Фото-термо-химический синтез наночастиц и наноструктур с прогнозируемыми плазмонными свойствами

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 19-79-10208

НазваниеФото-термо-химический синтез наночастиц и наноструктур с прогнозируемыми плазмонными свойствами

Руководитель Сергеев Максим Михайлович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова наночастицы, термодиффузия, фотохимические реакции, лазерное излучение, лазерная абляция, пористое стекло, золь-гель пленка, теория эффективной среды, плазмонный резонанс, теория Ми, приближение Максвелла-Гарнетта, приближение Бруггемана

Код ГРНТИ29.31.27, 29.33.47, 29.33.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку научных основ прогнозирования и коррекции оптических свойств композитных материалов с наночастицами и наноструктурами в процессе их лазерного синтеза. Разработка и совершенствование методов синтеза наночастиц и наноструктур с плазмонными свойствами все чаще приобретает ключевое значение для создания новых оптических материалов в виде элементов фотоники, микроаналитики, фотовольтаики и оптоэлектроники, квантовых вычислительных систем, оптической памяти и т.д. Особое внимание уделяется методам поэлементного изготовления сложных интегральных систем в виде химико-биологических сенсоров, лабораторий на чипе (lab-on-chip), устройств солнечной энергетики, где важным становится локализация изменения свойств наночастиц, заключенных в общую матрицу (или расположенных на единой подложке). Применение лазерных технологий при изготовлении подобных элементов представляет наибольший интерес. В настоящее время накоплен достаточный опыт по лазерному синтезу наночастиц и их организации в структуры, например, в виде наноантенн и метаматериалов, о чем свидетельствует огромное количество публикаций в высокорейтинговых журналах за последние годы. Однако, для большинства методов лазерного синтеза наночастиц и наноструктур в композитных материалах отсутствует возможность управления и коррекции их оптических свойств в локализованном пространстве в процессе лазерного воздействия. Для прямой лазерной записи наноструктур с явно выраженными плазмонными свойствами отсутствие прогнозирования оптических свойств композита становится весьма критичным, что существенно ограничивает возможности применения лазерных технологий. Именно поэтому в настоящее время чрезвычайно актуален поиск различных подходов к решению данной научной проблемы. Для решения научной проблемы предполагается выполнить следующие задачи: провести исследование фотохимических и фототермических процессов зарождения, роста и разложения наночастиц благородных металлов, заключенных в пористые пленки и стекла, прозрачные в видимом диапазоне длин волн; исследовать термохимические процессы лазерного синтеза наночастац благородных металлов из парогазовой фазы, формирующихся в результате испарения-конденсации; выявить возможности управления характеристиками наночастиц с помощью лазерного воздействия; разработать модель для прогнозирования оптических свойств композитов, изменяющихся в процессе лазерного воздействия, в основу работы которой будут заложены фото-термо-химические механизмы синтеза наночастиц и наноструктур с плазмонными свойствами. Научная новизна проекта заключается в предложении нового решения по прогнозированию оптических свойств наноструктур, которое будет основано на комплексном подходе к теоретическому описанию и экспериментальному обоснованию механизмов зарождения, роста и разрушения наночастиц в композитах. Знания, полученные в ходе выполнения проекта, будут применены для реализации технологического процесса с возможностью коррекции плазмонных свойств наночастиц и, следовательно, оптических свойств композита в целом. В будущем возможность подобного прогнозирования откроет новые перспективы для разработки алгоритмов машинного обучения в технологиях лазерной записи метаповерхностей и функциональных материалов, элементов для устройств фотоники и микроаналитики, когда условия лазерной обработки будут корректироваться в процессе их создания в автономном режиме без участия оператора. Для этого будут необходимы модельные представления, связывающие условия лазерной обработки с оптическими характеристиками самого композита, которые могут быть интегрированы в программную среду с возможностью реализации обратной связи. Актуальность разработки подобных киберфизических систем (Cyber-Physical Systems) различного уровня и назначения сложно переоценить в современном мире. Подобные системы, создавая тесную связь и координацию между вычислительными (выходные параметры в виде результатов моделирования) и физическими ресурсами (входные параметры в виде экспериментальных данных), обеспечивают гармоничную работу автоматизированных систем. В таких системах реализуется непрерывный цикл обмена данными в виде прямой-обратной связи, где изменения физической системы начинают оказывать влияния на вычисления модели и наоборот. Таким образом, киберфизическая система прямой лазерной записи наноструктур с полной автоматизацией процесса может стать перспективным развитием результатов проведенных в проекте исследований. Стоит отметить, что модельных представлений, комплексно связывающих механизмы фото-термо-химического синтеза наночастиц и их свойства с оптическими характеристиками композита и условиями лазерного облучения, до сих пор не существует. Разрозненные и несвязанные между собой теории и модели, описывающие фотохимический синтез наночастиц, оптические свойства композита с наночастицами, поглощение лазерного излучение и нагревание материала, не позволяют в полной мере объяснить результаты многих экспериментов. В настоящее время над возможностью прогнозирования плазмонных свойств наночастиц, изменяющих свои свойства под действием лазерного излучения, активно работают научные коллективы по всему миру. В том числе, решением данной проблемы заняты сотрудники лаборатории Юбера Кюрьена французского национального центра научных исследований Университета Жанна Монне (F. Vocanson, N. Destouches и T.E. Itina), с которыми ведется сотрудничество авторов настоящего проекта. Авторами проекта проведены многочисленные исследования по лазерному формированию наночастиц в пористых стеклах и пленках, полученных золь-гель методом, а также по лазерному синтезу наночастиц с плазмонными свойствами в результате абляции драгоценных и цветных металлов с последующим формированием покрытий на обработанной поверхности. Кроме того, участие в проекте профессора Итиной Т.Е., работающей в университете ИТМО в рамках программы привлечения ведущих мировых ученых в Российские учреждения высшего образования, позволит создать новую самостоятельную группу из коллектива молодых научных сотрудников, способных участвовать в международных коллаборациях и решать научные задачи мирового уровня. Результаты исследований, полученные в рамках проекта, будут иметь мировой уровень, поскольку изучение механизмов синтеза металлических наночастиц и нанокристаллов, обладающих явно выраженными плазмонными свойствами, периодических наноструктур в виде метаматериалов и многослойных пленок с нанообъектами являются весьма актуальными направлениями. Моделирование процессов синтеза наночастиц и наноструктур найдет свое применение в проектировании и создании наноструктур различной архитектуры в виде элементов фотоники, в установлении связей между условиями изготовления наноструктур и их свойствами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чжун, Л. Сергеев, М.М. Заколдаев, Р.А., Вейко В.П., Женгян Ли. Porous glass density tailoring by femtosecond laser pulses Optical and Quantum Electronics, 1, 52, 1-8. (год публикации - 2020)
10.1007/s11082-019-2163-7

