Лазеры, нанофотоника и управление светом

Лазерные технологии, Новости науки и техники Комментариев к записи Лазеры, нанофотоника и управление светом нет

Видеоинтервью с Сергеем Макаровым (ИТМО)

Ограниченность ресурсов и энергии на планете — проблема, которую решают современные исследователи в разных областях. Солнечная энергетика, перовскитные батареи, наночастицы и превращение света в энергию. Развитием каких новых технологий занимаются в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники и какое у этих разработок прикладное значение? Рассказывает Сергей Макаров, старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Сергей МАКАРОВ, старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО:

— Направлением наших исследований является междисциплинарная наука, сочетающая в себе нанотехнологии, физику, оптику, химию, оптоэлектронику и т.д. Здесь проходят обучение аспиранты, студенты, и также существует коллаборация с зарубежными учеными, которые, так сказать, создают новую школу в России. А именно — школу специалистов в таких междисциплинарных областях, работающих на переднем крае науки.

Основной мотивацией, основной движущей силой наших исследований является внедрение новых нанофотонных технологий, когда мы можем локализовывать свет на наномасштабе, управлять им. Например, в солнечных батареях и светодиодах. Еще интересным направлением, которым мы занимаемся, является создание наноразмерных источников света на основе новых материалов — перовскитов. Это позволяет нам создавать лазеры размером в сотни раз тоньше человеческого волоса.

В чем их интерес и преимущество? Во-первых, это использование жидкой химии. То есть для их создания нам не нужны «чистые комнаты», многомиллиардные вложения. Достаточно, собственно, таких относительно простых главбоксов с нейтральной атмосферой. В чем интерес к таким нанолазерам? Во-первых, как химически их можно создать, так же химически их можно и перестраивать (что важно для способности работать на разных длинах волн, в разных диапазонах — от видимого до инфракрасного и ультрафиолетового света).

Вот здесь, в данной лаборатории, мы создаем новую платформу для перестраиваемых фотонных источников. Что может быть полезно для оптических чипов, для «белых» лазеров, для «белых» светодиодов и многих других оптоэлектронных и фотонных приложений. Ни для кого не секрет, что сейчас в мире имеется проблема ограниченности ресурсов, энергии и т.д. Одним из решений данной проблемы может стать солнечная энергетика. Собственно, в нашей лаборатории мы также не проходим мимо данного (крайне важного!) направления. Одной из наших недавних разработок является создание перовскитных солнечных батарей, улучшенных за счет внедрения в них наших наночастиц, которые способны эффективно улавливать свет и, скажем, локализовывать его, превращать в энергию в крайне тонких слоях перовскита. Что важно, например, для того чтобы делать солнечные элементы на гибких поверхностях с достаточно высокими эффективностями и с низкими расходами на их создание.

Наши лучшие образцы достигают эффективности 19%, что сопоставимо с мировым уровнем. Если говорить об их стоимости, то она крайне низкая по сравнению с аналогами на основе кремния. Наша лаборатория была создана год назад, летом 2017 года, и с тех пор мы уже успели выпустить несколько публикаций в ведущих зарубежных журналах, таких как Nanoletters, Advanced Optical Materials, Nanoscale и т.д. Это журналы, ориентированные на междисциплинарные исследования, где связаны нанотехнология, химия, оптика, физика твердого тела. Также там освещаются прикладные аспекты — такие, как оптоэлектроника. Что примечательно, данные статьи были написаны нашими аспирантами (иногда даже студентами). По результатам этих работ сделаны отличные доклады. Например, не могу не похвастаться нашим студентом, который недавно по одной из тематик в одной из своих статей выиграл конкурс Science SLAM в городе Санкт-Петербурге. Таким образом, сейчас наши исследования находятся скорее на стадии научной разработки, когда мы предлагаем новые концепции, новые идеи, часто требующие буквально моделирования «от основ». То есть сначала это теоретический концепт. Потом он претворяется в жизнь в лаборатории — либо в химической, либо в физической. Также нужно проводить множество измерений в оптических лабораториях и т.д. И только затем приходит время публикации и успешного обнародования результатов для научного сообщества.

Наука, по нашему мнению, конечно же, должна быть прикладной. В связи с этим помимо опубликования статей мы пытаемся внедрять наши разработки в реальные приложения и взаимодействовать с российскими индустриальными партнерами. Все, что связано со светом, имеет колоссальный прикладной аспект. Это все то, что нужно нам каждый день. Однако данная область с точки зрения науки тоже не стоит на месте. Она развивается. Сейчас есть такой тренд, что оптические технологии все больше и больше уходят в наномасштаб. Соответственно, мотивация обусловлена рядом предложений.

Например, оптический компьютер — как мы надеемся, он заменит электронные аналоги. Но, чтобы это реально работало, чтобы это можно было использовать, чтобы у нас размер телефона при этом не увеличился (потому что размер фотона больше, чем размер электрона, условно говоря), нам нужно компактизировать это все. Следует проводить компактизацию, чтобы оптический чип был достаточно маленьким. В связи с этим нужна новая материальная база, нужны новые концепции и т.д. На протяжении последних 20 лет, в частности, чем занималась лаборатория метаматериалов, занимается физико-технический факультет ИТМО? Это развитие новых технологий, связанных с уменьшением размера фотона и управлением им на наномасштабе, что является вообще нетривиальной задачей.

Собственно, для развития данной концепции необходимы новые материалы. Необходимо использовать не просто кремний, который всем известен, золото и т.д., — нужно искать новые подходы, новые материалы, которые обладают совершенно уникальными свойствами, которые очень ярко светятся, отлично проводят электрический ток, которые прозрачны и позволяют управлять светом так, как мы хотим. Поэтому идеальным материалом, как сейчас оказывается (и что мы подтверждаем в наших недавних работах), являются перовскиты — в частности, коллоидные перовскиты, которые позволяют создавать наноразмерные лазеры. То есть это источники когерентного излучения — того излучения, которое будет распространяться в нужных направлениях, с нужной частотой. И этим излучением можно передавать информацию. Его можно модулировать. Это очень удобный инструмент не только для того, чтобы работать на объектах — скажем, с объектами, которые мы реально видим. Их можно потрогать и прочее. Нет, это работа с объектами, которые в сотни раз меньше человеческого волоса.

Нанотехнологии — это то, что уже требует действительно какого-то технологического прорыва и вообще другого подхода. Вот, собственно, это один из аспектов. Это — как мы можем применять сами перовскиты для создания перспективных, новых оптических устройств, которые позволят уйти на наномасштаб.

Также другим направлением, которым мы здесь активно занимаемся, является интеграция уже имеющихся или известных концепций нанофотоники на основе вот этих же материалов (как кремний или золото, которые я упомянул), однако в перовскитные устройства. То есть устройства, которые работают так же эффективно, — например, светодиоды или солнечные батареи. Вот эти технологии, казалось бы, которые тоже уже известны. Однако для улучшения своих характеристик они требуют дополнительного манипулирования светом. Потому что когда у нас очень тонкий слой, он пропускает много света. Надо, чтобы свет там оставался, чтобы генерировал фототок, чтобы мы получали больше энергии. Вот, собственно, как это сделать? Нужно увеличить поглощение в этом слое. Вот мы добавляем наночастицы. Они захватывают свет и переводят его в фототок. В общем, позволяют повысить эффективность солнечных батарей.

Источник: https://chrdk.ru/nashi-lyudi/lazery-nanofotonika-i-upravlenie-svetom


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top