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 22-13-00101

НазваниеХиральные (квази)двумерные экситонные и плазмонные наноструктуры на основе коллоидных атомно-тонких халькогенидов металлов

РуководительВасильев Роман Борисович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2022 - 2024 

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова2D материалы, наноструктуры, полупроводники, коллоидные системы, хиральность, экситоны

Код ГРНТИ31.15.19


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку и создание нового типа хиральных (квази)двумерных полупроводниковых материалов на основе атомно-тонких наноструктур полупроводников группы АIIВVI и халькогенидов меди, сопряженных с диссиметричными органическими лигандами. В проекте будут разработаны подходы к созданию коллоидных атомно-тонкий наноструктур с прецизионно заданной толщиной на уровне единиц монослоев (порядка и менее 1 нм) и протяженными латеральными размерами в сотни нм, отвечающие составу [M(n+1)E(n)L(2)], где M = Cd или Zn, E = S, Se или Te, L – хиральный органический лиганд X-типа в анионной форме, содержащий ассиметричный атом углерода, а n – число монослоев. Этот новый тип атомно-тонких полупроводников по своим свойствам дополняет свойства широко исследуемых в настоящее время двумерных материалов на основе эксфолиированных слоистых соединений (графен, MoS2 и др.), но в отличие от последних имеет ковалентно-модифицированную границу раздела полупроводник/лиганд, что принципиально важно для индуцирования в них хирального состояния за счет связывания с хиральными лигандами, причем в атомно-тонком двумерном полупроводнике эффект от таких лигандов на двух поверхностях наноструктуры становится кумулятивным. Коллоидный рост данных наноструктур на масштабе толщин в один монослой по своим возможностям близок к классическим методам молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), однако в отличие от последней, он позволяет модифицировать границы раздела органическими лигандами. Использование хиральных органических лигандов с асимметричным окружением атома углерода позволит индуцировать хиральное возмущение в полупроводниковом атомно-тонком ядре наноструктуры, которое будет влиять на экситонные (в соединениях АIIВVI) и плазмонные (в халькогенидах меди) возбуждения. Поскольку энергии и вероятности оптических переходов в случае такого возмущения становятся зависящими от спиновой переменной, описанные наноструктуры имеют очевидные перспективы для использования в спин-чувствительных (спинтронных) элементах будущих электронных и оптоэлектронных устройств, что и определяет актуальность проекта. Научная значимость проекта заключается в установлении закономерностей хироптических свойств двумерных полупроводниковых атомно-тонких полупроводников, покрытых органическими лигандами и представляет принципиальное значение для разработки нового класса электронных приборов, сочетающих в себе оптоэлектронные и спинтронные свойства. Фундаментальные исследования – изучение in situ процессов формирования хиральных наноструктур, исследование их оптических и хирооптических свойств комплексом спектроскопических методов вместе с детальной характеризацией их состава, морфологии, размеров, кристаллической структуры набором современных методов диагностики, в том числе с атомным разрешением, дополненные моделированием их электронной структуры и координации лигандов с помощью расчетов из первых принципов – позволят установить корреляции между составом, структурой, состоянием поверхности и хироптическими свойствами наноструктур и позволят найти новые подходы для достижения максимальной вращательной силы экситонных и плазмонных переходов. Новизна проекта состоит в использовании геликоидального поля асимметричного атома углерода хиральных лигандов для направленной модификации свойств экситонной и плазмонной подсистем в двумерных атомно-тонких полупроводниковых наноструктурах. Двумерный конфайнмент ответственен за образование стабильных при комнатной температуре экситонов, а уменьшение толщины полупроводникового ядра до предельно возможной толщины и гибридизация лигандов за счет сильного ковалентного связывания лигандов с базальными поверхностями наноструктуры будет приводити к максимальному эффекту взаимодействия хиральных лигандов и экситонов/плазмонов, что позволяет достичь максимальной диссимметрии наноструктур. Проявление выраженного кругового дихроизма в видимом оптическом диапазоне при комнатной температуре открывает новые возможности для создания хироптических материалов для различных применений. Заметим, что неорганические наноструктуры особенно привлекательны для практических применений из-за повышенной стабильности их оптических и электронных свойств по сравнению со органическими молекулами. Проект представляет собой междисциплинарное фундаментальное исследование на стыке наук: неорганической, физической и коллоидной химии, химии твердого тела, химии и физики полупроводников и материаловедения. Результаты проекта представляют непосредственный интерес для двумерной оптоэлектроники, спинтроники и фотоники.

