​Команда ученых из МИФИ в рамках грантового проекта, одержавшего победу в конкурсе Российского научного фонда по мероприятию "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых" планирует достичь эффективности на квантовых точках на основе плазмонов благородных металлов. 

Проект-победитель "Двухфотонные процессы в гибридном материале на основе полупроводниковых квантовых точек и плазмонных наноструктур для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике" представил его руководитель - Виктор Кривенков, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории нанобиоинженерии Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. Он помог разобраться, чем интересно и уникально это научное исследование.

Почему проект получил такое название? Дело в том, что двухфотонные процессы могут подразумевать два типа нелинейных процессов: двухфотонное поглощение и двухфотонное испускание. Кривенков дает следующее объяснение: «В качестве базового светочувствительного материала в этом проекте мы используем полупроводниковые квантовые точки (флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы околосферической формы), которые были выбраны из-за их уникальной фотостабильности и нелинейно-оптических свойств. Поэтому говоря о двухфотонном поглощении – мы имеем в виду образование одного экситона (кванта возбуждения в квантовой точке) вследствие поглощения одновременно двух фотонов в ситуации, когда каждый из этих двух фотонов по отдельности поглотиться не может. Говоря же о двухфотонном испускании, мы подразумеваем в некотором роде уникальную ситуацию, которая реализуется в квантовых точках – в этой ситуации поглощение одного фотона может привести к образованию сразу двух экситонов благодаря Оже-подобному взаимодействию носителей заряда внутри нанокристалла, в результате чего появляется возможность испускания сразу двух фотонов при поглощении одного, т.е. квантовый выход становится выше 100%». Актуальные исследования показывают, что «присутствие плазмонных наночастиц (наноразмерных структур в основном из благородных металлов, в которых при взаимодействии с внешним излучением реализуются устойчивые резонансные колебания электронной плотности – плазмоны) вблизи квантовых точек может значительно изменить оптические свойства последних».

Поэтому перед специалистами, задействованными в этом проекте МИФИ, цель - применить эти фундаментальные эффекты для создания материалов, в которых двухфотонные процессы усилены, и использовать их для создания новых нелинейных оптоэлектронных устройств. Здесь перед научной группой поставлены три главные задачи: во-первых, научиться создавать такие материалы и понять, какая конфигурация будет для этого оптимальной; во-вторых, изучить физические аспекты плазмон-экситонного взаимодействия и понять, как они влияют на эффективность двухфотонного поглощения и излучения; в-третьих, применить эти материалы при создании реальных прототипов оптоэлектронных элементов и/или фотовольтаических ячеек.

Один из аспектов исследования опирается на предыдущий опыт Кривенкова в рамках кандидатской диссертации. Как признаётся ученый: «…именно тогда я задумался насчет применения этого эффекта в оптоэлектронике. В 2017 году я начал заниматься также изучением процессов взаимодействия плазмонных наночастиц с флуоресцентными красителями, что натолкнуло меня на мысль дополнительно улучшить плазмонными наночастицами ранее разрабатываемый мной материал».

Но другая часть проекта, связанная с двухфотонным испусканием, по словам Виктора Кривенкова, является результатом совместной научной дискуссии с коллегами. «Мы пришли к мысли, что было бы интересно создать такие материалы, в которых реализовывались бы оба эффекта, притом, что фундаментального противоречия между ними нет», - объяснил сотрудник МИФИ.

В команду Кривенкова, где он управляет оптическими экспериментами и теоретической работой, вошли не только сотрудники лаборатории, но и студенты МИФИ, интересующиеся областью спектроскопии и лазерной физики. Они займутся проектированием и созданием материалов и будут помогать в некоторых экспериментах. Очевидно, что будущие ученые могут получить здесь опыт и знания, что важно для развития научного кадрового потенциала университета.

