Вузы, где образование совмещено с научной работой, привлекают многих абитуриентов: это дает возможность еще на студенческой скамье включиться в разработку перспективных технологий. В числе таких технологий будущего, например, оптические методы передачи и обработки информации, солнечная энергетика, биомедицинские лазерные технологии. Фотонику и другие научные дисциплины можно изучать в Университете ИТМО в Санкт-Петербурге на образовательных программах бакалавриата и магистратуры. Для того чтобы узнать, как именно строится научная работа в Университете ИТМО, мы посетили несколько лабораторий и поговорили с их сотрудниками о темах текущих исследований.
Перовскиты и нанофотоника
Физики из Международной лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники используют нанофотонику для улучшения перовскитных солнечных элементов — нового вида источников тока, эффективность которых находится на одном уровне с традиционными элементами, а стоимость производства значительно ниже. Подробнее о работе ученых рассказывает старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов, кандидат физико-математических наук Сергей Макаров:
Так называемая перовскитная революция началась в 2009 году, когда группа японских ученых под руководством Акихиро Кодзимы (Akihiro Kojima) и Цутому Миясака (Tsutomu Miyasaka) изготовила первые солнечные элементы на основе металл-органических соединений. Вообще говоря, такие соединения, напоминающие по своей структуре минерал перовскит, известны с середины XIX века, однако долгое время считались неинтересными для исследований. Правда, на глаз они довольно черные — а значит, хорошо поглощают свет. Поэтому у ученых возникла идея использовать эти соединения для производства солнечных батарей. При этом оказалось, что стоимость перовскитов низкая, а работать с ними сравнительно легко. Например, для производства элементов на основе арсенида галлия нужно использовать дорогостоящие установки для эпитаксиального (послойного) роста — это позволяет получить очень эффективные, но очень дорогие элементы, которые обычно устанавливают на космические корабли. Для производства перовскитных источников тока подобные установки не нужны, и элементы получаются настолько дешевыми, насколько это вообще возможно.
Кроме того, с самого начала перовскиты показали высокую эффективность. Как правило, в дешевых солнечных элементах, основанных на красителях, в электроэнергию перерабатывается около десяти процентов энергии падающего света. Перовскиты же сразу — без всякой настройки — показали эффективность порядка четырех-пяти процентов. Это вызвало повышенный интерес исследователей, и с 2009 по 2016 год эффективность перовскитных элементов выросла до 23 процентов, практически достигнув уровня самых лучших на сегодня кремниевых устройств. Теоретически этот результат можно улучшить еще сильнее, примерно до 34 процентов. При этом дизайн толщина готового устройства составляет один микрометр, а их производство значительно проще, чем изготовление солнечных элементов на основе кремния. Сейчас перовскиты активно исследуют во многих лабораториях по всему миру.
Главная проблема перовскитных элементов — недолговечность. В настоящее время продолжительность их жизни составляет менее 1500 часов, поэтому большинство исследований направлены именно на повышение устойчивости материалов. Тем не менее, некоторые ученые — в частности, наша группа — продолжают работать над эффективностью перовскитных источников тока. Наш подход в первую очередь связан с дополнительным улавливанием света. Перовскитные элементы построены на основе тонкопленочных технологий, толщина пленки в них фактически сравнима с длиной волны улавливаемого света. Грубо говоря, когда фотон попадает в такую пленку, он успевает проосциллировать всего один раз, а потом поглощается или частично отражается. С другой стороны, чем больше доля поглощенного излучения, тем эффективнее энергия света перерабатывается в электрическую. В обычных материалах эта доля очень маленькая, в перовските она гораздо выше, но он тоже поглощает далеко не всё. Соответственно, надо сделать так, чтобы он поглощал больше.
