Лазерно-плазменные технологии получения функциональных металл-полупроводниковых наноматериалов и проводящих структур для оптоэлектроники и солнечной энергетики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-49-10044

НазваниеЛазерно-плазменные технологии получения функциональных металл-полупроводниковых наноматериалов и проводящих структур для оптоэлектроники и солнечной энергетики

Руководитель Кучмижак Александр Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №73 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые слова импульсная лазерная абляция в жидкостях; лазерно-индуцированный синтез; наночастицы и наноматериалы; плазмонные, полупроводниковые и гибридные металл-полупроводниковые наночастицы; тонкопленочные фотодетекторы; сетчатые электроды; перовскитные солнечные элементы;

Код ГРНТИ29.31.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Внедрение функциональных наноматериалов в передовые устройства фотовольтаики является общемировым трендом, давно вышедшим за пределы научных лабораторий. Во многом, данный тренд отражает стремление к созданию гибких и дешевых в изготовлении тонкопленочных устройств с расширенным функционалом, который невозможно реализовать с использованием стандартных объемных полупроводников. Среди ярчайших примеров таких практически значимых оптоэлектронных устройств, для улучшения характеристик которых уже активно используются наноматериалы, можно выделить тонкопленочные фотодетекторы, а также солнечные элементы на основе свинцово-галогенидных перовскитов, эффективность преобразования которых (>25 %) всего за десять лет вплотную подобралась к показателям гомопереходных солнечных элементов на основе монокристаллических полупроводников и позволила установить рекорд эффективности однокаскадных солнечных элементов в тандеме с кремнием (~30%). Внедрение наночастиц в указанные устройства позволяет добиться эффективного широкополосного поглощения солнечной энергии даже для тонкопленочных конфигураций за счёт эффектов конверсии фотонов с повышением или понижением частоты, плазмонных резонансов и генерации горячих носителей заряда. Вместе с тем, ряд вопросов, связанных с фундаментальным пониманием влияния фазового состава, а также размера и морфологии внедряемых наночастиц на характеристики полученных устройств фотовольтаики, до сих пор остаются малоизученными. Кроме того, перспективными, но еще практически не исследованными, подходами к дальнейшему увеличению эффективности солнечных элементов и фотодетекторов является внедрение гибридных наноматериалов различной конформации (ядро-оболочка, ядро-сателлиты и т.д.), сочетающих свойства и функциональность полупроводниковых и плазмонных наноструктур. Наконец, эффективные методы получения полупроводниковых и гибридных наноструктур для решения задач разработки оптоэлектронных устройств нового поколения в настоящее время практически не решены или решены только для отдельных типов наноматериалов. С точки зрения получения химически чистых наноматериалов высокого качества, пригодных для производства тонкопленочных фотодетекторов и солнечных элементов нового поколения, перспективными выглядят разнообразные высокопроизводительные и масштабируемые лазерные технологии. Среди таких технологий, следует выделить жидкофазные лазерно-плазменные подходы, а также методы лазерно-индуцированного синтеза. В частности, развитие быстрых систем развертки и сканирования лазерным пучком мишени, а также сверхбыстрые (до десятков МГц) частоты следования импульсов обеспечивают высокие скорости генерации наноматериалов в процессе абляции мишеней и суспензий наноматериалов, в то время как гибкая оптимизации параметров лазерного воздействия, типа жидкости и используемого прекурсора позволяет варьировать морфологию и химический состав получаемых наноматериалов в широких пределах. Локализованное в фокальном пятне лазерное излучение может также рассматриваться как микромасштабный химический реактор, ограничивающий объем и характер протекания реакции фото-/термо-индуцированного разложения молекул прекурсора, приводящей к формированию в области облучения суспензии наночастиц, их осаждении на произвольном интерфейсе или даже поверхности других наночастиц (в случае проведения синтеза в суспензиях). Это открывает широкие перспективы использования методов лазерно-индуцированного синтеза как для производства функциональных наноматериалов (в том числе, гибридных - за счет возможности комбинации этого метода с абляционными), так и для получения функционализированных наночастицами интерфейсов и сплошных металлических осадков, как основы токопроводящих структур. Вместе с тем, отсутствие детального понимания ключевых физико-химических процессов и механизмов, и как следствия, способности прецизионно управлять этими процессами за счет продуманного выбора физико-химических параметров экспериментальной системы, является основным сдерживающим фактором, ограничивающим возможность использования указанных подходов (абляции в жидкости и лазерно-индуцированного синтеза) для получения функциональных наноматериалов требуемого состава и конфигурации, а также их последующего использования для создания реальных устройств. Данный проект направлен на устранение данного пробела за счет развития высокопроизводительных лазерно-плазменных технологий синтеза функциональных металл-полупроводниковых наноматериалов, функционализированных наночастицами интерфейсов и проводящих структур, а также демонстрация базовых принципов, позволяющих применить указанные технологии для создания передовых устройств фотовольтаики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Логунов Л., Улесов А., Храменкова В., Лю Ш., Кучмижак А.А., Виноградов А., Макаров С. 3D and Inkjet Printing by Colored Mie-Resonant Silicon Nanoparticles Produced by Laser Ablation in Liquid Nanomaterials, 13(6), 965 (год публикации - 2023)

