КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-73-20336

НазваниеФотонные источники на основе гибридных перовскитов c применением нанофотонных технологий

РуководительМакаров Сергей Владимирович, Доктор физико-математических наук

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «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 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словагибридный перовскит, нанофотоника, нанолазеры, микролазеры, светодиоды, метаповерхности, нанолитография, наноимпринт, лазерная абляция

Код ГРНТИ31.00.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Трехлетний проект «Фотонные источники на основе гибридных перовскитов с применением нанофотонных технологий» 2017-2019 гг. положил начало развитию нового междисциплинарного (на стыке химии, науки о материалах и физики) направления исследований в России − перовскитной нанофотоники. Эффективное объединение перспективных полупроводниковых материалов и последних успехов нанофотоники привело к достижению передовых результатов в экспериментальном и теоретическом исследовании светоизлучающих устройств на основе свинцово-галогенидных перовскитов с интегрированными в них резонансными наноструктурами (кремниевыми наночастицами), а также и наноструктур на основе перовскитов. Стремительное развитие новых фотонных и лазерных технологий делает все более актуальной проблему разработки новых материалов для создания источников оптического излучения, а также новых дешевых и высокоэффективных устройств на их основе. В частности, актуальны устройства для визуализации инфракрасного лазерного излучения широкого спектрального диапазона. Решением является объединение нескольких концепций: (i) использование структур пониженной размерности на основе галогенидных перовскитов (квантовые точки), демонстрирующих высокие квантовые эффективности, преимущества твердотельных полупроводниковых материалов и выраженный экситонный отклик при комнатной температуре за счет высокой энергии связи экситона; (ii) переход к нелинейным оптическим эффектам для преобразования частоты излучения, (iii) интеграция перовскитных и резонансных структур в инкапсулирующих средах с целью повышения эффективности фотолюминесценции перовскитов при усилении локальных полей возле резонансных структур, а также стабильности перовскита за счет инкапсуляции. Сочетание вышеперечисленных подходов и материальной платформы в виде дешевых, масштабируемых и простых в фабрикации перовскитных материалов позволит создавать фотонные устройства нового поколения, в частности широкополосные ИК визуализаторы, для эффективного управления светом на наномасштабе. Стоит заметить, что комплексные исследования низкоразмерных перовскитных структур с нелинейным оптическим откликом, усиленным взаимодействием с оптическими резонансами на длине волны излучения материала, в настоящее время только начинаются. Более того, нелинейные оптические эффекты в перовскитных квантовых точках, усиленные за счет резонансных наночастиц еще не исследовались. Вышесказанное определяет научную новизну заявленного проекта, соответствующую мировому уровню исследований. Продолжая линию проекта 2017-2019, настоящий проект ставит задачу объединения новых перовскитных материалов с самыми современными концепциями нанофотоники, а именно, разработка и исследование новых нелинейных материалов и наноструктур на основе свинцово-галогенидных перовскитов с интеграцией в фотонные и оптоэлектронные схемы для эффективной визуализации фемтосекундного лазерного излучения в широком спектральном диапазоне. Для достижения цели данного проекта будут решены следующие задачи: Синтез нульмерных перовскитных наноструктур (квантовых точек) и разработка технологии их инкапсуляции в полимерные матрицы различной природы; Разработка химической технологии интегрирования перовскитных квантовых точек и резонансных кремниевых наноструктур и метаповерхностей разного дизайна с последующей инкапсуляцией в полимерной матрице; Разработка теоретической и численной моделей резонансного усиления локальных полей и нелинейного оптического отклика перовскитных квантовых точек при интеграции с кремниевыми наночастицами и метаповерхностями в полимерной матрице; Экспериментальное исследование нелинейных оптических эффектов (от 2 до 5 порядка нелинейности) в получаемых структурах и тестирование прототипа визуализатора фемтосекундного лазерного излучения в широком спектральном диапазоне. Успешное выполнение авторами проекта поставленных задач позволит развить новое научное направление в России, имеющее как высокое научное, так и прикладное значение, а также поможет сформировать успешно взаимодействующую научную группу из молодых исследователей.