Именно здесь нам пригодился весь опыт, который был накоплен в области нанофотоники. Грубо говоря, возникает вопрос: как внедрить в прибор что-нибудь такое маленькое, чтобы повысить его эффективность, но не испортит отработанный дизайн? Мы придумали добавлять в элемент специальные кремниевые наноантенны — когда свет проникает внутрь перовскита, он наталкивается на них и задерживается. В каком-то смысле это напоминает кружку с водой. Если потрясти кружку, по ней побегут круги — возникнут стоячие волны. Так же и свет, когда попадает в условную кружку с водой (то есть в наноантенну), возбуждает в ней оптические моды колебаний. В результате вместо того, чтобы проосциллировать в пленке один раз и отразиться, свет запутывается в частице и задерживается в перовските гораздо дольше. А каждое колебание — это дополнительное поглощение. Такое «умное» окружение позволяет увеличить эффективность поглощения пленки, никак не сказываясь на затухании электрического сигнала. При этом толщина пленки остается прежней, а значит, ее можно спокойно использовать в стандартных схемах производства элементов питания.
Что изучает нанофотоника?
Нанофотоника изучает способы, с помощью которых можно управлять светом на масштабе нанометров. Все привычные для нас оптические элементы — очки, телескопы и так далее — работают на масштабах значительно больше длины волны, на которых волновые свойства света практически не сказываются. Это область геометрической оптики. В некоторых приборах, например, в дифракционных решетках, характерные размеры структуры сравнимы с длиной волны. Довольно хорошей дифракционной решеткой может служить обычный CD-диск — расстояние между его дорожками составляет около 1600 нанометров, а длина волны оптического илучения лежит в диапазоне от 450 до 750 нанометров. В нанофотонике характерные размеры структур примерно в сто раз меньше.
Чтобы проверить предложенный способ на практике, мы вязли стандартный перовскит, который чаще всего встречается в исследованиях — соединение метиламмония свинца и иода. Этот материал хорошо изучен, его характеристики хорошо известны, и поэтому мы можем четко выделить на нем вклад наночастиц. Обычно эффективность таких элементов составляет примерно 18 процентов, а добавление наших частиц увеличило ее до 19 процентов. Казалось бы, это не очень много. Однако стоимость производства и внедрения наноантенн в элемент питания очень низкая. Мы просто фокусируем лазер на специальном составе, и буквально за несколько минут нарабатываем столько частиц, что их хватит на модуль. Нанести их тоже несложно — достаточно капнуть составом на наполовину изготовленное устройство, а потом размазать его ровным слоем. Это очень просто и дешево сделать, и эффективность элемента вырастет на целый процент. Ну и, конечно, следующий шаг — взять текущих рекордсменов среди перовскитов и добавить наноантенны уже в них. Тогда мы побьем текущий рекорд.
Разумеется, наша работа ограничивается не только солнечными элементами. Например, мы используем перовскиты для производства дисплеев. В настоящее время заметную часть рынка светодиодов занимают органические светодиоды (OLED), которые дешевы в производстве и имеют высокую энергоэффективность. Постепенно их замещают квантовые точки, эффективность которых еще выше, порядка 90 процентов энергии они преобразуют в излучение. Эффективность перовскитов теоретически должна превышать даже это значение. На практике оно, правда, пока составляет всего 15-20 процентов, однако эта область очень бурно растет, и результат постоянно улучшается. Кроме того, перовскиты излучают более узкие спектральные линии, то есть получаемые с их помощью цвета еще более чистые. Более синий «синий», более красный «красный», более зеленый «зеленый». Настраивать цвет тоже довольно просто — достаточно просто добавить в перовскит нужные примеси, встроить их в кристаллическую решетку. Добавите хлор — получится синий диод, добавите бром — зеленый, иод — красный. Самое интересное, что примеси можно смешать — в этом случае цвет изменится, но все еще будет оставаться чистым. То есть он получается не за счет смешивания базовых цветов, изменяется сама длина волны. Конечно, в обычных RGB-дисплеях это не используется, но идея перспективная. Мы этим направлением тоже занимаемся, изготавливаем довольно яркие светодиоды. Мне кажется, что в будущем перовскиты заменят текущую технологию.
Как и с солнечными элементами, основная задача при производстве перовскитных светодиодов — повысить стабильность, то есть увеличить их долговечность. Этого можно добиться, подбирая правильные электроды и окружающие перовскит материалы. Также нужно учитывать внутренние процессы в перовските — под действием электрического поля электроны начинают двигаться по объему материала сложным образом, приобретают разные скорости, заходят в разные области, начинают разделяться. В результате получается, что теория предсказывает оранжевый свет диода, включаешь диод — он начинает светить оранжевым, но потом меняет цвет на красный. Поэтому перовскиты нужно стабилизировать, чтобы их характеристики никуда не уползали.
