Сверхбыстрые лазерно-индуцированные процессы в слоистых материалах с графеноподобной электронной структурой.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-72-10303

НазваниеСверхбыстрые лазерно-индуцированные процессы в слоистых материалах с графеноподобной электронной структурой.

Руководитель Образцов Петр Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова графен, топологические изоляторы, слоистые материалы, дираковские материалы, терагерцы, терагерцовая спектроскопия, фемтосекунды, лазеры ультракоротких импульсов, время-разрешенная спектроскопия, фототоки, фотогальванические эффекты, динамика релаксации

Код ГРНТИ29.33.47, 29.33.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование взаимодействия интенсивного лазерного излучения с различными слоистыми материалами обладающими графеноподобной электронной структурой. В проекте будут исследоваться дихалькогениды переходных металлов MX2 (M=Mo,W; X=S,Se,Te) и узкозонные полупроводниковые соединения V-VI групп, обладающие свойствами топологических изоляторов. Уникальные физические свойства слоистых соединений типа MoS2, MoSe2, Sb2Te3 и Bi2Te3, открывают широкие перспективы использования этих материалов в оптоэлектронике и спинтронике. Так, например слоевая металлическая проводимость, связанная с поверхностным спин-поляризованным топологическим состоянием, в сочетании с полупроводниковыми свойствами объемного кристалла Bi2Te3, могут быть использованы для реализации сверхбыстрых оптоэлектронных устройств и эффективных генераторов/приемников электромагнитного излучения терагерцового (~10^12 Гц ) спектрального диапазона. Однако, несмотря на существенный прогресс в теоретическом исследовании свойств и электронной структуры графеноподобных 2D и 3D материалов, экспериментальные работы направленные на практическое применение данных материалов, по сути, единичны. Поэтому предлагаемый проект предполагает проведение комплексного экспериментального исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с объемными кристаллами и тонкими пленками соединений MoS2, MoSe2, Bi2Se3 и Bi2Te3. В рамках проекта будет исследовано взаимодействие поверхностных и объемных электронов, спинов и фононов при возбуждении объемных и планарных образцов ультракороткими (пико- и фемтосекундными) лазерными импульсами широкого спектрального диапазона (от УФ до ближнего ИК). Будет исследована динамика релаксации возбужденных носителей и определены физические механизмы, отвечающие за возбуждение сверхбыстрых фототоков и генерацию ТГц излучения, измерены основные характеристики генерируемого излучения и определена их связь с параметрами лазерного возбуждения и свойствами исследуемых материалов (тип соединения, размеры и ориентация кристаллов, проводимость). Результаты предлагаемого исследования позволят определить основные механизмы взаимодействия лазерного излучения с материалами, обладающими электронными свойствами схожими с графеном и топологических изоляторов и осуществить эффективную генерацию ТГц излучения. В результате выполнения проекта будут выработаны рекомендации для дальнейшего применения слоистых материалов с Дираковской зонной структурой в разработке принципиально новых сверхбыстрых оптоэлектронных устройств. Актуальность: В последние годы интерес к изучению различных двумерных материалов постоянно растет. Вслед за экспериментальной демонстрацией отделения и стабильного существования моноатомного слоя углерода- графена в 2004, большое количество исследований направлено на получение двумерных слоев таких материалов как: hBN, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, Bi2Se3, Bi2Te3 итд. Благодаря атомной толщине, и наличию поверхностных электронных состояний такие изолированные двумерные слои обладают уникальными механическими, электронными и оптическими свойствами, существенно отличающимися от свойств исходного объемного материала. Разработка методов получения и изучение свойств этих материалов привлекает интерес как с фундаментальной точки зрения, так и для ряда перспективных применений. Например, многоатомные слои дихалькогенидов переходных металлов демонстрируют широкий спектр электронных свойств: от диэлектрических до полупроводниковых, полуметаллических и металлических. Таким образом, данные материалы являются крайне перспективными для применений в таких областях как оптоэлектроника наноэлектроника и нанофотоника. Научная новизна: Научная новизна предлагаемого проекта в первую очередь определеятся самим объектом исследований. Существование топологически-защищенных поверхностных состояний в объемных полупроводниковых соединениях V-VI групп впервые было продемонстрировано менее 10 лет назад . С тех пор во всем мире применяется множество методов для исследования магнитных, электронных и оптических свойств таких соединений. Необычные физические свойства таких материалов как: hBN, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, Bi2Se3, Bi2Te3 привлекают значительный интерес к изучению этих материалов, как с точки зрения фундаментальной науки, так и для широкого круга приложений в том числе в электронике, оптоэлектронике и спинтронике. Особый интерес представляет применение этого нового класса материалов для разработки эффективных источников приемников ТГц излучения и устройств сверхбыстрой оптоэлектроники.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Еремин Т.В., Образцов П.А., Великанов В.А., Шубина Т.В., Образцова Е.Д. Spectroscopic signatures of many-particle energy levels in non-covalently doped single-wall carbon nanotubes arXiv, arXiv:1805.01502 Sun, 29 Apr 2018 14:12:12 GMT (1533kb) (год публикации - 2018)

