Terminas „perovskitai“ daugeliui dar nėra girdėtas, tačiau ši medžiagų klasė, pasižyminti unikalia kristaline struktūra, yra itin svarbi mokslininkams. Perovskitai, naujos kartos puslaidininkinės medžiagos, yra labai perspektyvūs ir gali ateityje leisti sukurti gerokai efektyvesnius bei mažiau aplinką teršiančius saulės elementus. Šių medžiagų tyrimus aktyviai vykdo ir Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto Fotonikos ir nanotechnologijų instituto mokslininkai.
Be galo perspektyvi medžiaga
Perovskitų potencialą galima palyginti su grafeno – medžiagos, kuri po ilgų laboratorinių tyrimų dabar plačiai taikoma saulės energetikoje, elektronikoje ir baterijose. Perovskitai demonstruoja gal net didesnį potencialą, tačiau jų pagrindinė problema yra didelis nestabilumas ir greita degradacija drėgmės poveikyje.
Todėl mokslininkai deda didžiules pastangas, ieškodami būdų, kaip išnaudoti jų potencialą. Tarp jų – VU Fizikos fakulteto doktorantas Abdulas Mannanas Majeedas ir jo mokslinis vadovas dr. Patrikas Ščajevas. Jie atliko reikšmingą perovskitų tyrimą, kurio rezultatai publikuoti prestižiniame žurnale „Advanced Optical Materials“.
„Šiuo metu perovskitai yra populiarūs dėl lengvos gamybos liejimo būdais. Šia tematika paskelbta nemažai straipsnių, tarp jų ir labai geruose žurnaluose. Mes nutarėme perovskitus pagaminti tuo pačiu liejimo būdu ant besisukančio staliuko azoto atmosferoje, bet padaryti tai su sumažintu švino kiekiu, švino dalį pakeičiant cinku“, – pasakoja dr. P. Ščajevas.
Taip pagamintus mėginius reikėjo tinkamai ištestuoti. Fizikai kreipėsi pagalbos į kolegą dr. Augustą Vaitkevičių, kuris Fizikos fakulteto laboratorijoje atlieka bandymus su aukštos skiriamosios gebos konfokaline mikroskopija. Ši technika leidžia, panaudojant šviesą, stebėti jos spinduliavimą atgal iš perovskitų.
„Šis spinduliavimas atgal visų pirma priklauso nuo medžiagos cheminių savybių, sudėties. Kam viso to reikia? Tai būdas pamatuoti aplinkos poveikį perovskitams. Tokių testų metu galime geriau suprasti, kada jie degraduoja sparčiau, o kada lėčiau, kurios vietos degraduoja, o kurios ne ir t. t. Kitaip tariant, patikrinti, ar kolegų pagaminti perovskitai pasižymi tomis savybėmis, kurių ir tikėtasi“, – dėsto dr. A. Vaitkevičius.
Sudėtingas ir kruopštus darbas
Testavimo procesą apsunkina gana kebli perovskitų cheminė sudėtis. Šios medžiagos traukia vandenį iš atmosferos ir tirpsta, nes vanduo keičia jų chemines savybes, daro jas ne tokias naudingas. Dirbant su tokiomis delikačiomis medžiagomis būtini tinkami įrankiai. Dr. A. Vaitkevičius naudojo keliais režimais galinčią dirbti mikroskopų sistemą, kurios vienas iš režimų yra lazerinis skenavimas.
„Lazerio šviesa per objektyvą nukreipiama į bandinius ir sufokusuojama į vieną tašką, kuriame yra perovskitinis sluoksnis. Tas plotelis yra maždaug mūsų plauko dydžio. Mūsų tikslas – pamatuoti perovskitų stabilumą skirtinguose bandiniuose, kuriuose skiriasi jų tankis, laikymo sąlygos ir t. t. Mokslinis straipsnis ir buvo skirtas aprašyti skirtingomis sąlygomis laikomų perovskitų savybes“, – pasakoja jis.
Tačiau pats matavimo veiksmas – tik ilgo proceso pradžia. Sunkiausia dalis yra suprasti rezultatų reikšmę.
„Matuodamas tu tiesiog naudoji turimą įrangą ir programinę įrangą. Tačiau pasakyti, kas yra susiję su matavimo sąlygomis, o kas su bandinių paruošimu, kas keičiasi, o kas nesikeičia – gerokai įdomesnis uždavinys. Stebi, analizuoji, lygini su kolegų įžvalgomis, ieškai atsakymų literatūroje. Tai sunkus ir kruopštus procesas“, – pabrėžia dr. A. Vaitkevičius.
Ši analizė užtruko ne vieną savaitę, tačiau galutiniai rezultatai buvo verti pastangų. Paaiškėjo, kad perovskitų bandiniai iš tiesų pasižymi norimomis savybėmis.
„Naudojant dr. A. Vaitkevičius konfokalinius liuminescencijos tyrimus (tai metodas, leidžiantis itin aiškiai matyti mikroskopines struktūras pagal jų skleidžiamą šviesą), buvo nustatyta stimuliuotos emisijos atsiradimo koreliacija su geresniu liuminescencijos intensyvumu ir emisijos bangos ilgiu. Vėliau interferencinės lazerinės abliacijos būdu ant perovskitų buvo suformuotos DFB gardelės (smulkios optinės struktūros, padedančios tiksliai valdyti ir formuoti lazerio šviesą), o gauti perovskitiniai bandiniai pasižymėjo geru stabilumu ir siaura emisijos linija. Būtent to mes ir siekėme“, – teigia dr. P. Ščajevas.
Perovskitų tyrimai VU neturėtų sustoti. Iki jų pilnaverčio praktinio taikymo dar laukia ilgas kelias, tačiau mokslininkai orientuojasi į ilgalaikę perspektyvą ir, nuosekliai dirbdami, juda link galutinio tikslo – perovskitų panaudojimo inžinerijoje ir įvairiose šiuolaikinėse technologijose.