Ожидаемые результаты
Результаты выполнения проекта позволят развить фундаментальные представления о возможности получения состояний с высокой вращательной силой перехода и достижения спиновой поляризации в двумерных экситонной и плазмонной подсистемах атомно-тонких полупроводниковых наноструктур и взаимосвязи их хироптических свойств и состава/строения/размеров. Конкретные результаты проекта будут включать: - Разработанные подходы к росту в коллоидных системах для достижения формирования атомно-тонких наноструктур с прецизионно заданной толщиной порядка одного нанометра и протяженными латеральными размерами в сотни нанометров, отвечающие составу [M(n+1)E(n)L(2)], где M = Cd, Zn, или Cu, E = S, Se или Te, L – органический лиганд X-типа в анионной форме, n – число монослоев, на основе халькогенидов кадмия, цинка и меди. Механизмы двумерного роста атомно-тонких наноструктур в коллоидных системах на основе анализа методами оптической спектроскопии, в том числе in-situ. Результаты анализа двумерного роста в присутствии лигандов-промоутеров такого роста на основе хиральных органических кислот, содержащих асимметричный атом углерода. - Разработанные подходы к заданию состава сопряженной системы лигандов на поверхности наноструктур с использованием обмена лигандов на базальных плоскостях коллоидных атомно-тонких наноструктур на хиральные органические соединения классов карбоксилатов и тиолатов, содержащих асимметричный атом углерода. - Результаты анализа состава, структуры, морфологии, размеров, состава лигандов на поверхности атомно-тонких наноструктур с помощью методов ПЭМ, ПЭМВР, РЭМ, HAADF-STEM, STEM-EDX, рентгеновской и электронной дифракции, РФлА, ИК-спектроскопии сопоставленные с комплексным изучением оптических свойств набором спектроскопических методов, включая спектроскопию поглощения, спектроскопию люминесценции (в том числе с анализом поляризации), спектры возбуждения люминесценции, температурные зависимости фотолюминесценции . - Результаты анализа хироптических свойств с использованием экспериментальных методом спектроскопии кругового дихроизма дополненных результатами расчета электронной структуры, геометрии наноструктур (с определением координации лигандов), интенсивности оптических переходов из первых принципов. - Разработанные подходы для достижения максимальной вращательной способности оптически активных переходов в двумерных экситонной и плазмонной подсистемах наноструктур. Результаты проекта представляют непосредственный интерес для двумерной оптоэлектроники, спинтроники и фотоники. Возможность контроля спиновой поляризации при поглощении фотона в хиральных экситонных двумерных системах позволяет ожидать совмещения быстродействия оптоэлектроники и манипуляций спином в спинтронике. Все ожидаемые результаты полностью соответствуют мировому уровню, а исследование хироптических свойств предельно-тонких популяций наноструктур AIIBVI являются пионерскими. Результаты исследований планируется опубликовать в ведущих международных научных журналах: Chemistry of Materials (IF 9.811), ACS Nano (IF 15.880), ACS Photonics (IF 7.529), Journal of Luminescence (IF 3.599), Journal of Physical Chemistry C (IF 4.126), ACS Applied Materials and Interfaces (IF 9.229), и российских журналах: Успехи химии, Неорганические материалы, Физика и техника полупроводников, Неорганическая химия. Результаты будут доложены на международных конференциях: E-MRS Meetings, Advanced Laser Technologies, Photonic Colloidal Nanostructures: Synthesis, Properties, and Applications, MetaNano, Фотоника: Российская конференция по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