Терагерцы из воды
Ученые из международной Лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института «Фотоника и оптоинформатика» изучают генерацию терагерцового излучения в струе жидкости. О том, что такое терагерцовое излучение, где оно применяется и почему для генерации пришлось использовать струи жидкости, рассказывает руководитель лаборатории, кандидат физико-математических наук Антон Цыпкин:
Генерация терагерцового излучения в жидкости — это довольно молодое направление, основанное группой ученых под руководством профессора Си-Чэн Чжана (Xi-Cheng Zhang). Буквально в прошлом году они показали, что под действием лазерного импульса продолжительностью около 400 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна 10−15 секунд) вода начинает испускать излучение в терагерцовом диапазоне, то есть с частотами порядка одного терагерца. Для сравнения: частота СВЧ-излучения микроволновой печки примерно равна 0,002 терагерца, а частота инфракрасного излучения человеческого тела — примерно 50 терагерц. До этого считалось, что заставить воду излучать в терагерцовом диапазоне невозможно. Мне это направление показалось очень перспективным — большинство открытий пока еще не сделаны, все идеи, которые приходят голову, новые, а потому ими интересно заниматься. Поэтому мы поговорили с Чжаном, который в данный момент является научным консультантом нашей международной лаборатории, и он предложил нам заняться исследованиями в этой области.
Принцип генерации излучения в жидкости сравнительно прост. Как известно, вода очень хорошо поглощает терагерцовое излучение. Если направить этот процесс в обратную сторону, то можно заставить ее так же хорошо излучать — только нужно правильно на нее воздействовать. Например, направить на нее короткий (спектрально ограниченный), но мощный лазерный импульс, который называют импульсом накачки. Проблема в том, что подобрать параметры этого импульса очень сложно, и терагерцовое излучение на выходе получается очень слабое. Однако группа Чжана обнаружила, что при уширении спектра импульса и увеличении его продолжительности до 300–500 фемтосекунд (такие импульсы называют чирпированными) тонкую пленку воды все-таки можно заставить испускать излучение в диапазоне от 0,1 до 3 терагерц.
Основная задача, над которой мы работаем, — это повышение эффективности генерации, то есть увеличение энергии терагерцового импульса при фиксированной мощности импульса накачки. Поскольку «жидкая» генерация позволяет использовать двухцветную филаментацию, есть надежда, что с ее помощью можно получить бо́льшую эффективность, чем у существующих способов. Филаменты — это тонкие лазерные нити, возникающие в прозрачной среде из-за нелинейных эффектов, в результате которых мощный световой импульс самопроизвольно фокусируется и дефокусируется. Соответственно, двухцветная филаментация означает, что в среде возникает сразу две нити с разной длиной волны. Из-за этого один из импульсов «отстает» во времени, и его приходится немного сдвигать, чтобы совместить со вторым импульсом и увеличить мощность возникающего терагерцового излучения. Уже сейчас наш эксперимент дает эффективность преобразования энергии порядка 0,1 процента, тогда как эффективность традиционных способов находится на уровне нескольких процентов. Тем не менее, нужно учитывать, что мы пока находимся только в самом начале развития, в будущем усиление будет гораздо больше.
При этом нужно заметить, что в наших экспериментах жидкость свободно стекает в виде струи, а не помещается в кювету, как обычно. Это делается для того, чтобы избавиться от стенок, которые накладывают дополнительные граничные условия на изучение. Конечно, есть и такие работы, в которых терагерцовое излучение генерируется водой в кювете. Им даже удается получить такую же высокую эффективность, как в наших экспериментах, — однако в этих работах возникает множество технических сложностей, которые очень трудно преодолеть. Например, в этой схеме нужно совмещать начало и конец филамента со стенками кюветы, чтобы добиться максимальной эффективности. В схеме со струей воды подобные сложности не возникают.