2. Кривоносов А.С., Зуев Д., Капуткина С., Михайловский В.Ю., Егорова Е., Агеев Э.И., Одинцова Г.В. Evolution of size distribution of Si nanoparticles produced by pulsed laser ablation in water Optical and Quantum Electronics, 3, 52, 1-7 (год публикации - 2020)
10.1007/s11082-020-02274-z

3. Сергеев М.М., Заколдаев Р.А., Итина Т.Е., Варламов П.В., Костюк Г.К. Real-Time Analysis of Laser-Induced Plasmon Tuning in Nanoporous Glass Composite Nanomaterials, том 10, выпуск 6, с. 1131 (год публикации - 2020)
10.3390/nano10061131

4. Сергеев М.М., Заколдаев Р.А., Гресько В.Р. Effective Time of Nanogratings Formation on Sol-Gel Films by Two-Beam Laser Interference Journal of Laser Micro/Nanoengineering, том 15, выпуск 3, с. 1-6 (год публикации - 2020)
10.2961/jlmn.2020.03.2010

5. Варламов П.В., Михайлова Ю.В., Андреева Я.М., Сергеев М.М. Исследование влияния параметров лазерной обработки на спектральные характеристики серебросодержащих пленок диоксида титана НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ, том 20, №5, стр. 634 - 641 (год публикации - 2020)
10.17586/2226-1494-2020-20-5-634-641

6. В.В. Романов, Т-А Нгуен, Н.Н. Щедрина, Д.С. Лутошина, В.Ю. Михайловский, Д.В. Данилов, М.М. Сергеев, Г.В. Одинцова Color identification mark by laser processing of silver surface Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1022. P. 35-41 (год публикации - 2021)
10.4028/www.scientific.net/MSF.1022.35

7. Михайлова Ю.В., Чжун З. Останин А.А., Сергеев М.М., Заколдаев Р.А. Gradient and Core-Cladding Waveguides Fabrication in Porous Glass Journal of Laser Micro/Nanoengineering, T. 15, № 3. (год публикации - 2020)
10.2961/jlmn.2020.03.2016

8. Сергеев М.М., Гресько В.Р., Андреева Я.М., Сокура Л.А., Ширшнева-Ващенко Е.В., Итина Т.Е., Варыгин Г.В. Сергеев М.М., Гресько В.Р., Андреева Я.М., Сокура Л.А., Ширшнева-Ващенко Е.В., Итина Т.Е., Варыгин Г.В. Precise laser-induced local modification of AZO:Ag films and their optical properties Precise laser-induced local modification of AZO:Ag films and their optical properties er Technology Optics & Laser Technology, 151, 108059 (год публикации - 2022)
10.1016/j.optlastec.2022.108059

9. С lectrical and Optical Properties of Laser-Induced Structural Modifications in PbSe Films T. 323. C. 132605 (год публикации - 2022)

10. Варламов П.В., Сергеев М.М., Заколдаев Р.А., Григорьев Е.А. Femtosecond wavelength influence on TiO2:Ag film spectral changes: Comparative study Materials Letters, T. 323. C. 132605 (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2022.132605

Публикации

9. С lectrical and Optical Properties of Laser-Induced Structural Modifications in PbSe Films T. 323. C. 132605 (год публикации - 2022)

Публикации

9. С lectrical and Optical Properties of Laser-Induced Structural Modifications in PbSe Films T. 323. C. 132605 (год публикации - 2022)