2. Бикбаева Г., Белхади А., Панкин Д., Мамонова Д., Колесников И., Петров Ю., Иванова Т., Иванов Д., Маньшина А. Just laser irradiation of silver benzoate water solution—A direct way of Ag nanofibers synthesis for broadband SERS detection Nano-Structures and Nano-Objects, 36, 101037 (год публикации - 2023)
10.1016/j.nanoso.2023.101037

3. В.М. Ильяшенко, Д.В. Павлов, С.А. Балаган, А.В. Герасименко, Н.В. Тарасенко, А.А. Кучмижак, А.В. Шевлягин Alternative Look at Calcium Digermanide CaGe2: A High-Performing Semimetal Transparent Conducting Material for Ge Optoelectronics ACS Applied Electronic Materials, 6 (2), 1373-1384 (год публикации - 2024)

4. Г.И. Бикбаева, А. Белхади, Д.В. Мамонова, Д.В. Павлов, Ю.В. Петров, А.А. Маньшина One-step laser-induced deposition as self-template green approach to fabrication of Ag nanofibers Optics & Laser Technology, 182, 112092 (год публикации - 2025)

5. Ю. Бородаенко, А. Черепахин, С.О. Гурбатов, Е. Модин, А.В. Шевлягин, А.А. Кучмижак Polarized p-n junction Si photodetector enabled by direct laser-induced periodic surface structuring Surfaces and Interfaces (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Работы международного коллектива в течение второго года реализации проекта были сегментированы по трем ключевым направлениям, а именно: (1) разработке протоколов лазерного синтеза гибридных (металл-полупроводниковых) и композитных (состоящих из различных полупроводников) наночастиц, а также реализации интерфейсов и функциональных слоев из таких лазерно-синтезированных наночастиц, (2) создания лазерными методами токопроводящих сетчатых структур с высоким оптическим пропусканием и их применения для реализации передовых фотодетекторов с улучшенными характеристиками, а также (3) разработке методов лазерного наноструктурирования и функционализации поверхности фотодетекторов с целью оптимизации их рабочих характеристик. В рамках первого направления на основе простых в реализации технологий лазерно-плазменного синтеза были отработаны протоколы получения новых гибридных наноматериалов с составом Au-TiO2, Ag-TiO2 и Sn-Si. Линейка синтезированных гибридных наночастиц была охарактеризована с использованием передовых микроскопических и спектроскопических методов, в то время как протоколы синтеза были оптимизированы с целью обеспечения возможности контроля состава и конформации продуктов. Спектроскопическая характеризация в сочетании с оптическим моделированием обосновывает перспективность полученных гибридных наночастиц для задач реализации недорогих оптоэлектронных устройств. В качестве примера была изготовлен гетеропереход n-ZnO/p-CuO, комбинирующая слои лазерно-синтезированных наночастицы с различным типом проводимости и проявляющий нелинейное диодоподобное поведение с выраженной фоточувствительностью. Сетчатые токопроводящие структуры с высоким оптическим пропусканием и низким удельным сопротивлением до 7 Ом•см были реализованы оптимизированными методами лазерно-индуцированного осаждения с использованием глубоких эвтектических растворителей на поверхности различных полимерных подложек (полиэтилентерефталат, полиэтиленнафталат и полиимид), а также за посредством фемтосекундной лазерной перфорации тонких пленок CaGe2. С использованием перфорированных CaGe2 электродов был продемонстрирован вертикальный Ge ИК фотодетектор типа Шоттки, превосходящий по ключевым характеристикам (быстродействие, спектральный диапазон, величина фотоотклика) не только фотодетектор со сплошным электродом, но и аналогичные германиевые фотодетекторы типа Шоттки или со структурой металл-полупроводник-металл. Наконец, с использованием технологий фемтосекундной лазерной абляции под слоем жидкости были отработаны технологии создания оптически анизотропного нано- и микро-рельефа непосредственно на поверхности кремниевого p-n фотодетектора, обеспечивая ему чувствительность к поляризации падающих фотонов с контрастом до 430% и внешней квантовой эффективностью более 100% при комнатной температуре и небольшом приложенном напряжении смещения. Использование метода лазерно-индуцированного осаждения из раствора с прекурсорами обеспечивает возможность функционализации нанотекстурированной поверхности кремниевых фотодетекторов плазмон-активными наночастицами благородных металлов. В отчетный период по результатам проведенных исследований опубликовано 3 статьи в рейтинговых международных изданиях, обеспечивая заметное перевыполнение публикационного плана с учетом квартилей журналов. Кроме того, полученные в проекте результаты широко освещались на ведущих тематических конференциях (Advanced Laser Technologies, International Symposium on New Materials Interdisciplinary Frontiers и International Conference on Light and Light-based Technologies) в рамках Таким образом, реализация проекта идет в полном соответствии с заявленным планом работ, сформирован существенный научно-технических задел для достижения всех показателей, а также целей и задач проекта на его заключительном этапе.

Публикации