Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники

Научные результаты:

Лаборатория является одним из основателей нового направления в России – кремниевая и диэлектрическая нанофотоника для применения в оптоэлектронике, а также нанофотонных устройств на основе полупроводниковых наноструктур. Лабораторией активно исследуются эффекты, связанные с нелинейным взаимодействием мощных фемтосекундных лазерных импульсов с кремнием и другими диэлектриками и полупроводниками. В рамках этого направления показано, что при помощи лазерных импульсов возможно создание всевозможных кремниевых наноструктур. Были также предложены новые нанофотонные устройства для модуляции оптического сигнала дизайнов полупроводниковых наноструктур и опубликованы в ведущих международных изданиях. Лабораторией также впервые экспериментально и теоретически показана возможность прецизионной лазерной перестройки диаграммы направленности рассеяния одиночной «гибридной» (металло-диэлектрической) наноантенны, состоящей из кремниевой и золотой наночастиц, практически во всем видимом диапазоне. Это открыло новые возможности для сверхплотной оптической записи цветовой информации со скоростями присущими самым передовым лазерным технологиям. Более того, успешно разработан ряд методов высокопроизводительного создания различных диэлектрических и гибридных наноструктур для задач нанофотоники. В частности, лабораторией впервые в России был применен метод лазерной печати наночастиц и впервые предложена его существенная оптимизация, удешевляющая технологию, основанная на том, что кристаллические кремниевые наночастицы могут быть получены из недорогих аморфных пленок невысокого начального качества. Также лазерная печать золото-кремниевых наночастиц впервые в мире позволила создавать субволновые источники белого света (длины волн эмиссии от 400 до 950 нм), а также создать на основе них белосветный ближнепольный микроскоп, который позволяет на порядок быстрее проводить сканирование различных нанообъектов в широком диапазоне длин волн по сравнению с коммерчески доступными микроскопами. Данная разработка дополнительно защищена патентом на изобретение. Лабораторией инициировано новое направление – перовскитная нанофотоника, ставящее своей задачей развить новую платформу для генерации, передачи и модуляции оптического сигнала. Действительно, галогенидные перовскиты (например, APbX₃, A – это катион (например, Cs или молекулы CH3NH3), а X – это анион на основе одного или нескольких галогенов йода (I), брома (Br) и хлора (Cl)) являются прямозонными полупроводниками, которые обладают высокой квантовой эффективностью люминесценции, гораздо более устойчивой к дефектам кристаллической структуры. Впервые экспериментально продемонстрированы наноантенны и метаповерхности из данного материала, а также показана возможность простой перестройки их оптических резонансов во всем видимом диапазоне за счет вариации галогенов. Использование передовых методов лазерной абляции позволило создавать микродисковые лазеры из перовскитов миллионами за считанные минуты. Также лабораторией впервые разработана концепция интеграции кремниевых наноантенн в перовскитные оптоэлектронные устройства, когда резонансные кремниевые наночастицы улучшили солнечный элемент из органо-неорганического перовскита и довели его эффективность до уровня 21%. Кроме того, продемонстрирован самый компактный в мире полупроводниковый лазер (кубоид с размером 310 нм) с оптической накачкой, работающий при комнатной температуре в видимом диапазоне (длина волны излучения около 530 нм).

Внедрение результатов исследования:

За время существования лаборатории наработан богатый опыт и получен ряд патентов по технологиям изготовления перовскитных устройств оптоэлектроники – светодиодов солнечных элементов. В настоящее время лаборатория сотрудничает с Российским центром гибкой электроники (г. Троицк), который распологает чистыми зонами седьмого класса с промышленными установками для нанесения тонких пленок методами мокрой химии по технологии щелевого капиллярного нанесения (эструзии) slot die, лабораторный вариант которой реализован в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники. Ожидается, что данное сотрудничество может привести к появлению перовскитных устройств оптоэлектроники на отечественном рынке.

Образование и переподготовка кадров:

• Подготовлены и защищены 4 кандидатские и 7 магистерских диссертаций.

• Сотрудники разработали и читают семестровый англоязычный курс для магистров Университета ИТМО «Экспериментальные методы нанофотоники».

• Руководитель лаборатории С.В. Макаров является организатором ежегодной международной Школы для молодых ученых «SLALOM».

Организационные и инфраструктурные преобразования:

За время первого этапа работы лаборатории в 2017-2019 гг. создан уникальный комплекс измерительных и технологических установок на основе системы перчаточных гловбоксов, полностью оснащенной химической лаборатории, а также систем оптической характеризации наноматериалов и оптоэлектронных устройств. В 2021 году был подготовлен к вводу в эксплуатацию новый химический участок.

Помимо этого, в 2020 году в лаборатории был организован свой небольшой механический участок для оперативного проведения механических, слесарных и технологических работ, неизбежно возникающих при проектировании оптоэлектронных тонкопленочных устройств и разработке технологических оснасток для их изготовления и характеризации.

Сотрудничество:

Городской университет Гонконга, Харбинский инженерный университет (Китай), Римский университет Тор Вергата (Италия), Австралийский национальный университет (Австралия): совместные исследования.