RU176397U1

RU176397U1 - Perovskite-based active optical element with resonant nanoparticles

Info

Publication number: RU176397U1
Application number: RU2017114471U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Чебыкин; Сергей Владимирович Макаров; Екатерина Юрьевна Тигунцева; Анвар Абдулахадович Захидов
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2018-01-17

Abstract

Полезная модель относится к области физики и служит для достижения усиления фотолюминесценции. Активный оптический элемент на основе перовскита с резонансными наночастицами состоит из нанесённого на стеклянную подложку перовскита с наночастицами сферической формы. Наночастицы выполнены из диэлектрика с высоким показателем преломления n и размещены в бороздах на поверхности перовскита. Борозды выполнены с периодом "a", лежащим в пределах λ>а≥d+50 нм, глубиной h₂≥2R₁ нм и шириной "d", лежащей в пределах 2R₁<d≤2R₁+40 нм, а радиус наночастиц R₁=λ(2n)±20 нм, где λ - длина волны падающего излучения. Технический результат заключается в обеспечении возможности усиления фотолюминесценции в плёнке из перовскита. 1 ил.

The utility model relates to the field of physics and serves to achieve enhanced photoluminescence. An active optical element based on perovskite with resonant nanoparticles consists of a perovskite with spherical nanoparticles deposited on a glass substrate. Nanoparticles are made of a dielectric with a high refractive index n and are placed in grooves on the surface of perovskite. Furrows are made with a period " a " lying within λ> a≥ d + 50 nm, a depth h ₂ ≥2R ₁ nm and a width " d " lying within 2R ₁ <d≤2R ₁ +40 nm, and the radius of the nanoparticles R ₁ = λ (2n) ± 20 nm, where λ is the wavelength of the incident radiation. The technical result consists in providing the possibility of enhancing photoluminescence in a perovskite film. 1 ill.

Description

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.The utility model relates to the field of physics and serves to achieve enhanced photoluminescence. It can be used to improve the performance of perovskite-based LEDs and lasers.

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.Known active optical element made of perovskite with precipitated silver, gold and aluminum nanoparticles [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)]. Metallic nanoparticles increase absorption in perovskite and increase the efficiency of the solar cell. This effect is achieved due to the excitation of plasmon resonances in metal nanoparticles. The disadvantage of this optical element made of perovskite is that it does not allow enhancing photoluminescence. A decrease in the intensity of photoluminescence is observed by 1.2, 2.3, and 3.2 times in the presence of aluminum, gold, and silver nanoparticles, respectively. This effect is achieved due to the fact that the metal nanoparticles present in perovskite have high losses in the optical region of the spectrum. This leads to thermal energy losses and causes a decrease in the binding energy of excitons, which leads to their faster nonradiative decay and weakening of photoluminescence.

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.The closest analogue of the proposed utility model and selected as a prototype is an active optical element made of perovskite with embedded resonant gold nanoparticles coated with silicon oxide [W. Zhang et al. "Enhancement of Perovskite-Based Solar Cells Employing Core-Shell Metal Nanoparticles", NanoLetters, vol. 13, 4505-4510 (2013)]. The prototype consists of perovskite deposited on a glass substrate with embedded spherical gold nanoparticles coated with silicon oxide. Silica provides the chemical stability of gold nanoparticles in perovskite. A disadvantage of the known perovskite optical element with embedded gold nanoparticles is the high loss in gold at optical frequencies, which does not allow achieving the effect of enhancing photoluminescence.

Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является усиление фотолюминесценции в пленке из перовскита.The problem that this utility model is aimed at is the enhancement of photoluminescence in a perovskite film.

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.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing efficiency when using an active optical element made of perovskite as an active medium in lasers and LEDs.

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 "а", лежащим в пределах λ>а≥d+20 нм, глубиной h₂≥2R ₁ нм и шириной , "d" лежащей в пределах 2R ₁<d<2R ₁+40 нм, а радиус наночастиц R ₁=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).This technical result is achieved in that the active optical element based on perovskite with resonant nanoparticles consists of a perovskite deposited on a glass substrate with spherical nanoparticles, characterized in that the nanoparticles are made of a dielectric with a high refractive index n and are placed in grooves on the surface of perovskite, when this, the furrows are made with a period of " a " lying in the range λ> a≥ d + 20 nm, a depth of h ₂ ≥2 R ₁ nm and a width of " d " lying in the range 2 R ₁ <d <2 R ₁ +40 nm and the radius of the nanoparticles R ₁ = λ / (2n) ± 20 nm, where λ - incident radiation wavelength). This configuration of the optical element provides the excitation of magnetic dipole resonances in the particles and a more efficient transfer of energy to the perovskite material. In this case, the number of electrons transferred to the excited state in perovskite increases significantly, which ultimately allows one to enhance photoluminescence in comparison with a perovskite film without nanoparticles on the surface, as well as in comparison with a film with metal nanoparticles. To achieve this result, it is necessary to use a dielectric with a high refractive index n (n> 3).