Участники проекта будут обращаться к достаточно сложным методикам на современных оптических установках, таким как, кросс-корреляционная спектроскопия с использованием установки MicroTime 200 и спектроскопия при двухфотонном возбуждении с использованием фемтосекундного лазера Tsunami (Spectra Physics). «Большую часть материалов для экспериментов мы будем синтезировать сами на базе уникального химического оборудования в лаборатории нано-биоинженерии НИЯУ МИФИ», - пояснил Виктор Кривенков, уточнив, что «фемтосекундный лазер расположен в МИФИ, а установка MicroTime 200 находится в Центре Физики Материалов города Сан-Себастиан (Страна Басков, Испания). Международная лаборатория гибридных фотонных наноматериалов, сотрудником которой я являюсь, взаимодействует в проведении научных проектов с этим центром».

Проект «Двухфотонные процессы…» рассчитан на три года, и к его реализации исследователи уже приступили. «В первый год мы будем заниматься проектированием, моделированием и созданием материалов разной конфигурации и исследовать их свойства, результатом чего мы ожидаем феноменологическую модель, которая потом позволит гибко подбирать те свойства, которые нам потребуются. Второй год будет продолжать исследования первого года, но будет сконцентрирован на оптимизации выбранных композиций, уточнении модели и фундаментальных исследованиях, а на третий год запланировано создание и оптимизация прототипов реальных оптоэлектронных ячеек, в результате чего мы хотим увидеть, насколько же реально можно улучшить их эффективность при помощи этих эффектов», - рассказал о планах своей рабочей группы руководитель Виктор Кривенков.

Бесспорно, в оптоэлектронике уже есть ряд разработок на основе квантовых точек, но эти материалы имеют свои недостатки. «Современные исследования дают основание предположить, что эти недостатки можно устранить путем добавления в эти материалы металлических частиц нанометрового размера. Суть нашего проекта – создать прототипы реальных устройств на основе улучшенных материалов и количественно оценить, как увеличилась их эффективность», - нацелен молодой учёный МИФИ, выигравший грант.

 
Название изображения 
 

Рисунок 1. Принцип работы гибридного материала на основе плазмонных наночастиц (ПНЧ) и полупроводниковых квантовых точек (КТ), в котором реализуется плазмонное усиление двухфотонного поглощения. Световое возбуждение ПНЧ внешним

электромагнитным полем с частотой близкой к плазмонному резонансу приводит к резкому усилению амплитуды этого поля вблизи поверхности ПНЧ. В случае, когда частота такого поля одновременно с этим соответствует двухфотонному переходу в КТ, вероятность двухфотонного перехода вблизи ПНЧ будет увеличиваться на порядки вследствие того, что эта вероятность квадратично зависит от амплитуды поля. Для создания гибридного материала такого типа в первых экспериментах планируется использовать электростатическое или химическое связывание ПНЧ и водорастворимых КТ, подобно тому как это сделано работе X. Li, F. Kao, and C. Chuang, Opt. Express, vol. 18, no. 11, pp. 14266–14274, 2010. В качестве ПНЧ планируется изначально взять золотые наностержни, т.к. они могут иметь плазмонный резонанс в ближнем ИК диапазоне; в качестве разделителя КТ и ПНЧ, изначально будет выступать оболочка SiO2, покрывающая ПНЧ; в качестве экситонного материала будут использованы высоколюминесцентные водорастворимые КТ с ядром CdSe и многокомпонентной оболочкой, покрытые производными полиэтиленгликоля.

 
Название изображения 
 

Рисунок 2. Принцип работы гибридного материала на основе плазмонных наночастиц (ПНЧ) и полупроводниковых квантовых точек (КТ), в котором реализуется плазмонное усиление биэкситонной люминесценции (двухфотонного испускания). На панели А показано как экситон в КТ может релаксировать с образованием биэкситона и как это влияет на квантовую эффективность фотовольтаических элементов (график взят из работы Beard, M. C., Johnson, J. C., Luther, J. M., & Nozik, A. J. (2015). Phil. Trans. R. Soc.A, 373(2044), 20140412.). На панели Б показано как добавление плазмонных наночастиц

