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 14-12-00416

НазваниеФотонные материалы на основе 3D-хиральных наноструктур с высокой оптической активностью, сильным круговым дихроизмом и суперхиральностью локальных полей

РуководительГоркунов Максим Валерьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2014 г. - 2016 г. 

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаНаноструктуры металл-диэлектрик, функциональные метаматериалы, субволновые решетки, фотоника, хиральность, круговой дихроизм, оптическая активность, суперхиральность, ионное травление, АСМ-диагностика, микроспектрометрия, микроэллипсометрия

Код ГРНТИ29.33.17

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на моделирование, создание, характеризацию и тестирование функциональных свойств новых оптических материалов на основе наноразмерных 3D-хиральных структур металл-диэлектрик. Фотоника материалов на основе субмикро- и наноструктур является одним из самых динамичных направлений современной оптики с огромным прикладным потенциалом: структурирование металлов и полупроводников регулярным образом на нано-масштабах обеспечивает принципиально новые функциональные оптические свойства, недоступные для традиционных материалов. Созданные и исследованные в рамках проекта наноматериалы не будут иметь мировых аналогов по силе оптической активности, круговому дихроизму и степени суперхиральности локальных световых полей. Проект предусматривает как всесторонний теоретический анализ 3D хиральных наноструктур из общих принципов (симметрии, обратимости, взаимности и причинности), так и численное моделирование путем прямого решения уравнений электродинамики для структур реальной сложной формы. Изготовление наноструктур будет проведено методом травления ионным лучом с использованием самых современных установок электронной микроскопии. Комплексная диагностика материалов будет проводиться методами атомно-силовой микроскопии с целью определения реальной формы нано-размерных элементов, а также методами микроспектрометрии и микроэллипсометрии для характеризации функциональных оптических свойств. Реализация проекта позволит ответить на ряд фундаментальных вопросов: о связи структурной хиральности с оптической, о достижимых значениях оптической активности и кругового дихроизма композитов и о перспективах существенного усиления локальной хиральности световых полей в них. Проекта откроет перспективы создания нового поколения оптических систем и устройств для управления поляризацией световых сигналов, а также позволит совершить качественный скачок в оптической диагностике хиральных органических материалов и нанообъектов, в том числе, биологического происхождения.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут созданы не имеющие мировых аналогов фотонные материалы, обладающие уникальными функциональными свойствами: при толщине в 200-300 нм вращение плоскости поляризации света будет достигать 20 и более градусов, пики кругового дихроизма в оптическом диапазоне обеспечат преобразование линейно-поляризованного света в свет с круговой поляризацией, а ближние световые поля будут обладать сильно локализованной суперхиральностью. Проект обеспечит развитие самых передовых методов моделирования, создания и диагностики наноматериалов и наноструктур: численного моделирования оптических свойств наноструктур сложной формы; прецизионного травления трехмерных структур сфокусированным ионным лучом с пространственным разрешением 10 нм; реконструкции формы структур с нанометровым разрешением средствами атомно-силовой микроскопии; микроспектрометрические и микроэллипсометрические измерения оптических функциональных характеристик наноструктур. Реализация проекта и успешное создание фотонных наноматериалов с 3D хиральностью откроет перспективы для создания нового поколения оптических систем и устройств, отвечающих за управление и преобразование поляризации световых сигналов. Кроме того, получение структур с сильно локализованной суперхиральностью световых полей обеспечит возможность прямой оптической диагностики хиральных органических материалов в наноскопических количествах и нанообъектов, в том числе, биологического происхождения. Результаты проекта будут опубликованы в восьми статьях в высокорейтинговых международных изданиях, а также будут доложены как минимум на шести профильных международных конференциях, конгрессах и симпозиумах.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2014 году
- Травлением сфокусированным ионным лучом созданы субволновые массивы наноразмерных отверстий 3D-хиральной формы в свободноподвешенных серебряных мембранах. - Оптические измерения показали наличие у изготовленных образцов в видимом диапазоне рекордных значений кругового дихроизма и оптической активности, перекрывающих весь диапазон допустимых значений. - Теоретический анализ показал возможность качественного объяснения важных особенностей наблюдаемых кругового дихроизма и оптической активности исходя из общих физических принципов. - Сформулированы обобщенные соотношения Крамерса-Кронига, которые не только прекрасно воспроизводят наблюдаемые спектральные зависимости кругового дихроизма и оптической активности, но и позволяют точно установить комплексные собственные частоты хиральных наноструктур.

 

Публикации

1. Горкунов М.В., Ежов А.А., Артемов В.В., Рогов О.Ю., Юдин С.Г. Extreme optical activity and circular dichroism of chiral metal hole arrays Applied Physics Letters, Volume: 104 Issue: 22 Article Number: 221102 (год публикации - 2014) https://doi.org/10.1063/1.4880798

2. Горкунов М.В., Ежов А.А., Артемов В.В., Рогов О.Ю. Optical activity and circular dichroism of 3D-chiral holes: symmetry, causality, reciprocity and reversibility aspects IEEE Xplore conference publications, 8th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS), 2014, PP. 124 - 126 (год публикации - 2014) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2014.6948618

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
- Травлением сфокусированным ионным пучком впервые созданы периодические массивы наноразмерных отверстий хиральной формы симметрии С3 С4 и С6 и квазипериодические массивы отверстий симметрии С5. Исследованы их оптические свойства и найдено, что наибольшей оптической хиральностью обладают структуры симметрий С3 и С4. - С помощью модифицированных АСМ зондов и разработанных численных алгоритмов обработки данных АСМ точно реконструированы наноразмерные детали формы хиральных отверстий с вертикальными стенками. - Проведено численное моделирование экстремальной оптической хиральности массивов хиральных отверстий в металле. Объяснен механизм возникновения экстремальной хиральности за счет хирального резонанса пропускания типа Фано за счет возбуждения плазмонных резонансов. Развита аналитическая модель связанных мод, объясняющая сложные спектральные зависимости наблюдаемых оптических свойств. Результаты работы по проекту представлены в научно-популярной публикации на интернет ресурсе «Чердак» - научно-образовательном проекте ТАСС: http://chrdk.ru/sci/2015/5/6/chiral/

