Лаборатория фотоники функциональных наноматериалов

Научные результаты:

• Изготовлены образцы нанокристаллов и наноструктур из материалов типа ABX₃ (где X - галоген), а также из полупроводников II-VI. В том числе синтез нитевидных нанокристаллов, а также пленок из нанокристаллов для их дальнейшего наноструктурирования.
• Разработана теоретическая модель нанорезонатора на основе одиночной полупроводниковой наночастицы наиболее оптимальной для лазерной генерации при комнатной температуре. Рассчитаны зависимости добротности от материала и морфологии подложки.
• Разработана теоретическая модель нанорезонатора, представляющего собой одномерный массив наночастиц, поддерживающий высокодобротные фотонные состояния для задач лазерной генерации, а также адаптированный для изготовления из полупроводниковых нитевидных нанокристаллов.
• Созданы дизайны метаповерхностей, одновременно обеспечивающих режим критической связи на частоте накачки и частоте лазерной генерации, что одновременно позволит снизить порог генерации и увеличить выводимую мощность из лазера.
• Синтезированы перовскитные пластинчатые микрокристаллы CsPbCl₃ на метаповерхности из фосфида галлия. Получены спектры фотолюминесценции образцов, зависимости интенсивности фотолюминесценции от мощности однофотонного и двухфотонного оптического возбуждения образцов.
• Создан образец тонкой пленки перовскитных нанокристаллов CsPbBr₃ на кремниевой метаповерхности. Получено изображение сканирующей электронной микроскопии образца. Установлена зависимость интенсивности фотолюминесценции образца от длины волны оптической накачки при одинаковой мощности возбуждающего лазерного излучения.
• Разработан метод прямого фемтосекундного лазерного наноструктурирования светоизлучающих пленок, осажденных из коллоидного раствора нанопластинок (НПЛ) CdSe/CdZnS с конфигурацией ядро/оболочка. Определены геометрические параметры наноструктуры (одномерной решетки), при которых наблюдается усиления фотолюминесценции НПЛ.
• Получены образцы перовскитных детекторов ТГц излучения. Установлены зависимость фототока от характера ТГц оптической накачки тонких пленок и монокристаллов MAPbI₃ и MAPbBr₃ при стробировании образцов импульсным УФ лазерным излучением.
• Получены новые дырочно-транспортные материалы. Многослойные перовскитные оптоэлектронные устройства. АСМ-изображения морфологии тонких пленок дырочно-транспортных материалов. Результаты теста временной стабильности функционирования устройств.
• Разработан подход к формированию углеродных точек (УТ), основанный на ударном лазерном нагреве. Спектры фотолюминесценции УТ. Изображения просвечивающей электронной микроскопии УТ. Данные рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии УТ.
• Продемонстрировано эффективное управление лазерным излучением в гибридной системе полупроводниковый микродисковый лазер-кремниевая наночастица посредством магнито-дипольного (МД) и магнито-квадрупольного (МК) Ми-резонансов. Изготовленные микродисковые лазеры (МДЛ) с квантовыми точками InAs/InGaAs поддерживают режим лазерной генерации с λ = 1285 нм на основной магнитной поперечной моде 1,46 при комнатной температуре. Обнаружено, что наночастицы сдвигают пики лазерной генерации МДЛ менее, чем на 1 нм, и способствуют снижению порога генерации на 25 % и 14 % в случае МД и МК-наночастицы, соответственно. Определена направленность выведенного из МДЛ излучения для обоих случаев.
• Разработана модель нанофотонного дизайна, состоящего из двух кремниевых нанопараллелепипедов покрытых тонким слоем материала с фазовым переходом (Sb₂Se₃, GeSbTe), демонстрирующих спектральную перестройку или эффект выключения-включения высоко добротного оптического резонанса типа квази-связанных состояний в континууме (квази-ССК), подходящего для наблюдения на его частоте лазерной генерации.
• Разработан теоретический подход для оптимизации оптического нагрева резонатора в нелинейном режиме, который способен вызывать спектральную перестройку лазерного излучения. Новый нанофотонный дизайн, основанный на моде суперрезонатора в цилиндрических частицах легированного кремния, демонстрирующий эффективное преобразование света в тепло.
• Разработан спектрально перестраиваемй лазер на основе одиночного перовскитного нитевидного нанокристалла CsPbBr₃, взаимодействующего с газом HCl. Модель, описывающая связь формирования структуры с величиной спектрального сдвига лазерной лини в нанокристалле типа сердцевина-оболочка.
• Показано, что пленка CsPbBr3, полученная методом высокотемпературной перекристаллизации под давлением, с оптимизированной толщиной ≈100 нм демонстрирует значения модального усиления более 10000 см–1, что является рекордным значением среди объемных перовскитных материалов. Подобные пленки позволят изготавливать различные литографические фотонные структуры.
• Достигнута поляритонная лазерная генерация при комнатной температуре, опосредованная исключительными точками, в нелокальной перовскитной метаповерхности, изготовленной методом наноимпринт литографии. Исследованный фотонный дизайн способен привести к созданию недорогих лазеров непрерывного действия и лазеров с электрической накачкой, необходимых для применения в промышленности.
• Подтверждена экситон-поляритонная природа лазерной генерации в тонких перовскитных пленках и нитевидных нанокристаллах, с последующей демонстрацией безинверсионного Ми-резонансного нанолазера с размером 200 нм. Разработанный подход перспективен для дальнейшей компактизации когерентных источников видимого спектра излучения и реализации нанофотонных устройств нового поколения.
• Изготовлено фотонное устройство, состоящее из перовскитового микролазера и волновода TiO₂, с использованием струйной печати. Дальнейшее развитие струйной печати позволит производство оптических чипов с полностью напечатанными фотонными элементами.
• Продемонстрировано бифункциональное перовскитное светоизлучающее устройство/детектор света на кремниевой подложке и доказан его высокий технологический потенциал.
• Впервые исследована низкотемпературная электролюминесценция микроструктур типа МПМ на основе одиночных пластинчатого и нитевидного микрокристаллов CsPbBr₃.  В микроструктурах достигнута высокая плотность тока (более 2 КА см^-2), достаточной, по достоверной оценке, для наблюдения лазерной генерации при электрическом возбуждении. 