Поскольку область сравнительно новая, мы пока занимаемся фундаментальными исследованиями — придумываем идеи экспериментов и проверяем их в лаборатории, параллельно пытаемся улучшить нашу теоретическую модель, «подогнать» ее под реальность. Хорошая модель должна описывать не только воду, вода — это просто первое, что приходит в голову, она вовсе не обязана быть оптимальной средой. Каждая жидкость имеет свою уникальную вязкость, прозрачность, коэффициент ионизации и другие параметры, которые влияют на эффективность генерации; мы надеемся, что эти параметры можно подобрать так, чтобы эффективность выросла во много раз. К сожалению, пока что разрабатываемая модель получается слишком грубой, и ее предсказания сильно отличаются от эксперимента. Кроме того, в ходе работы мы постоянно консультируемся с Си-Чэн Чжаном, обмениваемся идеями и сравниваем достижения наших групп. Зачастую оказывается, что мы провели одни и те же эксперименты и получили одинаковые результаты — и это хорошо, потому что достоверность полученных данных увеличивается.
Однако для чего вообще нужно исследовать терагерцовое излучение? Дело в том, что терагерцовое излучение сильно отражается металлами, однако свободно проходит сквозь большинство диэлектриков, в том числе через живые ткани. Кроме того, оно практически не рассеивается внутри тела, что делает его гораздо более безопасным по сравнению с рентгеновскими лучами. Поэтому терагерцовое излучение имеет множество практических приложений — например, с его помощью можно сканировать багаж в системах безопасности аэропортов и вокзалов, восстанавливать скрытые или утерянные картины, читать закрытые книги, оценивать прочность механических конструкций, исследовать верхние слои тела (кожу и сосуды) и получать динамические изображения опухолей (например, диагностировать рак желудка). Разумеется, для этого нужны мощные портативные источники терагерцового излучения с высоким КПД. Фундаментальные исследования, которые проводятся в нашей лаборатории, помогут в скором будущем создать такие источники.
В Научно-исследовательском центре интегральной фотоники и радиофотоники ученые разрабатывают Li-Fi передатчики и приемники, использующие для обмена информацией светодиодное освещение. Почему новая технология лучше широко распространенного Wi-Fi, рассказывает сотрудник центра Ольга Козырева:
Термин Li-Fi (Light Fidelity, по аналогии с Wi-Fi, Wireless Fidelity) появился в 2011 году, когда профессор Эдинбургского университета Харальд Хаас представил на TED Global Talks работающий прототип первого Li-Fi передатчика. В отличие от Wi-Fi, в котором для передачи информации используются радиоволны с частотой 2400 или 5200 мегагерц, Li-Fi передатчики работают с видимым и инфракрасным светом, имеющим гораздо более высокую частоту. С одной стороны, это позволяет встроить такие передатчики в обычные светодиодные лампочки, а с другой стороны — добиться сверхвысокой скорости передачи данных за счет широкой доступной полосы частот в оптическом диапазоне. Кроме того, оптические каналы связи хорошо защищены от помех и перехвата информации, безопасны для здоровья. С их помощью можно реализовать микросотовую связь и предоставить абонентам гарантированный беспроводной высокоскоростной канал.
В простейшую систему Li-Fi входят ведущий и клиентский модули, состоящие из передающей и приемной частей. В качестве приемной части используют фотоприемники, а в качестве передающей — источники инфракрасного или видимого излучения. Ведущий модуль подает модулирующий сигнал на светодиоды, которые, в свою очередь, излучают в видимом диапазоне (380–740 нанометров) и передают данные на приемники клиентского модуля. Для обратного канала от пользователя к ведущему модулю используется ближний инфракрасный диапазон (800–1550 нанометров). На данный момент в ведущие модули технологии Li-Fi устанавливают либо белые люминофорные светодиоды, либо RGB-светодиоды. В пользу первых говорит низкая стоимость, общедоступность и массовое распространение. В то же время, использование достаточно инертного желтого люминофора для получения белого света ограничивает скорость передачи данных. Поэтому потенциально RGB-светодиоды более перспективны с точки зрения скорости передачи данных, так как в них отсутствуют инертные элементы, и возможна передача данных параллельно сразу по трем каналам — красному, зеленому и синему.
