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 19-79-00362

НазваниеЭлементная база нанофотоники и оптоэлектроники на основе дихалькогенидов переходных металлов

РуководительБаранов Денис Григорьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словаНанофотоника, оптоэлектроника, квазидвумерные полупроводники, оптические наноструктуры, резонаторы, фотонные кристаллы, волноводы

Код ГРНТИ29.31.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование перспектив применения двумерных дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) в качестве новой платформы для создания элементной базы нанофотоники и оптоэлектроники. На сегодня, широко применяемыми материалами для реализации фотонных и оптоэлектронных устройств являются кремний, германий, нитрид кремния. Кардинальное улучшение свойств этих устройств возможно при наличии новой материальной платформы, которая обладает превосходящими другие материалы оптическими свойствами и предлагает новый функционал. В данном проекте в качестве такой материальной платформы рассматриваются дихалькогениды переходных металлов (как многослойные, так и монослойные). ДПМ, такие как WS2, WSe2, MoS2, и MoSe2, являются квазидвумерными полупроводниками с запрещенной зоной в оптической области частот. Как следствие, эти материалы обладают экситонным резонансом и являются сильно поглощающими материалами в оптическом диапазоне частот. В ближнем инфракрасном, в частности телекоммуникационном диапазоне частот, напротив, ДПМ являются слабо поглощающими и обладают сравнительно высоким показателем преломления (n>4), что делает их перспективными кандидатами в качестве основного материала для изготовления нанофотонных устройств. Помимо этого, образцы наноструктур из ДПМ характеризуются монокристаллической структурой высокого качества, обладают высокой механической стабильностью, и предоставляют возможность управления их свойствами посредством изменения температуры/приложения электрического напряжения. Несмотря на озвученные преимущества, оптические свойства ДПМ в ближнем инфракрасном диапазоне изучены на сегодня довольно плохо. В частности, не имеется достоверных данных о дисперсии диэлектрической проницаемости этих материалов в ИК диапазоне и об анизотропии диэлектрической проницаемости. Целью данного проекта является изучение этих свойств, и последующее изучение возможности применения ДПМ как новой материальной платформы для нанофотонных устройств, таких как фотонно-кристаллические резонаторы и волноведущие структуры.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что планируемое исследование позволит получить значимые результаты, как для фундаментальной науки, так и для технических приложений. Основным результатом проекта станет развитие новой области нанофотоники - нанофотоники на основе дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) и определение перспектив применения наноразмерных фотонных компонентов для создания оптических межсоединений на верхнем уровне микропроцессорной техники. Одним из главных научных результатов проекта станут новые теоретические модели, описывающие оптические свойства ДПМ в ближнем инфракрасном диапазоне частот. Эффективность моделей будет подтверждена результатами экспериментальных исследований. По результатам моделирования будут предложены оптимальные конфигурации и параметры различных нанофотонных компонент (резонаторы, волноводы, модуляторы). Предполагается, что уровень полученных результатов будет сопоставим с мировым, и в целом проект будет опережать аналогичные исследования в данной области, благодаря чему результаты проекта будут опубликованы в ведущих профильных научных журналах, таких как Nano Letters (импакт-фактор 12,080), ACS Photonics (6,88), Optics Express (3,356), Optics Letters (3,589) и др.) и представлены на ведущих профильных конференциях. По результатам исследования будет опубликовано не менее 4 статей в журналах с импакт-фактором не ниже 2.5. Предполагается, что в первый год проекта будет опубликовано, по крайней мере, 2 статьи. Во второй год - не менее 2 статей. Руководитель проекта ставит своей целью получение значимых научных результатов, которые могут быть опубликованы в ведущих периодических изданиях по профилю предлагаемых исследований. Предполагается патентование разработок, имеющих перспективы для коммерческой реализации.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На сегодня, широко применяемыми материалами для реализации фотонных и оптоэлектронных устройств являются кремний, германий, нитрид кремния. Кардинальное улучшение свойств этих устройств возможно при наличии новой материальной платформы, которая обладает превосходящими другие материалы оптическими свойствами и предлагает новый функционал. В данном проекте в качестве такой материальной платформы рассматриваются дихалькогениды переходных металлов (как многослойные, так и монослойные). ДПМ, такие как WS2, WSe2, MoS2, и MoSe2, являются квазидвумерными полупроводниками с запрещенной зоной в оптической области частот. В силу этих свойств, становится актуальной задача рассмотреть ДПМ применительно к созданию на их основе элементной базы нанофотоники, таких как волноводы, кольцевые резонаторы, и фотоннокристаллические резонаторы. На первом этапе проекта с помощью метода ближнепольной эллипсометрии были экспериментально измерены дисперсии диэлектрических проницаемостей WS2 (в продольном направлении) и MoS2 (в продольном и поперечном направлении) в ближнем ИК диапазоне от 900 до 1700 нм. Были разработаны теоретические и численные модели для описания волноведущих структур и фотонокристаллическимх резонаторов из ДПМ. С использованием измеренных дисперсий диэлектрической проницаемости были посчитаны дисперсии мод плоских волноводов, выполненных из многослойных ДПМ с оптической осью ориентированной по нормали к поверхности с бесконечным сечением, и с прямоугольным сечением. В ходе моделирования было обнаружено критическое влияние поперечной компоненты показателя преломления ДПМ на дисперсии мод магнитного типа. Для волновода с прямоугольным сечением из многослойного WS2 обнаружен «чистый» одномодовый режим, в котором по волноводу распространяется только одна мода квази-электрического типа, и отсутствуют моды других поляризаций в ближнем ИК диапазоне. Также было проведено моделирование фотонокристаллических (ФК) резонаторов из многослойных ДПМ. Путем варьирования геометрических параметров ФК резонатора, длины волн резонансов были совмещены с основной телекоммуникационной длиной волны 1550 нм.

