Лаборатория фотоники функциональных наноматериалов

Научные результаты:

• Разработаны новые синтетические подходы к получению коллоидных перовскитных нанокристаллов со структурой ядро-оболочка типов CsPbBr₃-CdS и CsPbBr₃-SiO₂. Нанокристаллы проявили высокую стабильность структурных и оптических свойств в водных растворах и эффект подавления Оже рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда за счет наличия оболочки. Впоследствии, нанокристаллы CsPbBr₃-SiO₂ были использованы для двухфотонной визуализации биологических объектов, а CsPbBr₃-CdS - для самосборки сверхрешеток микронного размера, показывающих стабильную во времени фотолюминесценцию при их возбуждении УФ излучением.
• Разработан метод синтеза перовскитных нанокубоидов состава CsPbBr₃, поддерживающих оптические резонансы типа Ми. Полученные нанокубоиды были нанесены на металл-диэлектрические подложки, которые позволили наблюдать низкопороговую лазерную генерацию в перовскитных резонаторах. Была подтверждена поляритонная природа лазерной генерации. Обнаружено, что одномодовая поляритонная лазерная генерация происходит в нанокубоиде с размером грани 190 нм.
• Методом перекристаллизации под давлением тонких поликристаллических пленок CsPbBr₃ с размером перовскитных зерен 0.1-0.2 мкм были получены пленки с улучшенной кристалличностью зерен большего размера (до 17 мкм). Пленки с толщиной 100 нм проявили рекордный для данного вида перовскита коэффициент оптического усиления 12900 см^-1. Из пленки был получен массив микродисков, проявивших низкопороговую (14 мкДж см^-2) и высокодобротную (Q = 1800) лазерную генерацию.
• Изготовлены гибкие визуализаторы инфракрасного лазерного излучения на основе кремниевых нитевидных микрокристаллов, внедренных в полимерную мембрану. Разработана новая платформа на основе перовскитных нано- и микролазеров, интегрированных с одномерным фотонным кристаллом, для управления направленностью лазерного излучения и его распространения на микромасштабе. Изготовлены прототипы перовскитных детекторов терагерцового лазерного излучения. Разработана и апробирована модель нелинейного оптического нагрева кремниевой частицы при ее взаимодействии с лазерным излучением на частоте близкой к резонансной частоте частицы.   
• Продемонстрирована эффективная генерация третьей гармоники в массивах кремниевых нитевидных микрокристаллов, инкапсулированных в полимерной мембране. Массивы были изготовлены с применением методов литографии (с использованием полистирольных микросфер) и сухого травления кремниевой подложки. Теоретически и экспериментально установлено, что оптические резонансы, поддерживаемые нитевидными кристаллами, определяют спектральные характеристики генерации третьей гармоники. При этом интенсивность сигнала генерации на резонансной длине волны в несколько раз выше по сравнению с соответствующим значением на длинах волн вблизи резонансной. Определена зависимость интенсивности генерации от длины волны накачки для массивов нитевидных кристаллов. Показано, что изготовленные композитные мембраны эффективно преобразуют инфракрасное излучение в широком спектральном диапазоне (λ = 1200-1900 нм) в видимый свет. В то же время, мембраны являются гибкими и полупрозрачными для проходящего через них инфракрасного излучения.
• Выполнена интеграция перовскитных нано- и микролазеров с одномерным фотонным кристаллом (ФК), поддерживающим эффективное возбуждение и дальнее распространение блоховских поверхностных волн (БПВ). ФК обеспечивает распространение когерентного излучения перовскитного лазера на расстояние не менее 50 мкм. Полученные экспериментальные результаты согласуются с численными расчетами, подтверждающими эффективность перекачки лазерного излучения в БПВ более 16%. Обнаружено, что направленность БПВ зависит от длины перовскитного резонатора и от эффективного показателя преломления БПВ. В отличие от перовскитных нанолазеров с субволновыми размерами, микролазеры с размерами граней больше длины излучаемой волны поддерживают узконаправленные БПВ с углом расхождения 9±2°. Более того, плоскостной изотропный закон дисперсии БПВ позволяет смещать и направлять луч лазерной генерации в зависимости от ориентации пучка возбуждающего излучения.
• Для органо-неорганических галогенидных перовскитов MAPbI3 и MAPbBr3 продемонстрировано обнаружение распространяющихся в свободном пространстве терагерцовых импульсов. Сверхбыстрое изменение проводимости, происходящее в перовскитных монокристаллах и поликристаллических пленках при их возбуждении фемтосекундным лазером, позволяет эффективно регистрировать терагерцовое излучение. Результаты демонстрируют пригодность галогенидных перовскитов для изготовления фотопроводящих детекторов терагерцового излучения и возможность их масштабирования.
• Разработан новый теоретический подход к оптимизации процесса нелинейного оптического нагрева кремниевого резонатора. Предлагаемая система на основе моды сверхрезонатора в цилиндрических кремниевых частицах позволяет эффективно преобразовывать падающий на частицу свет в тепло при условии отстройки частоты падающего излучения от частоты моды. Выявлен режим бистабильности в условиях оптического нагрева при интенсивности падающего излучения около 1 мВт/мкм².

Образование и переподготовка кадров:

• Сотрудники лаборатории выступили с докладами на научной школе «SLALOM» (28-30 июня 2021 г., Владивосток, Россия).
• В 2021-2022 годах были проведены 6 стажировок аспирантов лаборатории в Университете Билкент (Турция).   

Организационные и инфраструктурные преобразования:

На базе лаборатории создана инфраструктура как для синтеза уникальных наноматериалов, так и для измерения их свойств для задач лазерной генерации. На базе собранных установок проводятся также и лабораторные практики для студентов Университета ИТМО.

Сотрудничество:

• Российский центр гибкой электроники (Россия): сотрудничество в области новых материалов и наноматериалов для фотодетекторных и дисплейных матриц.
• АО «СКТБ «Кольцова»: работы по поиску подходов к созданию сегментных светодиодов и светоизлучающих матриц на базе новых наноматериалов.
• ПАО «Газпром нефть»: проведен проект «Изучение технологий и способов применения гибкой электроники», посвященный поиску существующих решений и технологий (в том числе аддитивных) гибкой электроники применительно к IoT/IIoT, носимым устройствам.