Технология Li-Fi служит хорошим дополнением к Wi-Fi, так как позволяет раздавать интернет в помещениях с большим количеством людей — торговых центрах, конференц-залах и конгресс-холлах. В этом случае каждый светодиодный светильник превращается в точку доступа в интернет, и может быть реализована концепция микросот с предоставлением пользователям гарантированного высокоскоростного интернета. Кроме того, эту технологию можно использовать в местах, где радиочастотный сигнал является нежелательным — например, в самолетах, подводных лодках или операционных. Еще одним преимуществом Li-Fi считается тот факт, что светодиодное освещение в настоящий момент широко распространено в городской инфраструктуре, а значит, его можно сравнительно дешево перестроить для беспроводной передачи данных.
В центре интегральной фотоники и радиофотоники разрабатывается комплекс Li-Fi, состоящий из светильника (светодиодной панели — 64 или 16 светодиодов), Li-Fi роутера, приемного модуля и клиентского модуля. Схема этого комплекса представлена на рисунке:
Li-Fi роутер посылает на светильник модулирующий электрический сигнал, который преобразуется в оптический сигнал. Клиентский модуль принимает сигнал и расшифровывает его для конечного пользователя. Обратный канал построен на инфракрасном свете. На данный момент нами получены скорости передачи данных, сравнимые со скоростями Wi-Fi — 20 мегабит в секунду по видимому свету и 50 мегабит в секунду по инфракрасному каналу на расстоянии около трех метров. В теории скорость передачи по таким каналам может достигать 220 гигабит в секунду.
Кроме того, помимо технологии Li-Fi наш научно-исследовательский центр занимается радиофотоникой. Радиофотоника — это «скрещивание» света (фотонов) и СВЧ-сигналов. Другими словами, в радиофотонных устройствах электрический сигнал высокой или сверхвысокой частоты («радио-») подается на лазер или светодиод, модулируя во времени излучение прибора («-фотоника»). Чтобы такая модуляция была эффективной, нужно согласовать сопротивления диода и высокочастотного тракта. Для решения этой задачи сотрудники центра численно моделируют устройства, изготавливают макетные платы для проверки корректности модели и исследуют их на векторном анализаторе цепей. Такой прибор позволяет полностью охарактеризовать компоненты СВЧ-сигнала: измерить коэффициенты отражения и пропускания, определить фазу сигнала, найти S-параметры любого четырехполюсника, из которых можно вычислить полное активное и реактивное сопротивление электронных компонент схемы вплоть до частот порядка 40 гигагерц. Такой подход позволил нам разработать быстродействующий фотоприемник спектрального диапазона 1000–1600 нанометров (ближний инфракрасный свет) с полосой пропускания до 20 гигагерц. Разработка фотоприемника включала в себя следующие стадии:
- Моделирование гетероструктуры кристалла (гетероструктура — это слоистая структура, состоящая из нескольких полупроводников с разной шириной запрещенной зоны)
- Рост гетероструктуры
- Измерение параметров (активного и реактивного сопротивления) полученного кристалла фотоприемника на зондовой станции MPI TS150. Зондовая станция оснащена СВЧ-зондами по типу Ground-Signal-Ground и иглами. Такие зонды позволяют измерить основные характеристики кристаллов и разбраковать (разместить) их на пластине
- Моделирование схемы согласования кристалла согласно измеренным параметрам
- Изготовление схемы согласование и проверка ее параметров на ZVA-40
- Изготовление корпуса фотоприемника и финальная сборка готового прибора
Также в нашей лаборатории был разработан лазер с пассивной синхронизацией мод на длине волны 1550 нанометров, излучающий импульсы длительностью 6 пикосекунд с частотой повторения 10 гигагерц. Пассивная синхронизация — это метод согласования фаз продольных колебаний в лазере, полагающийся на различные нелинейные оптические эффекты (например, самофокусировку света) и позволяющий получать сверхкороткие импульсы. Как и для фотоприемника, для лазера также был проведен полный цикл производства, начиная с моделирования гетероструктуры кристалла и заканчивая сборкой готового прибора. Выходные характеристики лазера измерялись на оптическом анализаторе спектра — BOSA 100 фирмы Aragon Photonics. Этот прибор отличается очень хорошей разрешающей способностью (0,1 пикометра), что позволяет детально исследовать спектр лазерного излучения.
Беседовал Дмитрий Трунин
