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 23-49-10044

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

РуководительКучмижак Александр Андреевич, Кандидат физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

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 словаимпульсная 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.

Ожидаемые результаты
Основным результатом реализации международного проекта станет разработка ряда высокопроизводительных, гибких, масштабируемых и конкурентоспособных методов получения функциональных наноматериалов заданного состава, морфологии и структуры, а также эффективных способов реализации передовых оптоэлектронных устройств с использованием наноматериалов, полученных такими методами. Разработка таких методов будет основываться, прежде всего на комплексных фундаментальных исследованиях и описании специфики локализованных лазерным излучением различных физико-химических процессов (импульсная абляции мишеней, возбуждение плазмы, фото-/ термо-индуцированных реакций и т.д.), а также адаптации для задач проекта передовых технологических решений в области лазерного наноструктурирования (короткие и сверхкороткие лазерные импульсы, оптические системы контроля и развертки лазерных пучков, методы проекционной литографии и т.д.), что обосновывает высокую научную значимость реализации проекта. В практичеком плане, в ходе его реализации будут получены следующие ключевые результаты: - Высокоэффективные лазерные (химические, абляционные, плазменные) методы получения металлических, полупроводниковых, сплавных и гибридных металл-полупроводниковых наночастиц с различными структурными конфигурациями (ядро-оболочка, ядро-сателлиты, сплавы, и т.д) - Суспензии, порошки и интерфейсы, функционализированные синтезированными гибридными наночастицами высокой частоты с полностью охарактеризованными морфологическими, структурными, химическими и оптическими свойствами. - Отработанные методы сборки гетероструктур из слоев заданной толщины, состоящих из наночастиц с различным типом проводимости. - Высокопроизводительные лазерные методы изготовления оптимизированных под оптоэлектронные применения полупрозрачных 3D электродов на различных подложках (в том числе, гибких), а также прототипы таких электродов с полностью охарактеризованными свойствами. - Дизайны и экспериментально протестированные прототипы солнечных элементов на основе свинцово-галогенидных перовскитов с внедренными в различные (активные и транспортные) слои металлическими, полупроводниковыми, сплавными и гибридными наночастицами. - Макеты фотодетекторов, состоящих из слоев функциональных наночастиц, синтезированных с использованием лазерно-плазменных методов, с полностью измеренными рабочими характеристиками. Разработанные технологические решения будет обладать хорошими перспективами коммерциализации и придадут импульс к развитию различных смежных научных и технологических областей, находящихся в русле направлений Н1 и Н2 Стратегии НТР Российской Федерации. Общественная значимость проекта заключается в том, что он направлен на развитие нового направления исследований с высоким уровнем научной и прикладной составляющей на стыке интенсивно развивающихся областей физико-химического синтеза функциональных наноматериалов, лазерной химии, методов наноструктурирования поверхностей, фотовольтаики и т.д. Реализация проекта будет способствовать обучению молодых исследователей на задачах высокого международного уровня, а также может привести к созданию стартапов и новых рабочих мест в инновационных секторах экономики. Консолидированный международный коллектив исследователей имеет необходимый задел и опыт совместной работы, а также располагает всеми передовыми техническими возможностями для проведения экспериментальных исследований в области лазерно-плазменного синтеза и фотовольтаики на международном уровне. Следует также отметить, что сфера использования функциональных наноматериалов с заданными физико-химическими свойствами не ограничивается заявленными в проекте оптоэлектронными устройствами. В этой связи, проводимые исследования и разрабатываемые высокоэффективные лазерно-плазменные технологии будут иметь важное значение для смежных научных областей, например, создания новых катализаторов, фототермических преобразователей, нагревательных элементов, биосенсорных устройств для персонализированной медицины и биометрии, и т.д. Выраженный междисциплинарный характер предлагаемого исследования с участием в нем известных ученых будет способствовать эффективной передаче накопленного опыта и наработок в соответствующих областях знаний молодым специалистам, студентам и аспирантами, а также повышению уровня проводимых научных исследований и качества публикаций. Фундаментальные и прикладные результаты, полученные в рамках реализации настоящего проекта, предлагающего развитие позволят вывести эти важные исследования на новый уровень. По результатам работ планируется опубликовать не менее 12 научных статей в высокорейтинговых международных изданиях (например, таких как ACS Nano, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale, Advanced Optical Materials и т.