图案化区域附近相应的共焦荧光图谱
425纳米厚的MAPbI3薄膜的系列扫描电子显微镜图像，其图案具有圆形微孔、方形开口和通过纳米狭缝的400纳米宽度
信用:FEFU新闻办公室 通过精确的激光诱导减薄和纳米图案化MAPbI3薄膜来定制局部光致发光特性
1)大比例俯视扫描电子显微镜图像，显示用方形平顶激光束以逐渐变化的通量和施加的脉冲数照射的425纳米厚的磷酸铋薄膜
b)在固定数量的脉冲和增加的脉冲能量下产生的几个烧蚀区域的代表性侧视扫描电镜图像
c)用红色矩形标记的激光图案化区域的宽视场光致发光图像
d)MapBi 2薄膜激光改性区域的高分辨率共焦荧光图像
激光照射区域用虚线标出
e)不同流度下图案化的正方形MAPbI3薄膜区域的TR-PL衰减
通过改变施加的能流和施加的脉冲数来产生具有不同深度的800纳米周期表面光栅图案化的MAPbI3膜的相关扫描电镜和宽场荧光图像
插图扫描电子显微镜图像显示包含压印表面光栅的单个像素的特写镜头信贷:FEFU新闻办公室 用于光学加密和表面着色的MAPbI3的激光图案化
a)在300-1000纳米范围内可变周期的激光压印表面光栅的特写扫描电镜图像(左图)以及在相似范围内通过周期调谐的100 × 100 μm2表面光栅的暗场光学图像，并用0
15-NA干式显微镜物镜(右侧面板)
b)通过记录具有可变周期的表面光栅，在425纳米厚的MAPbI3膜的表面上刻写毫米级“FEFU”字母的测向光学图像
每个字母的颜色由光栅周期调节
c)激光加密二维码的亮场光学和荧光图像(顶部面板)
两幅嵌入的扫描电镜图像显示了用于二维码加密的两种(“亮”和“暗”)像素的形态
单个像素的边是7
5 × 7
5 μm2
从橙色箭头指示的不同侧面照明时观察到的类似激光加密二维码的暗场光学图像(底部面板)
信用:FEFU新闻办公室 印迹磷酸铋纳米线的激光性能
1)大规模扫描电子显微镜图像的一个阵列的激光印记的MAPbI3 NWs的可变长度和宽度
插图提供了放大的扫描电镜图像，显示了制造过程和西北面的再现性
b)隔离MAPbI3 NW的光激发/发射示意图
c)典型孤立西北向(宽= 500纳米，长= 8000纳米)的特写侧视图(视角40°)扫描电镜图像
d)相同西北风的PL图像，泵压低于-(华氏温度和温差；Fth)和阈值以上影响(F > 0.05；Fth)
最右边的图像显示了由西北支持的法布里-珀罗模式的计算的近场强度分布
e)不同泵浦强度下的脉谱图
f)发射波长(λlas ≈ 787 nm)下的强度(红色标记)和半峰全宽(绿色标记)，作为泵浦注量的函数
信用:FEFU 这种元件的简单、快速和具有成本效益的生产可以带来基于可控光原理的计算机技术的新时代
根据提出的技术对钙钛矿进行处理，每分钟有机会获得数千甚至数十万个纳米激光
这项技术引入工业将使世界更加接近光学计算机的发展
该技术的另一个关键特征是它允许逐层减薄钙钛矿
这为从钙钛矿设计和制造更复杂的三维微结构开辟了道路，例如微尺度涡流发射激光器，这是下一代光通信中信息复用的高度需求
重要的是，这种处理保留甚至改善了由于化学成分的改变而钝化的薄层的发光特性，”FEFU神经技术中心的研究人员亚历山大·库奇米沙克说
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