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 17-72-10303

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

РуководительОбразцов 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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2019

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 словаграфен, 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

СтатусУспешно завершен

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.

Ожидаемые результаты
Результаты предлагаемого исследования позволят определить основные механизмы взаимодействия лазерного излучения с материалами, обладающими электронными свойствами схожими с графеном и осуществить эффективную генерацию ТГц излучения при их лазерном возбуждении. В результате выполнения проекта будут выработаны рекомендации для дальнейшего применения слоистых материалов с Дираковской зонной структурой в разработке принципиально новых сверхбыстрых оптоэлектронных устройств.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Целью данного проекта является проведение комплексного экспериментального исследования процессов релаксации и возбуждения сверхбыстрых фототоков/генерации ТГц в слоистых соединениях с графеноподобной электронной структурой и родственных материалах под действием лазерных импульсов ультракороткой длительности (пико-, фемтосекунды). Проводимое исследование представляет интерес, как с точки зрения фундаментальной науки (понимание механизмов взаимодействия лазерного излучения с новым классом материалов), так и для разработки нового класса эффективных источников/приемников ТГц излучения и прочих новых оптоэлектронных устройств. Исследование в рамках проекта ведется в трех направлениях: 1. Исследование характерных времен релаксации носителей заряда при лазерном возбуждении 2. Генерация сверхбыстрых фототоков/ТГц излучения при возбуждении ультракороткими лазерными импульсами 3. Регистрация импульсного терагерцового излуения с помощью детекторов на основе слоистых материалов с графеноподобной электронной структурой. Основным результатом выполнения первого этапа настоящего проекта стала демонстрация возможности эффективной генерации и детектирования излучения ТГц диапазона с помощью материалов обладающих свойствами схожими с графеном. В ходе выполнении первого этапа проекта были получены следующие промежуточные научные результаты: 1. Выращены кристаллы MoS2, Sb2Te3, Bi2Te3, Bi2SE3 и эпитаксиальные пленки Bi2Te3. 2. Получены спектры линейного оптического пропускания тонких пленок материалов отщепленных от синтезированных объемных кристаллов 3. С помощью электронного сканирующего микроскопа получены изображения поверхности и сколов синтезированных материалов. 4. Осуществлена подготовка образцов для проведения исследований: перенос материала на диэлектрическую подложку; подведение контактов. 5. Созданы и оптимизированы экспериментальные стенды на основе фемтосекундного лазера для проведения исследований в терагерцовом диапазоне. 4. Разработана методика регистрации электрического поля терагерцовых импульсов по отклику фотопроводящего детектора на основе исследуемых материалов. 5. С помощью исследуемых материалов (графен, MoS2, Bi2Te3) получены временные формы ТГц импульсов и спектры (методом преобразования Фурье) 6. Проведен сравнительный анализ результатов полученных с помощью разрабатываемого детектора на основе слоистых материалов и стандартного электро-оптического детектрора (ZnTe, GaP). Зарегистрированные с помощью исследуемых материалов временные формы поля терагерцовых импульсов хорошо согласуются с данными полученными электрооптическим стробированием. 7. Cделан вывод о перспективах использования данных материалов в качестве основы для создания простых, дешевых и масштабируемых широкополосных детекторов поля терагерцовых импульсов. 8. Продемонстрирована генерация ТГц излучения в объемных кристаллах пленках MoS2, Sb2Te3 и эпитаксиальных пленках Bi2Te3. 9. Впервые экспериментально продемонстрировано возбуждение сверхбыстрых фототоков при комнатной температуре и ТГц излучения в металл–органических перовскитах CH3NH3PbI3.

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. 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)

3. 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) https://doi.org/10.1038/s42005-018-0013-8

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Данный проект направлен на проведение комплексного экспериментального исследования процессов релаксации и возбуждения носителей заряда в слоистых соединениях родственных графену при их взаимодействии c лазерными импульсами ультракороткой длительности. Второй этап настоящего проекта был посвящен исследованию сверхбыстрой динамики релаксации носителей методами фемтосекундной “памп-проб” и терагерцовой эмиссионной спектроскопии в таких материалах как графен, дихалькогениды переходных металлов, топологические изоляторы . А также, исследованию возможности практического применения исследуемых слоистых материалов для создания эффективных сверхбыстрых оптоэлектронных устройств нового поколения. Для достижения поставленной цели, в ходе выполнения второго этапа проекта исследования велись по следующим направлениям: 1. Создание экспериментальной схемы и разработка методики для измерения динамики релаксации возбужденных носителей методом фемтосекундной памп-проб спектроскопии при возбуждении образцов слоистых соединений излучением видимого и ИК спектрального диапазона. 2. Исследование динамики релаксации возбужденных носителей методом фемтосекундной памп-проб спектроскопии 3. Проведение поляризационных измерений терагерцового отклика различных материалов (графен, гетероструктуры графен/Si, Bi2Se3, Bi2Te3, MoS2, Sb2Te3, поликристаллические пленки CH4NH3PbI) 4. Исследование возможности практического применения исследуемых слоистых материалов В рамках выполнения второго этапа настоящего проекта были получены следующие основные научные результаты: 1. Создан экспериментальный стенд и разработана методика измерений динамики релаксации возбужденных носителей в образцах слоистых материалов методом фемтосекундной памп-проб спектроскопии при возбуждении образцов излучением видимого и ИК спектрального диапазона. 2. Проведено исследование динамики релаксации возбужденных носителей методом фемтосекундной памп-проб спектроскопии в образцах различных слоистых соединений и планарных структур на их основе: - проведены исследования сверхбыстрой динамики возбужденных носителей заряда в слоях графена, MoS2, MoSe2, WS2 созданных методом струйной печати (диапазон длин волн накачки: 400-800 нм; зондирования: 300-900 нм); - получены данные о динамике релаксации в таких гетероструктурах как: MoS2/WS2; MoSe2/WS2; MoS2/MoSe2; MoS2/WS2/MoSe2. - получены данные о сверхбыстрой динамике релаксации возбужденных носителей в графитных пленках нанометровой толщины, полученных методом пиролиза фоторезиста. 3. Измерены зависимости терагерцового отклика от поляризации оптической накачки для различных слоистых материалов (графен, гетероструктуры графен/Si, Bi2Se3, Bi2Te3, MoS2, Sb2Te3)и поликристаллических пленок CH4NH3PbI. 4. созданы эффективные преобразователи напряженности электрического поля (детекторы) терагерцовых импульсов для спектроскопии во временной области но основе графена, тонких графитовых пленок, MoS2, Bi2Se3 и измерены характеристики созданных детекторов 5. Создан двухчастотный (1061 и 1064 нм) волноводный твердотельный Nd:YAG лазер позволяющий генерировать 20 пикосекундный импульсы с частотой повторения 9.8 ГГц; синхронизация мод в данном лазере осуществляется за счет применения насыщающегося поглотителя на основе графена.

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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) https://doi.org/10.1070/QEL16983

4. 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) https://doi.org/10.3101/s1068335619030072

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. 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)

7. 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) https://doi.org/10.1038/s42005-018-0013-8

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

9. 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)

10. 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)

11. 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)

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть использованы как основа для разработки технологии создания двумерных гетероструктур с заданными оптоэлектронными свойствами, пригодной для массового производства сверхбыстрых фотонных и терагерцовых устройств.