Сущность полезной модели поясняется на Фиг., где приведена геометрическая структура активного оптического элемента. Активный оптический элемент представляет собой пленку из перовскита 1 толщиной h₁ нанесенную на стеклянную подложку (на фиг. не показана), с бороздами 2 на своей поверхности с периодом а, глубиной h₂ и шириной d, в которых располагаются частицы сферической формы 3 с радиусом R₁. В качестве возможных материалов пленки и частиц могут использоваться органо-металлический перовскит CH₃NH₃PbI₃ и кристаллический кремний, соответственно.The essence of the utility model is illustrated in Fig., Which shows the geometric structure of the active optical element. The active optical element is a perovskite film 1 of thickness h ₁ deposited on a glass substrate (not shown in FIG.), With grooves 2 on its surface with a period a, depth h ₂ and width d, in which particles of spherical shape 3 with a radius R ₁ . As possible film and particle materials, organometallic perovskite CH ₃ NH ₃ PbI ₃ and crystalline silicon, respectively, can be used.

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 "a" борозд 2, лежащем в пределах λ>а≥d+20 нм, их глубине h₂≥2R ₁ нм и ширине "d", лежащей в пределах 2R ₁<d≤2R ₁+40 нм, и радиусе R ₁=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.An active optical element based on perovskite with resonant dielectric nanoparticles works as follows. The electromagnetic wave incident on the normal to this structure excites magnetic dipole resonance in spherical nanoparticles 3 located in grooves 2 of film 1 of perovskite. Due to this resonance, the local electromagnetic field is amplified near these particles 3. Numerous experimental measurements have shown that for a period " a " of furrows 2 lying in the range λ> a ≥d + 20 nm, their depth h ₂ ≥2 R ₁ nm and the width " d ", lying within 2 R ₁ <d≤2 R ₁ +40 nm, and a radius R ₁ = λ / (2n) ± 20 nm of nanoparticles 3, where λ is the wavelength of the incident radiation, an increase in the energy concentration in the material films 1, as well as enhanced photoluminescence compared to a perovskite film without grooves 2 and nanoparticles 3 on surface 1, and also compared w active optical element with embedded gold nanoparticles surrounded with silicon oxide, and no grooves on the surface, including in comparison with the prototype.

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.Dielectric materials with a high refractive index n> 3 are used as the material component of subwavelength dielectric nanoparticles on the perovskite surface. Crystalline silicon can be mentioned as an example of such materials. The condition for choosing the refractive index of the dielectric material is justified by the need to excite the Mie resonance in the nanoparticle in the visible wavelength range while maintaining the subwavelength of the particle. When these particles interact with an incident electromagnetic wave, magnetic dipole resonance is excited. The intensity of the electric field at the resonant frequency near the particles increases tens of times. In this case, unlike metal particles, there is no loss of energy for heating, because dielectrics have extremely low losses in the optical range. The presence of periodic grooves on the perovskite film, in which these particles are located, leads to a more effective concentration of the electromagnetic field in the material of the perovskite film and more efficient absorption of energy in perovskite. A more effective concentration of the field in perovskite is achieved by the fact that the particles are physically located closer to the perovskite on three sides, in contrast to the case without furrows, when the particles are simply on the surface. However, the particles should be located precisely in the furrows, and not embedded in the perovskite layer, because To enhance the field, greater contrast is required in the refractive indices of particles and the environment, while perovskite has a refractive index of about 2.5 at optical frequencies. It is known that photoluminescence linearly depends on the energy of absorbed light. The measurements showed that the photoluminescence intensity in the active optical element made of perovskite is increased 3 times in comparison with the photoluminescence intensity of the active optical element made of perovskite without nanoparticles, while in the prototype photoluminescence is even lower.

В качестве примера конкретной реализации предлагается пленка из органо-металлического перовскита CH₃NH₃PbI₃ толщиной 800 нм с расположенными на поверхности в хаотическом порядке наночастицами кристаллического кремния с радиусом R₁ 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.As an example of a specific implementation, a film of organometallic perovskite CH ₃ NH ₃ PbI ₃ with a thickness of 800 nm with nanoparticles of crystalline silicon located on the surface in a random order with a radius of R ₁ 130 nm is proposed. On the top of the film there are furrows with a period of 600 nm, a depth of 350 nm and a width of 300 nm. These parameters are selected for the most effective enhancement of photoluminescence in the range of 700-800 nm.

Claims

An active optical element based on perovskite with resonant nanoparticles, consisting of a perovskite with spherical nanoparticles deposited on a glass substrate, characterized in that the nanoparticles are made of a dielectric with a high refractive index n and are placed in grooves on the surface of perovskite, with grooves made with a period of " a "lying in the range of λ> a ≥d + 50 nm, a depth of h ₂ ≥2R ₁ nm and a width of" d "lying in the range of 2R ₁ <d≤2R ₁ +40 nm, and the radius of the nanoparticles is R ₁ = λ / (2n) ± 20 nm, where λ is the wavelength of the incident radiation.