Polycrystalline methylammonium-lead bromide perovskite films for photonic metasurfaces

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Polycrystalline films of organo-inorganic perovskite semiconductors are promising as a foundation for creating functional optical metasurfaces. The requirements for film structural perfection, thickness uniformity, and defect-free characteristics are much more stringent compared to perovskite films for photovoltaics. This work presents the results of searching for optimal conditions for one-step synthesis of lead methylammonium bromide films using centrifugation, and describes the successful fabrication of subwavelength optical gratings from these films through focused ion beam processing. The measured spectra of light transmission through the gratings demonstrated their excellent optical quality and confirmed the possibility of creating semiconductor photon metasurfaces with submicrometer periodicity and high-Q dielectric resonances.

Full Text

Restricted Access

About the authors

G. A. Yurasik

Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”

Author for correspondence.
Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

I. V. Kasyanova

Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”

Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

V. V. Artemov

Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”

Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

A. A. Ezhov

Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”;
M.V. Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

I. S. Pavlov

Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”

Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

A. A. Antonov

Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”

Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

Guankui Long

School of Materials Science and Engineering, National Institute for Advanced Materials, Nankai University

Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Taiwan, Province of China, Tianjin

M. V. Gorkunov

Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”; National Research Nuclear University “MEPhI”

Email: yurasik.georgy@yandex.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Kim J.Y., Lee J.-W., Jung H.S.et al. // Chem. Rev. 2020. V. 120. № 15. P. 7867. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00107
  2. Kovalenko M.V., Protesescu L., Bodnarchuk M.I. // Science. 2017. V. 358. № 6364. P. 745. https://doi.org/10.1126/science.aam7093
  3. Berestennikov A.S., Voroshilov P.M., Makarov S.V., Kivshar Y.S. // Appl. Phys. Rev. 2019. V. 6. № 3. P. 031307. https://doi.org/10.1063/1.5107449
  4. Xiao M., Huang F., Huang W. et al. // Ang. Chem. Int. Ed. 2014. V. 53. № 37. P. 9898. https://doi.org/10.1002/anie.201405334
  5. Swain B.S., Lee J. // Physica E. 2021. V. 126. P. 114420. https://doi.org/10.1016/j.physe.2020.114420
  6. Long G., Adamo G., Tian J. et al. // Nat. Commun. 2022. V. 13. № 1. P. 1551. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29253-0
  7. Saidaminov M.I., Abdelhady A.L., Murali B. et al. // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 7586. https://doi.org/10.1038/ncomms8586
  8. Gorkunov M.V., Mamonova A.V., Kasyanova I.V. et al. // Nanophotonics. 2022. V. 11. № 17. P. 3901. https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0091
  9. Stöhr J., Samant M.G., Cossy-Favre A. et al. // Macromolecules. 1998. V. 31. № 6. P. 1942. https://doi.org/10.1021/ma9711708
  10. Shen H., Nan R., Jian Z., Li X. // J. Mater. Sci. 2019. V. 54. № 17. P. 11596. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03710-6
  11. Beadie G., Brindza M., Flynn R.A. et al. // Appl. Opt. 2015. V. 54. № 31. P. F139. https://doi.org/10.1364/AO.54.00F139
  12. Ishteev A., Konstantinova K., Ermolaev G. et al. // J. Mater. Chem. C. 2022. V. 10. № 15. P. 5821. https://doi.org/10.1039/D2TC00128D
  13. König T.A.F., Ledin P.A., Kerszulis J. et al. // ACS Nano. 2014. V. 8. № 6. P. 6182. https://doi.org/10.1021/nn501601e
  14. Rubin M. // Sol. En. Mater. 1985. V. 12. № 4. P. 275. https://doi.org/10.1016/0165-1633(85)90052-8
  15. Elliott R.J. // Phys. Rev. 1957. V. 108. № 6. P. 1384. https://doi.org/10.1103/PhysRev.108.1384
  16. Ruf F., Aygüler M.F., Giesbrecht N. et al. // APL Maters. 2019. V. 7. № 3. P. 031113. https://doi.org/10.1063/1.5083792
  17. Kühner L., Wendisch F.J., Antonov A.A. et al. // Light Sci. Appl. 2023. V. 12. № 1. P. 250. https://doi.org/10.1038/s41377-023-01295-z
  18. Rubanov S., Munroe P.R. // J. Microsc. 2004. V. 214. № 3. P. 213. https://doi.org/10.1111/j.0022-2720.2004.01327.x
  19. Gorkunov M.V., Rogov O.Y., Kondratov A.V. et al. // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 11623. https://doi.org/10.1038/s41598-018-29977-4
  20. Koshelev K., Kivshar Y. // ACS Photonics. 2021. V. 8. № 1. P. 102. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01315

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependence of the average thickness of MAPbBr3 films obtained at optimal times of antisolvent addition on the rotation speed of the glass substrate.

Download (47KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Optical images of MAPbBr3 films prepared at a centrifuge speed of 4400 rpm, a temperature of 22°C and different antisolvent addition times τ = 2, 4, 5, 6 s and ∞ (antisolvent was not added).

Download (234KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. SEM images of cross-sections of MAPbBr3 films deposited on a glass substrate with an ITO layer, cleaned by ultrasonic treatment (a), air plasma (b), and coated with a thin polyimide film (c).

Download (142KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Diffraction patterns of MAPbBr3 powder (1) and polycrystalline film (2).

Download (61KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Structure of test gratings created by focused ion beam etching of parallel slits with increasing irradiation time: SEM image of a cross section (a), dark-field STEM image of a section (b), distribution maps of bromine and gallium atoms (c) and only gallium (d), obtained by energy-dispersive X-ray spectroscopy.

Download (297KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. SEM image of a subwavelength grating created by focused ion beam etching of parallel slits in a MAPbBr3 film with a period of 400 nm: a general view of the structure in the form of a square with a side of 80 μm and an image of its fragment obtained at higher magnification (insert).

Download (263KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Optical properties of the MAPbBr3 film (a) and the subwavelength grating created by a focused ion beam by etching parallel slits with a period of 400 nm in it (b): simulated (solid lines) and measured (dots) transmission spectra of light linearly polarized across the slits. On the right are diagrams of a flat film and an elementary cell of the subwavelength grating, respectively.

Download (294KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».