Ученые СПбПУ разработали метод изучения роста нанокристаллов в стекле
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали метод, позволяющий в реальном времени регистрировать рост перовскитовых нанокристаллов CsPbBr3 в объеме стеклообразной матрицы. Результаты опубликованы в журнале Ceramics International и открывают возможность получения стеклокристаллических материалов для фотоники, лазерной техники, светодиодов и детекторов излучения.
Галогенидные перовскиты — один из самых интересных классов материалов в современной оптоэлектронике. Они представляют собой соединения с трехмерной кристаллической структурой на основе свинца и галогенов (Cl, Br, I), в которых в качестве крупного катиона выступают ионы цезия или метиламмония. Иодидные перовскиты уже демонстрируют рекордные значения КПД в солнечных элементах. Бромидные (в частности, CsPbBr3) обладают выдающимися люминесцентными свойствами.
Главная проблема перовскитов — их нестабильность: на воздухе они быстро деградируют. Один из способов защиты — это формирование нанокристаллов непосредственно в неорганической матрице, например в стекле. Технология заключается в том, что при синтезе стекла в шихту вводят исходные компоненты — бромиды цезия и свинца, а после охлаждения расплава проводят изотермический отжиг, в процессе которого в объеме матрицы зарождаются и растут нанокристаллы CsPbBr3. Сам процесс при этом заметен визуально: исходное бесцветное стекло постепенно желтеет по мере формирования кристаллов, поглощающих сине-зеленую часть спектра.
Однако на этапе исследований такая система создает серьезную проблему диагностики, поскольку концентрация кристаллов в стеклообразной матрице остается низкой. В таких условиях рентгеноструктурный анализ оказывается неинформативным — аморфное гало от самого стекла перекрывает слабые дифракционные рефлексы от нанокристаллов. Отчетливые дифракционные рефлексы фиксируются лишь на поздних стадиях отжига, когда диаметр кристаллов превышает размеры, при которых наблюдаются квантово-размерные эффекты. Поэтому самые интересные ранние этапы — зарождение и первичный рост — остаются недоступными для наблюдения.
Ученые Политеха предложили подход, который позволяет обойти это ограничение. Вместо рентгена использовалась абсорбционная спектроскопия. Нанокристаллы CsPbBr3 обладают экситонным пиком поглощения, положение которого жестко связано с их размером из-за эффектов квантового ограничения. Проводя отжиг и измеряя спектры поглощения, авторы смогли в режиме реального времени (in situ) отследить эволюцию кристаллов с первых минут процесса, когда их размер составлял всего 7-8 нанометров. К полученным оптическим данным был применен кинетический формализм Джонсона-Мела-Аврами-Колмогорова, благодаря чему удалось извлечь фундаментальные параметры кристаллизации CsPbBr3 в боросиликатном стекле.
«Мы получили инструмент, который позволяет формировать в стекле нанокристаллы заданного размера от 7 до 12 нм, что дает возможность перестраивать положение полосы люминесценции. Последнее открывает перспективы получения перестраиваемых источников излучения для оптоэлектронных устройств» — отметил Виктор Клинков, заведующий научной лабораторией «Лаборатория оптического материаловедения», НОЦ «Нанотехнологии и покрытия», ИММиТ.
Исследования проводятся при поддержке федеральной программы «Приоритет-2030».
