Нанотрубки и родственные наноструктуры дихалькогенидов переходных металлов: экситонные состояния, излучательные и структурные свойства

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 19-12-00273

НазваниеНанотрубки и родственные наноструктуры дихалькогенидов переходных металлов: экситонные состояния, излучательные и структурные свойства

Руководитель Шубина Татьяна Васильевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова Нанотрубки, Наноплателеты, Оболочечные наноструктуры, Излучение, Экситоны, MoS2, WS2, Микро-фотолюминесценция, ПЭМ, Микро-Раман, Магнитное поле, Оптические моды, 2H и 3R фазы, Зонная структура, Нанофотоника

Код ГРНТИ29.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В год подачи данного проекта закончился длительный «темный» (безызлучательный) период в истории нанотрубок дихалькогенидов переходных металлов, синтезируемых и активно изучаемых в течение последних 25 лет. Яркая люминесценция экситонного характера была обнаружена усилиями авторов проекта в одиночных нанотрубках MoS2 и WS2. Кратко содержание предлагаемого проекта можно сформулировать как комплекс исследований, охватывающий задачи от изучения особенностей экситонной люминесценции до получения квантового света из трубчатых структур. По сути, речь идет о проведении цикла исследований, аналогичного выполненному в области оптических исследований углеродных нанотрубок, начиная с открытия в них фотолюминесценции в 2002 г. Предварительные исследования авторов проекта показали, что ван-дер-ваальсовыe нанотрубки MoS2 и WS2, синтезированные методом химического транспорта, обладают уникальными оптическими свойствами. Несмотря на множество монослоев в стенках нанотрубок, излучение в области прямозонного экситона может доминировать в их спектрах, тогда как в рамках современных представлений в многослойных структурах ожидается лишь слабое излучение непрямозонного экситона (непрямого в импульсном пространстве). Температурные зависимости фотолюминесценции из нанотрубок отличаются неординарным характером: наблюдается полное подавление излучение непрямозонных экситонов при низкой температуре. Эти особенности предполагает сложную структуру спиновых состояний экситонов и сильное влияние взаимодействия с фононами. Возможно также формирование межслойных и междоменных экситонов вследствие хиральности, присущей нанотрубкам, и существования нескольких политипов и доменов в их стенках. Предлагаемое комплексное исследование посвящено не только прояснению причин отмеченных явлений, которые могут быть свойственны и родственным наноструктурам, таким как нано-роллы, 2D оболочечные структуры, складки 2D слоев и изогнутые наноплателеты. Предполагается расширить наши знания в области оптики и спиновой физики трубчатых структур, процессов релаксации и рекомбинации в сложных многоуровневых системах, взаимосвязи архитектуры нанотрубок и их оптических свойств. Планируемые исследования разбиваются на три блока: 1) Теоретические исследования энергетической и спиновой структуры состояний экситонов в трубчатых структурах, включающей светлые и темные состояния различной природы, процессов релаксации возбуждения и рекомбинации с участием и без участия фононов при наличии конкурирующих каналов. 2) Исследования структурно-морфологических свойств нанотрубок, таких как тип кристаллической упаковки, внутренние напряжения, хиральность, наличие доменов и примесей, по преимуществу методами просвечивающей электронной микроскопии и рамановской микро-спектроскопии. 3) Исследование оптических свойств нанотрубок и родственных наноструктур ультра-современными методами спектроскопии микро-фотолюминесценции с пространственным, временным и поляризационными разрешениями, микро-магнитоспектроскопии, а также корреляционными методиками определения статистики фотонов. Планируется также сопоставление оптических свойств нанотрубок со свойствами планарных наноструктур и исследование таких фундаментальных оптических свойств как оптическая активность, двулучепреломление, взаимодействие оптических мод и экситонных резонансов. Для расширения номенклатуры исследуемых трубчатых структур будет развита технология нано-роллов, оболочечных структур, складчатых пластинок, формируемых из монослоев слоистых кристаллов дихалькогенидов переходных металлов. Наблюдение узких линий экситонной фотолюминесценции из нанотрубок и родственных структур будет основанием для постановки экспериментов в области квантового света (генерации одиночных фотонов). После детального изучения одиночных нанотрубок и родственных наноструктур планируется исследование массивов трубок и полутрубок, заданным образом ориентированных на профилированных подложках с целью реализации анизотропного и/или когерентного отклика. В результате выполнения проекта будут расширены наши знания о природе экситонного излучения в нанотрубках дихалькогенидов переходных металлов и развиты физические представления о спиновых состояниях в трубчатых системах, механизмах релаксации возбуждения и рекомбинации в наноструктурах с несколькими экситонными резонансами. В практическом плане ожидается формулирование рекомендаций для создания эффективных источников когерентного и квантового света на основе микро- и нанотрубок, сочетающих свойства излучателя и резонатора. Ожидается также создание оптических фильтров и анизотропных отражателей субмикронной толщины. В целом проект будет способствовать профессиональному росту молодых ученых (8 из 10 членов научного коллектива, из них двое – ответственные исполнители) и получению новых результатов на мировом уровне.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Семина М.А. Excitons and Trions in Bilayer van der Waals Heterostructures / Экситоны и трионы в двухслойных ван-дер-ваальсовых гетероструктурах Physics of the Solid State / Физика Твердого Тела, Volume 61, Issue 11, pp 2218–2223 / том 61, вып. 11, стр. 2234-2239 (год публикации - 2019)
10.1134/S1063783419110301

