Поисковое исследование новых материалов на основе перовскитов и люминесцентных наночастиц, активированных ионами редкоземельных металлов, для фотоники и оптоэлектроники

Одной из ключевых задач современной фотоники и оптоэлектроники является поиск и создание новых полифункциональных материалов с заданными свойствами и с возможностью изменения/управления их характеристиками для различных приложений. Так, в последнее время актуальной стала проблема разработки новых оптических источников, генерирующих излучение, перестраиваемое в определенных спектральных диапазонах, с улучшенными технико-экономическими показателями. Для решения указанной проблемы перспективными объектами выступают нанокристаллические материалы со структурным типом перовскита, называемые также перовскитные нанокристаллы и/или квантовые точки, сокращенно ПНК. Данный класс материалов по версии журнала Science был включен в топ-10 прорывных технологий. ПНК обладают особыми физико-химическими и функциональными свойствами, такими как высокий коэффициент поглощения, дефектная стойкость, высокий квантовый выход фотолюминесценции (более 80%), узкие полосы излучения, что делает их идеальными кандидатами для различных фотонных и оптоэлектронных приложений. До недавнего времени исследования в области перовскитов включали лишь оксидные структуры и органо-неорганические системы, в частности йодид свинца-метиламмония. Последние перспективны для создания фотовольтаических устройств, но обладают химической нестабильностью и склонны к быстрой деградации на воздухе и во влажной атмосфере. В настоящее время особый интерес представляют неорганические галоидные (галогенидные) перовскитные материалы, структура которых описывается общей формулой ABX3, где A – одновалентный катион (как правило, Cs+), B – двухвалентный катион (Pb2+ или Sn2+), а X – анион (ионы галогенов Br-, I- или Cl-). Одним из их выдающихся оптических свойств является возможность изменять ширину запрещенной зоны и, как следствие, менять (перестраивать) положения полос поглощения и излучения путем варьирования химического состава, в частности заменой аниона галогена. Данная особенность расширяет области возможного практического использования неорганических галоидных перовскитов, включая создание новых перестраиваемых источников излучения, микролазеров, светодиодов, фотоприемников, солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств на их основе. В недавних исследованиях 2018-2020 годов была продемонстрирована возможность апконверсионной люминесценции галоидных ПНК, что позволяет рассматривать данные объекты как альтернативные новые материалы для апконверсионных применений. Вместе с тем существует ряд обстоятельств, ограничивающих их использование в этой области. К их числу относится низкая эффективность (<10-8) многофотонного поглощения и потребность в дорогостоящих импульсных лазерах для возбуждения. Другим классом перспективных материалов для фотоники и оптоэлектроники являются неорганические наноматериалы, активированные ионами редкоземельных металлов (РЗИ). В отличие от ПНК они обладают комплексом свойств таких, как высокое сечение поглощение энергии и интенсивность люминесценции, высокая фотостабильность, высокая вероятность многофотонного излучения, и более эффективны для апконверсионных преобразований. В данном проекте предлагается совместить преимущества двух классов перспективных материалов: ПНК и наночастиц, активированных РЗИ, для создания новых эффективных систем с улучшенными функциональными свойствами для применения в фотонике и оптоэлектронике. Основная идея заключается в использовании наноматериалов, легированных РЗИ, в качестве сенсибилизаторов для нанокристаллов перовскитов. В данном проекте в качестве сенсибилизаторов для перовскитных частиц предлагается использовать несколько нанокристаллических матриц различного состава, активированных ионами РЗИ различной концентрации, установление их оптимальных составов, а также получение консолидированного (компактированного) образца «наночастицы, активированные РЗИ, – ПНК» с целью повышения устойчивости перовскитов, а также возможного повышения эффективности их апконверсионной люминесценции. Предлагаемые подходы еще не изучены в литературе и будут применены в настоящем исследовании впервые. В качестве матриц для введения РЗИ будут использоваться системы с низким значением энергии фононов, обладающие химической и термической стабильностью (сложные оксиды тяжелых металлов, галогениды), а в качестве ионов редкоземельных элементов – ионы тулия (Tm3+), иттербия (Yb3+).