д.), входящих в первый квартиль (Q1) базы данных «Сеть науки» (Web of Science) в соответствующих областях знаний.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках первого года работ по проекту работы международного коллектива были сегментированы по двум ключевым направлениям - разработке протоколов получения металлических и полупроводниковых наночастиц с использованием технологий жидкофазного лазерно-плазменного синтеза и лазерно-индуцированного осаждения на подложки, а также создания перспективных токопроводящих сетчатых структур для светоизлучающих и фоточувствительных устройств. Оба направления предусматривали проведение комплексной характеризации полученных наноматериалов и структур, а также пилотные исследования их функциональных характеристик с целью определения возможностей и путей их дальнейшей интеграции в передовые оптоэлектронные устройства на дальнейших этапах реализации проекта. Все пункты плана работ были успешно выполнены, по обоим ключевым направлениям получен ряд практически значимых результатов, а также на момент подачи отчета опубликовано 2 статьи в международных изданиях из первого квартиля. К ключевым результатам реализации проекта в рамках первого направления можно отнести отработанные подходы к жидкофазному лазерному синтезу различных полупроводниковых наночастиц (кремния, германия, оксида цинка, диоксида титана и кремний-германиевого сплава), а также эффективные методы лазерно-индуцированного синтеза и адресного осаждения моно- (золото, серебро, медь и платина) и биметаллических (золото-серебро) плазмонных наночастиц, обеспечивающие как возможность управления их составом и морфологией, так и возможность формирования равномерных покрытий из таких наночастиц на различных подложках. Помимо разработки лазерно-плазменных методов получения функциональных наночастиц в виде суспензий и порошков высокой чистоты, были также предложены методы центрифугирования и осаждения в растворах с градиентной плотностью, позволяющие эффективно выделять из синтезированных суспензий с изначально очень широким разбросом по размерам фракцию наноматериала заданного размера, обеспечивая возможность получения суспензий и нанопорошков оптически резонансных наночастиц под заданный спектральный диапазон. В рамках второго ключевого направления были разработаны методы роста перспективных токопроводящих материалов класса топологических полуметаллов - дисилицида и дигерманида кальция - в виде стабильных тонких пленок с низким удельным сопротивлением и базово высокой прозрачностью в ближней и средней ИК областях спектра. В качестве демонстрации потенциальной применимости таких материалов как токопроводящих контактов был реализован и протестирован планарный германиевый фотодетектор типа металл-полупроводник-металл с двумя встречно включенными переходами Шоттки, для которого было продемонстрировано как расширение спектрального диапазона работы устройства в коротковолновую ИК-область ниже запрещенной зоны Ge (0,67 эВ), так и увеличение фото-отклика в сравнении с аналогичным коммерческим устройством со стандартными металлическим контактами. Использование методов фемтосекундной проекционной литографии позволило изготовить на основе таких пленок перфорированные электроды со слоевым сопротивлением менее 20 Ом/квадрат и широкополосной прозрачностью выше 90%, что по достигнутым характеристикам ставит разработанный материал на один уровень с лучшими разработками в данной области. Также в рамках второго ключевого направления разработана методика одностадийной записи медных сетчатых электродов под действием лазерного излучения в пикосекундном диапазоне, а в качестве прекурсоров были применены системы на основе глубоких эвтектических растворителей. Было показано, что состав ГЭР на основе ацетата меди, холин хлорида и лимонной кислоты является оптимальным, как с точки зрения протекания химических процессов, так и с точки зрения адгезии пленки прекурсора к материалу подложки. Были оптимизированы такие параметры как мощность лазерного воздействия, а также число сканирований подложки, с предварительно нанесенным слоем прекурсора. В качестве демонстрации применимости разрабатываемой технологии были созданы прототипы и макеты нескольких устройств на поверхности полиимида, проведено исследование элеткрических свойства, а также проведено тестирование электродов при различной степени изгиба. Полученные результаты всестороннее освещались на ключевых тематических международных конференциях и школах (например, Advanced Laser Technologies (ALT), International conference on photoexcited processes and applications (ICPEPA) и др.) в виде приглашенных докладов. Таким образом, достигнутые в рамках выполнения работ по проекту результаты позволяют говорить о высокой научной значимости проведенных исследований, а также достижении полного соответствия полученных результатов заявленному плану работ.

 

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2023.101037

2. 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)