 

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На сегодня, широко применяемыми материалами для реализации фотонных и оптоэлектронных устройств являются кремний, германий, нитрид кремния. Кардинальное улучшение свойств этих устройств возможно при наличии новой материальной платформы, которая обладает превосходящими другие материалы оптическими свойствами и предлагает новый функционал. В данном проекте в качестве такой материальной платформы рассматриваются дихалькогениды переходных металлов (как многослойные, так и монослойные). ДПМ, такие как WS2, WSe2, MoS2, и MoSe2, являются квазидвумерными полупроводниками с запрещенной зоной в оптической области частот. В силу этих свойств, становится актуальной задача рассмотреть ДПМ применительно к созданию на их основе элементной базы нанофотоники, таких как волноводы, кольцевые резонаторы, и фотоннокристаллические резонаторы. На втором этапе проекта с помощью с помощью стандартных методов электронной литографии были произведены образцы кольцевых резонаторов из многослойного WS2 различного диаметра и с различной величиной зазора между резонатором и прилегающим возбуждающим волноводом. Помимо кольцевых резонаторов, нами были исследованы подходы к нано-фабрикации образцов других резонансных наноструктур, в частности, фотонокристаллических нанорезонаторов, изученных численно на первом этапе Проекта. Были выполнены L1, L3, и L5 резонаторы из многослойного дисульфида вольфрама (WS2) и повторно смоделированы резонансные моды таких структур. Были разработаны аналитические и численные модели для описания кольцевых резонаторов из многослойных ДПМ. На основе теории связанных мод была построена модель, описывающая прохождение света по волноводу, связанному с одномодовым кольцевым резонатором. В ходе моделирования было обнаружено критическое влияние констант затухания моды кольцевого резонатора на спектры прохождения, в полном соответствии с теорией связанных мод. Аналитическая модель была дополнена численной моделью прохождения света по волноводу, связанному с кольцевым резонатором, разработанная в программном пакете Lumerical Device. Были экспериментально измерены спектры пропускания через произведенные образцы кольцевых резонаторов. Наконец, был разработан принципиально новый метод производства периодических наноструктур с гексагональными отверстиями из многослойных ДПМ, основанный на стандартной электронной литографии. Метод позволяет производить уникальные наноструктуры из многослойных ДПМ с атомарной точностью.

 

Публикации

1. Adriana Canales, Denis G. Baranov, Tomasz J. Antosiewicz, Timur Shegai Abundance of cavity-free polaritonic states in resonant materials and nanostructures Jourbnal of Chermical Physics, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1063/5.0033352

2. Munkhbat B., Yankovich A., Baranov D.G., Verre R., Olsson E., Shegai T. Transition metal dichalcogenide metamaterials with atomic precision Nature Communications, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1038/s41467-020-18428-2

3. Проскурин А, Богданов А, Баранов Д Perfect Absorption of a Focused Light Beam by a Single Nanoparticle Laser & Photoncis Reviews, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/lpor.202000430

4. Тарадин А., Баранов Д. Chiral light in single-handed Fabry-Perot resonators IOP Conference Proceedings, - (год публикации - 2021)

Возможность практического использования результатов
не указано