приводит к возрастанию центральной части кросс-корреляционной функции, т.е. вероятности биэкситонной люминесценции. Для создания такого материала изначально планируется использовать технологию послойного нанесения методом спин-коатинга. В первых экспериментах планируется осуществлять разделение КТ и ПНЧ слоем ПММА контролируемой толщины как в работе J. Yuan, C. T., Yu, P., Ko, H. C., Huang, J., Tang, ACS Nano, vol. 3, no. 10, pp. 3051–3056, 2009 и послойным нанесением полиэлектролитов как в работе V. K. Komarala et al., Appl. Phys. Lett., vol. 89, no. 25, 2006. В качестве ПНЧ

планируется изначально взять золотые наностержни, а в качестве экситонного материала будут использованы высоколюминесцентные КТ с ядром CdSe и многокомпонентной неорганической оболочкой, т.к. в такой структуре нами уже были получены предварительные результаты по биэкситонной люминесценции, подтверждающие ее работоспособность: Гончаров С.А., Кривенков В.А., Самохвалов П.С., Набиев И.Р., Ракович Ю.П. «Люминесцентные свойства тонкопленочного наногибридного материала из квантовых точек и золотых наностержней», Сборник научных трудов VII Международной конференции «Фотоника и информационная оптика» (Москва, 24-26 января 2018 г.), С. 356-357.

Олеся Фарберович

Похожие новости

  • 20/07/2018

    Физики из России создали «лампочку» из оптоволокна, работающую в космосе

    ​Российские ученые создали прототип оптоволоконных источников света, способных работать в космосе и не разрушаться под действием радиации. "Инструкции" по их сборке были опубликованы в Journal of Lightwave Technology.
    212
  • 13/12/2017

    Российский физик нашел новый способ запустить термоядерную реакцию

    Физик из МГУ и Института прикладной математики РАН доказал, что термоядерную реакцию можно запустить, используя уже существующие ускорители плазмы и магнитные ловушки, что может ускорить создание чистых источников энергии, говорится в статье, опубликованной в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
    717
  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    1129
  • 20/02/2016

    В Антарктиде испытают аэростатную установку для изучения космических лучей

    ​Инновационный прибор "СФЕРА_антарктида" аналогов которому нет в мире, разработали в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, сообщает ТАСС. "Наш прибор способен регистрировать прохождение через атмосферу Земли космических лучей различных типов.
    622
  • 22/12/2015

    Российскими учеными создан бесконтактный детектор лжи

    ​В НИЯУ «МИФИ» разработали бесконтактный детектор лжи, который за 20 секунд может определить говорит человек правду или нет. Принцип работы инновационного устройства схож с обычным детектором лжи: прибор сравнивает, как меняются реакции человека в состоянии эмоционального напряжения.
    1353
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    117
  • 10/09/2018

    Физики изучили свойства плазмонов в наноструктурированном графене

    Группа ученых из России и Австрии продемонстрировала, что взаимодействие между плазмонными колебаниями в наноструктурированном графене приводит к сильному сдвигу спектра поглощения света в дальнем инфракрасном диапазоне.
    145
  • 15/12/2017

    Российские ученые исследовали взаимодействия одиночных импульсов

    ​Российские ученые изучили поведение одиночных импульсов волн - однократных возмущений, распространяющихся в пространстве или в среде, - при их столкновении в нелинейных средах. Результаты работы ученых из России и Швеции опубликованы в журнале Nonlinear Dynamics.
    657
  • 16/10/2018

    Профессор Ильдар Габитов: электроника зашла в тупик

    ​Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры... Все это плоды одной и той же науки - фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, "Огоньку" рассказал профессор Сколтеха Ильдар Габитов.
    95
  • 25/01/2016

    Российские ученые разработали новую биосенсорную тест-систему для анализа крови

    ​Отныне анализ крови станет не сложнее теста на беременность, благодаря новой разработке исследователей из ИОФ РАН и МФТИ. Речь идет о новой  биосенсорной тест-системе, основанной на применении магнитных наночастиц и предназначенной для очень точного измерения концентрации белковых молекул (например, так называемых «маркеров», которые указывают на начало или развитие заболеваний) в различных образцах, включая непрозрачные или сильно окрашенные жидкости.
    1667