2. Шубина Т.В., Десра В., Морэ М., Тибери А. Брио О., Давыдов В.Ю., Платонов А.В., Семина М.А. Жиль Б. InSe as a case between 3D and 2D layered crystals for excitons Nature Communications, Том 10, Номер статьи: 3479 (год публикации - 2019)
10.1038/s41467-019-11487-0

3. Еремин Т.В., Образцов П.А., Великанов В.А., Шубина Т.В., Образцова Е.Д. Many-particle excitations in noncovalently doped single-walled carbon nanotubes Scientific Reports, Том 9, Номер статьи: 14985 (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-50333-7

4. Смирнова О.О., Елисеев И.А., Родина А.В., Шубина Т.В. Temperature activation of indirect exciton in nanostructures based on MoS2 Journal of Physics: Conference Series (JPCS) (год публикации - 2020)

5. Ромшин А.М., Кудрявцев О.С., Екимов Е.А., Шкарин А.Б., Раттенбахер Д., Рахлин М.В., Торопов А.А., Власов И.И. Фурье-ограниченная ширина линий оптических переходов одиночных SiV-центров в “адамантановых” наноалмазах Письма в ЖЭТФ, том 112, вып. 1, с. 17 – 21 (год публикации - 2020)
10.31857/S1234567820130030

6. Котова Л.В., Платонов А.В., Пошакинский А.В., Шубина Т.В. Polarization Conversion in MoS2 Flakes Semiconductors, Vol. 54, No. 11, pp. 1509–1513. (год публикации - 2020)
10.1134/S1063782620110160

7. Европейцев Е.А., Казанов Д.Р., Робин Ю., Смирнов А.Н., Елисеев Е.А., Давыдов В.Ю., Торопов А.А., Нитта С., Шубина Т.В., Амано Х. State‑of‑the‑art and prospects for intense red radiation from core–shell InGaN/GaN nanorods Scientific Reports (Nature), 10:19048 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-76042-0

8. Семина М.А., Глазов М.М., Шерман E. Interlayer Exciton–Polaron in Atomically Thin Semiconductors Annalen der Physik, 2020, 2000339 (год публикации - 2020)
10.1002/andp.202000339

