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.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате выполнения работ по проекту в отчетном периоде были отработаны методы интеграции перовскитных квантовых точек состава СsPbBr3 с резонансными нано и микроструктурами следующего типа: кремниевые сферические наночастицы, нитевидные нанокристаллы фосфида галлия, микросферы CaCO3 и массивами кремниевых наноциллиндров. Был разработан метод синтеза низкоразмерными микроплейтами состава CsPbCl3 для интеграции с высокодобротными метаповерхностями прямоугольных димеров фосфида галлия и отработана технология неразрушающего трансфера перовскитных наноструктур на метаповерхность. Также была разработана новая технология фабрикации метаповерхности фосфида галлия - прямой рост слоя фосфида галлия на сапфировой подложке с последующей литографией. Разработанный метод позволяет упростить классический процесс, уменьшая количество этапов, а также получить периодические структуры высокого качества и высокой степени кристалличности. Комплексная оптическая характеризация полученных образцов показала, что среднее усиление интенсивности сигнала фотолюминесценции перовскитных квантовых точек вблизи кремниевых наночастиц в области их равномерного распределения равно ~3.5. Усиление получено за счет эффекта Парселла при достижении эффективного спектрального перекрытия резонансных мод наночастиц с экситоном квантовых точек, численного предсказанного на первом этапе выполнения проекта. Однако, интегральное значение изменения сигнала фотолюминесценции по площади всего образца с наночастицами кремния по сравнению с образцом без наночастиц не выявляет значительного усиления. Продемонстрировано двухкратное усиление сигнала двухфотонной фотолюминесценции СsPbBr3 квантовых точек в микросферах CaCO3 на резонансах Ми около длины волны 670 нм по сравнению с сигналом фотолюминесценции на нерезонансной длине волны - 730 нм, что согласуется с проведенным численным моделированием, предсказывающим усиление электрического поля в резонансах до 2,1. Резонансное происхождение усиления спектра фотолюминесценции подтверждено результатами темнопольной микроскопии и моделирования. Получено почти шестикратное усиление сигнала нелинейной трехфотонной фотолюминесценции квантовых точек состава CsPbBr3, интегрированных с массивами кремниевых наноциллиндров, на длине волны накачки ~1510 нм, что обосновано Ми-резонансом последних на длине волны ~1505 нм. Экспериментально и теоретически показано наличие выраженного резонанса связанных состояний в континууме (BIC) метаповерхности фосфида галлия в гамма-точке на длине волны 823 нм с добротностью равной 98. Показано десятикратное усиление сигнала генерации второй гармоники от метаповерхности на длине волны 412 нм за счет указанного резонанса. Продемонстрировано шестикратное усиление эффективности фотолюминесценции от микроплейтов состава CsPbCl3 на метаповерхности фосфида галлия при двухфотонном возбуждении за счет квази-BIC резонанса метаповерхности в диапазоне 822-833 нм и в 20 раз на длине волны резонанса (~832 нм) по сравнению с аналогичным микроплейтов на сапфировой подложке. Показана двухфотонная лазерная генерация от перовскитных резонансных наночастиц состава CsGeI3, покрытых полидиметилсилоксаном, на длине волны накачки фемтосекундного лазера 1580 нм при пороге 26 мкВт. Показано, что зависимость интенсивности сигнала от мощности накачки имеет типичный S-образный характер. Полученные образцы прототипов визуализаторов инфракрасного излучения, демонстрирующих яркую люминесценцию в широком диапазоне длин волн. Полученные визуализаторы полупрозрачны, демонстрируют высокое пропускание света, стабильную фотолюминесценцию с постоянной яркостью в отсутствии разрушения лазерным лучом с мощностью до 4 Вт. Полученные прототипы в перспективе могут успешно конкурировать с коммерческими по своим оптическим свойствам, демонстрируя пороговую плотность энергии визуализации того же порядка величины, что и визуализаторы инфракрасного диапазона производства Thorlabs, однако обладают значительным преимуществом в прозрачности, позволяя не препятствовать распространению лазерного пучка после визуализации.