Išgirdę terminą „perovskitai“, dauguma žmonių, ko gero, šiek tiek surauktų antakį ir paklaustų, kas tai yra. Galbūt tuo stebėtis ir nereikėtų – ši unikalia kristaline struktūra išsiskirianti medžiagų klasė šiuo metu daug labiau žinoma mokslininkams, kurie jau daugybę metų ją aktyviai tiria. Ir tai daro dėl labai paprastos priežasties – perovskitai (naujos kartos puslaidininkinės medžiagos) yra be galo perspektyvūs ir ilgainiui saulės elementus galėtų padaryti ir gerokai mažiau taršius, ir efektyvesnius, nei jie yra dabar. Šios medžiagos tyrimus aktyviai vykdo ir Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto Fotonikos ir nanotechnologijų instituto mokslininkai.
Be galo perspektyvi medžiaga
Perovskitus būtų galima palyginti su grafenu. Pastaroji medžiaga dėl savo perspektyvumo irgi labai ilgai tirta laboratorijose, kol galiausiai pradėta taikyti ir pramonėje. Šiandien grafenas gausiai naudojamas saulės energetikoje, elektronikoje, baterijose. Perovskitai demonstruoja gal net didesnį potencialą, bet jų problema ta, kad jie labai nestabilūs ir labai greitai degraduoja, kai yra drėgmės.
Todėl mokslininkai ir deda didžiules pastangas, bandydami išsiaiškinti, kaip būtų galima panaudoti jų potencialą. Tarp tokių mokslininkų – VU Fizikos fakulteto doktorantas Abdulas Mannanas Majeedas ir jo mokslinis vadovas dr. Patrikas Ščajevas. Jie atliko reikšmingą perovskitų tyrimą, kurio rezultatai publikuoti ir 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. Pagalbos fizikai kreipėsi į kolegą dr. Augustą Vaitkevičių. Jis Fizikos fakulteto laboratorijoje atlieka bandymus su aukštos skiriamosios gebos konfokaline mikroskopija, kuri leidžia, panaudojant šviesą, stebėti, kokią ją perovskitai spinduliuoja atgal.
„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 nemenkai apsunkina gana kebli perovskitų cheminė sudėtis. Šios medžiagos pasižymi tuo, kad traukia iš atmosferos vandenį ir tirpsta, nes vanduo keičia jų chemines savybes, padaro jas nebe tokias naudingas, kaip norėtųsi. Dirbant su tokiomis delikačiomis medžiagomis būtini tinkami įrankiai. Šiuo atveju dr. A. Vaitkevičius naudojo keliais režimais galinčią dirbti mikroskopų sistemą. Vienas iš jų 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 pasakyti, ką visa tai reiškia.
„Matuodamas tu tiesiognaudoji 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, bet galutiniai rezultatai buvo verti vargo. Paaiškėjo, kad perovskitų bandiniai iš tiesų pasižymi norimomis savybėmis.
„Naudojant dr. A. Vaitkevičius konfokalinius liuminescencijos tyrimus (tai metodas, leidžiantis, panaudojant jų skleidžiamą šviesą, itin aiškiai matyti mikroskopines struktūras), 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 čia tikrai neturėtų sustoti. Iki jų pilnaverčio praktinio taikymo dar laukia gana ilgas kelias. Tačiau VU mokslininkai orientuojasi į ilgalaikę perspektyvą ir pamažu dirbdami juda prie galutinio problemos sprendimo – perovskitų panaudojimo inžinerijoje ir įvairiose šiuolaikinėse technologijose.