Ожидаемые результаты
В рамках настоящего междисциплинарного проекта на стыке химии, науки о материалах и физики планируется решить ряд задач, направленных на изучение нелинейных низкоразмерных структур на основе перовскита и возможности их практического применения в качестве устройств нанофотоники. При этом ожидаются следующие конкретные результаты: 1) Разработаны методы синтеза и интеграции перовскитных квантовых точек (КТ) состава CsPbX3-nYn (X,Y = Br, Cl, I; X ≠ Y; n = 0-3) и резонансных диэлектрических наноструктур разного типа в оптимизированную полимерную матрицу. Полимерная матрица отвечает следующим требованиям: гибкая (по возможности), прозрачная в видимом диапазоне, термо- и фотостабильная. Полученные образцы экспериментально демонстрируют высокую эффективность преобразования фемтосекундного лазерного излучения в эмиссию на частоте в два и более раз превышающее длину волны возбуждения для широкого спектрального диапазона. 2) Произведена оптическая характеризация образцов, а именно, получены спектры поглощения, рассеяния и многофотонной люминесценции в диапазоне длин волн до 2,6 мкм, а также значения квантового выхода и времена жизни фотолюминесценции. Зафиксированы значения длин волн, отвечающие переходам между режимами многофотонной апконверсии. 3) Разработана численная модель, рассчитывающая фактор Парселла интенсивности многофотонной фотолюминесценции КТ при помещении в ближнее поле резонансных наноструктур разного типа (кремниевые наночастицы, метоповерхности). 4) Разработана численная модель, оптимизирующая параметры массива полностью диэлектрических наноструктур (метаповерхностей) для многократного увеличения эффективности апконверсионного преобразования излучения в КТ при помещении их в “горячие точки”, образующиеся в результате взаимодействия магнито-электрических резонансных мод в наноструктурах. 5) Проведено тестирование прототипа высокоэффективного визуализатора фемтосекундных импульсов лазерного излучения широкого диапазона длин волн. В результате реализации проекта, будут разработаны и изготовлены прототипы высокоэффективного визуализатора фемтосекундных импульсов лазерного излучения широкого диапазона длин волн на базе прогрессивных подходов химического синтеза и передовых концепций современной нанофотоники в соответствии с мировым уровнем исследований. Достижение заявленных экспериментальных результатов создаст мотивацию для поиска и развития новых направлений перовскитной нанофотоники. Прикладная значимость результатов проекта связана с возможностью масштабного и дешевого производства гибких, прозрачных визуализаторов фемтосекундного лазерного излучения с высокой эффективностью оптического преобразования для новых лазерных и оптических технологий. Общественная значимость проекта заключается в том, что он направлен на развитие нового направления исследований в России с высоким уровнем научной и прикладной составляющей в интенсивно развивающихся областях химии и нанофотоники. Успешная реализация проекта способствует обучению молодых исследователей на задачах высокого международного уровня, может привести к созданию стартапов и новых рабочих мест в инновационном секторе российской экономики.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Был проведен синтез перовскитных квантовых точек (КТ) различного галогенидного CsPbCl2Br, CsPbBr3, CsPbBr2I, CsPbBrI2, CsPbI3, используя такие лиганды стабилизаторы как олеиламин/олеиновая кислота, олеиламин/2-гексилдекановая кислота, лецитин. Установлено, что при введении в полимерные матрицы (полистирол, полиэтилен, фторопласт-50 (PFA), поливинилиденфторид (PVDF), полидиметилсилоксан (ПДМС), фторполимер) наиболее стабильными оказываются КТ состава CsPbCl2Br, CsPbBr3. Отработан метод инкапсуляции КТ состава CsPbBr3 в фторполимерную матрицу методов электропрядения. Было установлено, что в процессе интеграции происходит рекристаллизация КТ, что упрощает синтез и предотвращает агломерацию КТ при сохранении их среднего начального размера. Проведено исследование структурных и оптических свойств КТ, инкапсулированных в полимерную матрицу. Было доказано сохранение среднего размера и кристаллической фазы КТ после инкапсуляции в полимерную матрицу. Исследованы однофотонное и многофотонное поглощение полученных образцов. Показано, что пик двухфотонной фотолюминесценции (ФЛ) смещается в длинноволновую спектральную область на 7 нм в силу меньшей заселенности уровней зоны проводимости в случае двухфотонного возбуждения из-за менее эффективного процесса поглощения. Линейная аппроксимация зависимости интенсивности сигнала двухфотонной ФЛ от плотности падающей энергии в логарифмическом масштабе имеет 1,9 что соответствует процессу второго порядка нелинейности и указывает на отсутствие агломератов КТ в образце. Квантовый выход ФЛ КТ в полимерном волокне составлял ~2%. Показано, что скорость затухания сигнала ФЛ после 30 минут непрерывного возбуждения составляла