 

Публикации

1. Горкунов М.В., Дмитриенко В.Е., Ежов А.А., Артемов В.В., Рогов О.Ю. Implications of the causality principle for ultra chiral metamaterials Scientific reports, Volume 5, Article number 9273 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1038/srep09273

2. Артемов В.В., Рогов О.Ю. Горкунов М.В., Ежов А.А. FIB lithography of chiral plasmonic structures of various point symmetry Abstract book, FM&NT-2015 Functional Materials and Nanotechnologies, October 5th - 8th 2015, Vilnius, Lithuania, P. 64 (год публикации - 2015)

3. Кондратов А.В., Горкунов М.В. Chiral Localized Plasmon Resonances Leading to Extreme Optical Chirality Progress in Electromagnetics Research Symposium 2015 Abstracts, - (год публикации - 2015)

4. Рогов О.Ю., Артемов В.В., Горкунов М.В. Ионная литография единичных плазмонных нано-структур в тонких слоях благородных металлов Тезисы XIX Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследований твердых тел, стр. 96-97 (год публикации - 2015)

5. Кондратов А.В., Горкунов М.В., Гайнутдинов Р.В., Рогов О.Ю. Plasmonic nature of extreme optical chirality of subwavelength hole arrays IEEE Xplore conference publications, 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS), 2015, P. 85-87 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2015.7342530

6. Рогов О.Ю., Артемов В.В., Горкунов М.В., Ежов А.А., Палто С.П. Fabrication of complex shape 3D photonic nanostructures by FIB lithography IEEE Xplore conference publications, 15th IEEE International Conference on Nanotechnology, IEEE-NANO 2015, p. 136-139 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1109/NANO.2015.7388897

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
- Выяснены теоретические возможности диагностики оптической хиральности массивами наноотверстий в металлических пленках. Показано, что слой оптически активного вещества индуцирует оптическую активность массивов, превосходящую активность слоя более чем на порядок величины. Показана ключевая роль плазмонных резонансов: максимальная чувствительность достигается при помещение хиральных объектов в фокус плазмонного резонанса, а спектральное положение пиков индуцированной хиральности совпадает с плазмонными резонансами массивов отверстий в металле. Предсказана высокая чувствительность оптической хиральности 2D-хиральных структур к асимметрии их окружения. Указано на возможность появления хиральности за счет нелинейных эффектов. - Рассмотрены фундаментальные ограничения оптически хиральных материалов, накладываемые симметрией, принципом взаимности и законом сохранения энергии. Показано, что круговой дихроизм может наблюдаться только в силу различия в поглощении волн разной круговой поляризации, а круговой поляризатор возможен лишь как устройство, полностью поглощающее волну одного знака и полностью пропускающее волну другого знака. Рассчитана многоволновая дифракция света в других средах с сильной хиральностью - голубых фазах жидких кристаллов - и найдены условия слияния и расщепления особенностей Бляшке в соотношениях Крамерса-Кронига. - Травлением сфокусированным ионным пучком созданы первые образцы хиральных кремниевых структур, прозрачных в видимом диапазоне и демонстрирующих высокую оптическую хиральность. Проведена АСМ-реконструкция их поверхности и выполнена всесторонняя диагностика оптических свойств. Найдено, что структуры обладают высокой оптической хиральностью в видимом диапазоне, которая сочетается с прозрачностью до 50% и выше. Обнаружено, что круговая селективность генерации третьей оптической гармоники составляет 10%. Проведенное численное моделирование оптических свойств структур и развитая аналитическая модель связанных мод показали связь оптической хиральности с асимметрией возбуждения диэлектрических резонансов структуры.

 

Публикации

1. Горкунов М.В., Даринский А.Н., Кондратов А.В. Enhanced sensing of molecular optical activity with plasmonic nanohole arrays Journal of the Optical Society of America B, - (год публикации - 2016)

2. Кондратов А.В., Горкунов М.В., Даринский А.Н., Гайнутдинов Р.В., Рогов О.Ю., Ежов А.А., Артемов В.В. Extreme optical chirality of plasmonic nanohole arrays due to chiral Fano resonance Phys. Rev. B, Vol. 93, P. 195418 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.195418

3. Кондратов А.В., Рогов О.Ю., Гайнутдинов Р.В. AFM reconstruction of complex-shaped chiral plasmonic nanostructures Ultramicroscopy, Volume 181, October 2017, Pages 81-85 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2017.05.013

4. Горкунов М.В., Кондратов А.В., Даринский А.Н., Артемов В.В., Рогов О.Ю., Гайнутдинов Р.В. Plasmonic hole arrays with extreme optical chirality in linear and nonlinear regimes Proceedings of SPIE, SPIE Photonic Europe 2016, Том: 9883 Номер статьи: 98830E (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1117/12.2224709

5. Горкунов М.В., Рогов О.Ю., Кондратов А.В., Артемов В.В., Ежов А.А. 3D-chiral transparent single-crystal silicon metasurface for visible light IEEE Xplore conference publications, 11th International Congress on Engineered Materials Platforms for Novel Wave Phenomena (Metamaterials 2017), PP. 118-120 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2017.8107860

Возможность практического использования результатов
не указано