Активный оптический элемент на основе перовскита с резонансными наночастицами

Полезная модель относится к области физики и служит для достижения усиления фотолюминесценции. Она может быть использована для улучшения характеристик светодиодов и лазеров на основе перовскитов.
Известен активный оптический элемент из перовскита с осажденными серебряными, золотыми и алюминиевыми наночастицами [J.-Y. Wang et al., "Efficiency and stability enhancement of inverted perovskite solar cells via the addition of metal nanoparticles in the hole transport layer", RCS Advances, vol. 7, 12998-13002 (2017)]. Металлические наночастицы приводят к увеличению поглощения в перовските и росту эффективности солнечного элемента. Такой эффект достигается за счет возбуждения плазмонных резонансов в металлических наночастицах. Недостатком приведенного оптического элемента из перовскита является то, что он не позволяет усиливать фотолюминесценцию. Наблюдается ослабление интенсивности фотолюминесценции в 1.2, 2.3, 3.2 раза при наличии алюминиевых, золотых и серебряных наночастиц соответственно. Такой эффект достигается за счет того, что присутствующие в перовските металлические наночастицы обладают высокими потерями в оптической области спектра. Это приводит к тепловым потерям энергии и вызывает уменьшение энергии связи экситонов, что ведет к их более быстрому безызлучательному распаду и ослаблению фотолюминесценции.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является активный оптический элемент из перовскита с внедренными резонансными золотыми наночастицами, покрытыми оксидом кремния [W. Zhang et al. "Enhancement of Perovskite-Based Solar Cells Employing Core-Shell Metal Nanoparticles", NanoLetters, vol. 13, 4505-4510 (2013)]. Прототип состоит из нанесенного на стеклянную подложку перовскита с внедренными золотыми наночастицами сферической формы, покрытыми оксидом кремния. Оксид кремния обеспечивает химическую стабильность золотых наночастиц в перовските. Недостатком известного оптического элемента из перовскита с внедренными золотыми наночастицами являются высокие потери в золоте на оптических частотах, что не позволяет достигнуть эффекта усиления фотолюминесценции.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является усиление фотолюминесценции в пленке из перовскита.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении эффективности при использовании активного оптического элемента из перовскита в качестве активной среды в лазерах и светодиодах.
а
а≥
R
d
R
R
R
2
1
1
1
1
Данный технический результат достигается тем, что активный оптический элемент на основе перовскита с резонансными наночастицами состоит из нанесенного на стеклянную подложку перовскита с наночастицами сферической формы, отличается тем, что наночастицы выполнены из диэлектрика с высоким показателем преломления n и размещены в борозды на поверхности перовскита, при этом борозды выполнены с периодом "", лежащим в пределах λ>d+20 нм, глубиной h≥2 нм и шириной , "" лежащей в пределах 2<d<2+40 нм, а радиус наночастиц =λ/(2n)±20 нм, где λ - длина волны падающего излучения). Такая конфигурация оптического элемента обеспечивает возбуждение магнитных дипольных резонансов в частицах и более эффективную передачу энергии в материал перовскита. При этом значительно увеличивается число электронов, переведенных в возбужденное состояние в перовските, что в итоге позволяет усилить фотолюминесценцию по сравнению с пленкой перовскита без наночастиц на поверхности, а также по сравнению с пленкой с металлическими наночастицами. Для достижения данного результата необходимо использовать диэлектрик с высоким показателем преломления n (n>3).
1
2
1
3
3
3
Сущность полезной модели поясняется на Фиг., где приведена геометрическая структура активного оптического элемента. Активный оптический элемент представляет собой пленку из перовскита 1 толщиной h нанесенную на стеклянную подложку (на фиг. не показана), с бороздами 2 на своей поверхности с периодом а, глубиной h и шириной d, в которых располагаются частицы сферической формы 3 с радиусом R. В качестве возможных материалов пленки и частиц могут использоваться органо-металлический перовскит CHNHPbI и кристаллический кремний, соответственно.
a
а
R
d
R
R
R
2
1
1
1
1
Активный оптический элемент на основе перовскита с резонансными диэлектрическими наночастицами работает следующим образом. Падающая по нормали на данную структуру электромагнитная волна возбуждает в сферических наночастицах 3, находящихся в бороздах 2 пленки 1 из перовскита магнитный дипольный резонанс. За счет этого резонанса локальное электромагнитное поле усиливается вблизи данных частиц 3. Многочисленные экспериментальные измерения показали, что при периоде "" борозд 2, лежащем в пределах λ>≥d+20 нм, их глубине h≥2 нм и ширине "", лежащей в пределах 2<d≤2+40 нм, и радиусе =λ/(2n)±20 нм наночастиц 3, где λ - длина волны падающего излучения, происходит увеличение концентрации энергии в материале пленки 1, а также усиление фотолюминесценции по сравнению с пленкой перовскита без борозд 2 и наночастиц 3 на поверхности 1, а также по сравнению с активным оптическим элементом с внедренными золотыми наночастицами, окруженными оксидом кремния, и без борозд на поверхности, в том числе по сравнению с прототипом.
В качестве материальной составляющей диэлектрических наночастиц субволнового размера на поверхности перовскита используются диэлектрические материалы с высоким значением показателя преломления n>3. В качестве примера таких материалов можно указать кристаллический кремний. Условие выбора показателя преломления диэлектрического материала обосновывается необходимостью возбуждения в наночастице резонанса Ми в видимом диапазоне длин волн с сохранением субволнового размера частицы. При взаимодействии этих частиц с падающей электромагнитной волной возбуждается магнитный дипольный резонанс. Интенсивность электрического поля на резонансной частоте возле частиц усиливается в десятки раз. При этом в отличие от металлических частиц не происходит потери энергии на нагрев, т.к. диэлектрики обладают крайне низкими потерями в оптическом диапазоне. Наличие периодических борозд на пленке перовскита, в которых находятся данные частицы, приводит к более эффективной концентрации электромагнитного поля в материале пленки перовскита и более эффективному поглощению энергии в перовските. Более эффективная концентрация поля в перовските достигается тем, что частицы физически оказываются расположены ближе к перовскиту с трех сторон в отличие от случая без борозд, когда частицы просто находятся на поверхности. Однако, частицы должны быть расположены именно в бороздах, а не внедрены в слой перовскита, т.к. для большего усиления поля необходим больший контраст в показателях преломления частиц и окружающей среды, а перовскит обладает на оптических частотах показателем преломления около 2.5. Известно, что фотолюминесценция линейно зависит от энергии поглощенного света. Измерения показали, что интенсивность фотолюминесценции в активном оптическом элементе из перовскита усиливается в 3 раза в сравнении с интенсивностью фотолюминесценции активного оптического элемента из перовскита без наночастиц, в то время как в прототипе фотолюминесценция еще меньше.
3
3
3
1
В качестве примера конкретной реализации предлагается пленка из органо-металлического перовскита CHNHPbI толщиной 800 нм с расположенными на поверхности в хаотическом порядке наночастицами кристаллического кремния с радиусом R 130 нм. Сверху на пленке имеются борозды с периодом 600 нм, глубиной 350 нм и шириной 300 нм. Данные параметры подобраны для наиболее эффективного усиления фотолюминесценции в диапазоне 700-800 нм.