около 10% от первоначального значения, что в три лучше, чем значение для КТ без инкапсуляции. Также показана высокая стабильность инкапсулированных КТ при воздействии воды - сигнала ФЛ падал до ~ 33% от первоначального значения через неделю после добавления воды с последующей просушкой. Построена модель усиления интенсивности двухфотонной ФЛ перовскитных КТ в полимерной матрице при интеграции с резонансными кремниевыми наночастицами (НЧ Si) в полимерной матрице. Определен оптимальный размер НЧ Si равный 160 нм для достижения наиболее эффективного спектрального перекрытия эмиссии одиночной КТ состава CsPbBr3 (λ~505 нм) с магнитной квадрупольной модой частицы кремния (λ~503 нм) в ближнем поле НЧ. Численно рассчитано усиление фактора Парселла в рассматриваемой системе через отношение импедансов диполей, расположенных вблизи НЧ и в её отсутствие соответственно. Полученное значение равнялось 2. Полное усиление интенсивности двухфотонной ФЛ КТ CsPbBr3 в ближнем поле НЧ Si на длине волны возбуждения λ = 1050 нм было равно 10. Экспериментально исследованы резонансное усиление локальных полей и эффективность нелинейных оптических преобразований в неупорядоченных массивах диэлектрических наноструктур типа нитевидные нанокристаллы (ННК) на основе фосфида галлия (GaP), инкапсулированных в полимерную матрицу [https://www.popmech.ru/science/news-607993-fiziki-nashli-sposob-sdelat-infrakrasnoe-izluchenie-vidimym/, https://nplus1.ru/news/2020/08/20/nanowire-ir-visor]. Было показано, что отношение генерируемой мощности к падающей мощности излучения составила порядка 10-4 при средней длине ННК 12 мкм. Установлено, что образцы с ННК дают гораздо большую мощность излучения нелинейной генерации, рассеянную под ненулевыми углам. Генерируемое исследуемыми образцами излучение на удвоенных частотах видно со стороны невооруженным глазом при нормальном фоновом освещении, что связано с геометрией ННК, обеспечивающей эффективное рассеяние света в прямом и обратном направлениях. Построена численная модель для оценки усиления локальных полей в неупорядоченных массивах GaP ННК, инкапсулированных в полимерную матрицу, для дальнейшей интеграции с перовскитными КТ. Показано, что спектры полного линейного рассеяния ННК содержат ярко выраженные резонансы на фундаментальной длине волны из-за возбуждения Фабри-Перо HE11 мод, распространяющихся вдоль оси ННК. Рост порядка моды приводит к ослаблению её взаимодействия с падающей волной, приводя к уменьшению эффективности возбуждения. Было рассчитано усиление поля на длине волны возбуждения, соответствующей двухфотонному экситону КТ CsPbBr3 (~1050nm), равное 2.4, что дало усиление интенсивности нелинейной ФЛ равное 5.76 при размещении КТ вблизи резонансного ННК. Была построена численная модель усиления локальных полей массивов упорядоченных наноструктур - метаповерхностей - интегрированных с перовскитами составов CsPbBr3 и CsPbCl3. Были выявлены и оптимизированы факторы влияющие на что положение и добротность резонанса в таких структурах. Подобран дизайн и геометрические параметры метаповерхностей для получения усиления на длине волны 528 нм для усиления однофотонной ФЛ перовскита CsPbBr3 и усиления двухфотонной ФЛ перовскита состава CsPbCl3 на длине волны 853 нм. Был рассчитан фактор усиления ФЛ, который равен ~20 в случае моделирования состава СsPbBr3 на длине волны 528 нм и ~297 в случае слоя CsPbCl3 на длине волны 853 нм. Оценка добротности резонансов показала Q29 и Q98, в обоих случаях форма спектра имеет форму Фано, что характерно для так называемых “quasi-BIC” резонансов. Кроме того, было выявлено, что вариация толщины слоя позволяют управлять спектральным смещением резонанса - добавление перовскита приводит к смещению резонанса в длинноволновую область спектра. Большая толщина слоя приводит к большему смещению. Таким образом план работ за первый этап проекта выполнен и создан задел для успешной реализации плана второго этапа, а также для опубликования результатов в высокорейтинговых журналах.

 

Публикации

1. - Физики нашли способ сделать инфракрасное излучение видимым Популярная Механика, - (год публикации - ).

2. - Пассивный ИК-визор различил «цвета» N+1, - (год публикации - ).

3. Владимир В. Федоров, Алексей Большаков, Ольга Сергаева, Владимир Неплох, Дарья Маркина, Стефани Брюер, Грегуар Сэренс, Михаил И. Петров, Рэйчел Гранж, Мария Тимофеева, Сергей В. Макаров и Иван С. Мухин Gallium Phosphide Nanowires in a Free-Standing, Flexible, and Semitransparent Membrane for Large-Scale Infrared-to-Visible Light Conversion ACS NANO, Том: 14 Выпуск: 8 Стр.: 10624-10632 (год публикации - 2020).

4. Неплох Владимир, Маркина Дарья, Баева Мария, Павлов Антон, Кириленко Демид, Мухин Иван, Пушкарев Анатолий, Макаров Сергей, Сердобинцев Алексей Recrystallization of CsPbBr3 Nanoparticles in Fluoropolymer Nonwoven Mats for Down-and Up-Conversion of Light. NANOMATERIALS, - (год публикации - 2021).