9. Ципфель Дж., Вагнер К., Циглер Дж. Д., Танигучи Т., Ватанабе К., Семина М.А., Черников А. Light–matter coupling and non-equilibrium dynamics of exchange-split trions in monolayer WS2 Journal of Chemical Physics, 153, 034706 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0012721

10. Казанов Д.Р., Рахлин М.В., Пошакинский А.В., Шубина Т.В. Towards Exciton-Polaritons in an Individual MoS2 Nanotube Nanomaterials, 10, 373-9 (год публикации - 2020)
10.3390/nano10020373

11. Вагнер К., Вейтек Э., Циглер Дж.Д., Семина М.А., Танигути Т., Ватанабэ К., Ципфель Дж., Глазов М.М., Черников А. Autoionization and Dressing of Excited Excitons by Free Carriers in Monolayer WSe2 Physical Review Letters (год публикации - 2020)

12. Шубина Т.В., Европейцев Е.А., Семина М.А., Елисеев И.А., Рахлин М.В., Сорокин С.В., Торопов А.А. Экситоны в слоистых кристаллах и наноструктурах монохалькогенидов InSe и GaSe «Нанофизика и наноэлектроника». Труды XXIV Международного симпозиума (Нижний Новгород, 10–13 марта 2020). В 2 т. Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2020. — стр. 813-814, «Нанофизика и наноэлектроника». Труды XXIV Международного симпозиума, том 2, стр. 813-814. (год публикации - 2020)

13. Авдиенко П.С., Седова И.В., Фирсов Д.Д., Комков О.С., Рахлин М.В., Галимов А.И., Давыдов В.Ю., Сорокин С.В. Effect of surface morphology on macroscale and microscale optical properties of layered InSe grown by molecular beam epitaxy Journal of the Optical Society of America B, том 38, No. 9, стр. 2579-2596 (год публикации - 2021)
10.1364/JOSAB.433061

14. Минтаиров А.М., Анкундинов А.В., Калюжный Н.А., Лебедев Д.В., Минтаиров С.А., Павлов Н.В., Галимов А.И., Рахлин М.В., Салий Р.А., Торопов А.А., Власов А.С., Бареттин Д., Ауф дер Мор М., Бланделл С. Piezo-electric fields and state-filling photo-luminescence in natural InP/GaInP2 Wigner molecule structures Applied Physics Letters, vol. 118, 121101 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0045925

15. Давыдов В.Ю., Рогинский Е.М., Китаев Ю.Э., Смирнов А.Н., Елисеев И.А., Нечаев Д.В., Жмерик В.Н., Смирнов М.Б. Phonons in Short-Period GaN/AlN Superlattices:Group-Theoretical Analysis, Ab initio Calculations, and Raman Spectra Nanomaterials, vol. 11, 286-21 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11020286

16. Котова Л.В., Рахлин М.В., Галимов А.И., Елисеев И.А., Бородин Б.Р., Платонов А.В., Кириленко Д.А., Пошакинский А.В., Шубина Т.В. MoS2 flake as a van der Waals homostructure: luminescence properties and optical anisotropy Nanoscale, vol. 13, 17566-17575 (год публикации - 2021)
10.1039/D1NR05439B

17. Елисеев И.А., Галимов А.И., Рахлин М.В., Европейцев Е.А., Торопов А.А., Давыдов В.Ю., Тиле С., Пезольдт Й., Шубина Т.В. Photoluminescence Kinetics of Dark and Bright Excitons in Atomically Thin MoS2 Physica Status Solidi - Rapid Research Letters, vol. 15б № 10, 2100263-14 (год публикации - 2021)
10.1002/pssr.202100263

18. Ремскар М., Хюттель А.К., Шубина Т.В., Сибо А., Фатипур С., Ловровски Р., Шрайнер Р. Confinement related phenomena in MoS2 tubular structures grown from vapour phase Israel Journal of Chemistry, том. 61, стр. 1 – 11 (год публикации - 2021)
10.1002/ijch.202100100

Публикации