2. Ерёмин Т.В., Образцов П.А., Великанов В.А., Шубина Т.В., Образцова Е.Д. Many-Particle Excitations in Non-Covalently Doped Single- Wall Carbon Nanotubes The Journal of Physical Chemistry (год публикации - 2019)

3. Образцов П.А., Ляшенко Д., Чижов П.А., Кониши К., Немото Н., Кувата-Гоноками М., Велч Э., Образцов А.Н., Захидов А. Ultrafast zero-bias photocurrent and terahertz emission in hybrid perovskites Communications Physics, 1, Article number: 14 (год публикации - 2018)
10.1038/s42005-018-0013-8

4. Образцова Е.Д., Ерёмин Т.В., Образцов П.А., Рыбин М.Г., Тонких А.А., Цебро В.И., Рыбковсий Д.В., Кондрашов И.И., Кауппинен Е.И., Охно Ю. Single-wall carbon nanotube or graphene non-covalently doped with acceptor molecules Book of abstracts of XXXII International Winterschool (Euroconference) on Electronic Properties of Novel Materials, March, 17-24, Kirchberg (Austria), THU-22, p.133. (год публикации - 2018)

5. М.В. Понарина, А.Г. Охримчук, М.Г. Рыбин, П.А. Образцов ГГЦ ЧАСТОТА ПОВТОРЕНИЯ ПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ В ВОЛНОВОДНОМ ND:YAG ЛАЗЕРЕ Журнал Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук "КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ ПО ФИЗИКЕ" (год публикации - 2019)

6. Каплас Т., Бабаэян М., Кромей Б., Баах М., Образцов П., Ахунди Ф., Пхембариан Н., Киу К., Свирко Ю. Strong optical nonlinearity of ultrathin graphitic films synthesized on dielectric substrates Advanced Optical Materials (год публикации - 2019)

7. Яао Ж., Хаунг Ю., Жу Л., Oбразцов П.А., Ду В., Жанг Л., Ксу К. Interfacial THz generation from graphene/Si mixed-dimensional van der Waals heterostructure ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2019)

8. М. В. Понарина, А. Г. Охримчук, М. Г. Рыбин, М. П. Смаев, Е. Д. Образцова, А. В. Смирнов, И. В. Жлуктова, В. А. Камынин, Т. В. Долматов, В. В. Букин, П. А. Образцов Dual-wavelength generation of picosecond pulses with 9.8 GHz repetition rate in Nd : YAG waveguide laser with graphene Quantum Electronics, 49, 4, 365–370 (год публикации - 2019)
10.1070/QEL16983

9. М. В. Понарина, А. Г. Охримчук, М. Г. Рыбин, П. А. Образцов GHz repetition rate of picosecond pulses in waveguide Nd:YAG laser BULLETIN OF THE LEBEDEV PHYISICS INSTITUTE (год публикации - 2019)
10.3101/s1068335619030072

10. Образцов П.А., Чижов П.А., Каплас Т., Букин В.В., Силвенноинен М., Хсие Ч-Ф., Кониши К., Немото Н., Гоноками К-М. Coherent detection of terahertz radiation with graphene ACS Photonics (год публикации - 2019)

11. Образцов П.А., Хасан Т., Зипей С. Towards inkjet-printed 2D heterostructures: ultrafast dynamics. - (год публикации - 2019)

12. Мариан Баах, Петр Образцов, Алеся Паддубская, Андрюс Бичунас, Сари Суванто, Томми Каплас. Physical properties of multifunctional graphitic films synthesized on dielectric surfaces by nickel nanolayer assisted catalysis - (год публикации - 2019)

13. П.А. Образцов, Д. Ляшенко, П.А. Чижов, К. Кониши, Н. Немото, М. Кувата-Гоноками, Э. Велч, А.Н. Образцов, А. Захидов Ultrafast zero-bias photocurrent and terahertz emission in hybrid perovskites Communications Physics, Springer Nature, 1, 14 (2018) (год публикации - 2018)
10.1038/s42005-018-0013-8

14. Образцов П.А., Ляшенко Д., Чижов П.А., Кониши К., Немото Н., Кувата-Гоноками М., Велч Э., Образцов А.Н., Захидов А. Ultrafast polarization control of zero-bias photocurrent and terahertz emission in hybrid organic perovskites arXiv (год публикации - 2017)

Публикации

11. Образцов П.А., Хасан Т., Зипей С. Towards inkjet-printed 2D heterostructures: ultrafast dynamics. - (год публикации - 2019)