Образование и переподготовка кадров:

Стажировки:

7 аспирантов (Хмелевская Д., Азизов Р.Р., Аношкин С.С., Машарин М.А., Маркина Д.И., Тонкаев П.А., Глебов Н.В.) прошли стажировки в Университете Билкент (Турция) за весь период реализации проекта.

1 аспирант (Марунченко А.) прошел стажировку в Лундском университете (Швеция)

1 аспирант (Сапожникова Е.В.) прошла стажировку в Пекинском технологическом университете (Китай).

Защита диссертаций:

Маркина Дарья Игоревна. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук «Спектрально перестраиваемая лазерная генерация в свинцово-галогенидных перовскитных нитевидных микро- и нанокристаллах».

Кошелев Кирилл Леонидович. Диссертация на соискание ученой степени PhD “Advanced trapping of light in resonant dielectric metastructures for nonlinear optics”.

Мезенов Юрий Анатольевич. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук “Взаимодействие лазерного излучения с гибкими металл-органическими каркасами: структурная модификация и нелинейно оптический отклик”. Машарин Михаил Алексеевич. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук «Нелинейные экситон-поляритонные свойства планарных оптических резонаторов на основе галогенидных перовскитов».

Тонкаев Павел Андреевич. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук «Управление скоростью и интенсивностью излучательной рекомбинации в структурах на основе галогенидных перовскитов».

Верхоглядов Григорий Андреевич. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук “Исследование ионной миграции в органо-неорганических перовскитах для реализации солнечных элементов и светодиодов”.

Корякина Ирина Георгиевна. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук “Вариация структурных и оптических свойств оптически чувствительных нано- и микроразмерных кристаллов с помощью микрофлюидных технологий”. 

Сотрудничество:

• “Российский центр гибкой электроники” (РЦГЭ), г. Троицк - единственный на сегодняшний день пилотный завод по производству гибких TFT-матриц на базе IGZO технологии. С 2021 года ведется активное сотрудничество в области новых материалов и наноматериалов для фотодетекторных и дисплейных матриц.
• ОАО “СКТБ “Кольцова” - Компания специализируется в разработке и производстве систем ввода-вывода информации с пятой приемкой (https://koltsov-kb.ru/). На сегодняшний день ведутся работы по поиску подходов к созданию сегментных светодиодов и светоизлучающих матриц на базе новых наноматериалов.
• ПАО “Газпромнефть”. В 2022 году для заказчика был проведен проект “Изучение технологий и способов применения гибкой электроники”, посвященный поиску существующих решений и технологий (в том числе аддитивных (3D печать) гибкой электроники применительно к IoT/IIoT, носимым устройствам.  Анализ полученных решений и технологий, поиск рыночных предложений в области создания оборудования и устройств гибкой электроники для IoT/IIoT, носимым устройствам, выявление сценариев развития технологий/устройств гибкой электроники, в том числе на основе функциональных наноматериалов, на изучение которых направлена деятельность лаборатории.
• Общество с ограниченной ответственностью «Технологии органической и печатной электроники». ООО «ТОПЭ» является дочерним предприятием ОАО «ЦНИИ «Циклон», входящего в состав холдинга ОАО «Российская электроника» - крупнейшего отраслевого холдинга, основу которого составляют 123 предприятия электронной отрасли - ведутся переговоры в области сотрудничества по новым материалам для оптоэлектроники.
• «Лазерный Центр» - российская научно-производственная компания, которая объединяет специалистов высокой квалификации, имеющих уникальный опыт проектирования и изготовления лазерных систем, внедрения передовых лазерных технологий в различные производства (https://www.newlaser.ru/).