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 22-29-01037

НазваниеЭлектрически и оптически конфигурируемые суб-ТГц/ТГц металинзы

РуководительКайдашев Владимир Евгеньевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые словаМетаповерхность, VO2, суб-ТГц,ТГц, металинза, сильно связанные плазмонные наночастицы

Код ГРНТИ29.19.22

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для развития телекоммуникационных систем нового поколения 6G, развития приборной базы медицинской ТГц “спектральной микроскопии” и диагостики злокачественных опухолей на коже и заболеваний глаза, а также систем машинного зрения в ТГц области спектра требуются новые электрически и оптически реконфигурируемые метаповерхности для манипулирования волновым фронтом суб-ТГц пучка, в частности, плоские металинзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. В данном проекте предлагается исследовать новые принципы построения ТГц метаповерхностей (металинз) на основе VO2 и HfO2, массива металлических антенн, сильно связанных плазмонных наночастиц, прозрачных резистивных нагревателей или/и электродов из графена, которые способны динамически манипулировать волновым фронтом плоской волны в диапазоне 0.1 – 3 THz, изучить сопутствующие фотоэлектрические процессы в гибридных системах, а также плазмонные и фототермичические эффекты, наведённые плазмонно связанными наночастицами Au в функциональных структурах из VO2. Предложенные метаповерхности, способные в каждой точке волнового фронта реконфигурировать интенсивность и фазу проходящей/отраженной ТГц волны и адресуемые при помощи проецируемой световой картинки (матрицы световых пикселей) излучения малой интенсивности ближнего ИК или видимого диапазона при одновременном пропускании предпорогового электрического тока – это “новое слово” в динамическом управлении суб-ТГц/ТГц лучами. Предлагаемые макроскопические (~1cm2) массивы суб-10нм “горячих точек” на основе массивов сильно связанных плазмонных наночастиц позволят дополнительно кратно понизить порог фотопереключения, что также является уникальным конкурентным преимуществом в умных метаповерхностях подобного класса. Изучение особенностей протекания фотоиндуцированных электронных и тепловых процессов в таких поверхностях и их влияние на ТГц свойства всей системы является центральной (фундаментальной) задачей настоящего исследования. Изучение влияния топологии метаповерхности и плазмонных систем на характеристики гибридной метаповерхности в целом является второй (практически значимой) задачей.

Ожидаемые результаты
Главными результатами проекта будут изучение особенностей фазового перехода "изолятор-металл" в микроструктурированных элементах ТГц металинз и изучение комплекса факторов, определяющих (1) минимальные пороговые мощности лазерного излучения и токи, достаточные для управления системой, (2) лимитирующие факторы, влияющие на фокусировку ТГц излучения, (3) быстродействие. Основной отличительной чертой таких ТГц металинз будет возможность управления их фокусным расстоянием при помощи оптических и электрических сигналов. Достижению данного результата будет предшествовать решение следующих задач: (1) будут отработаны технологические процессы изготовления высококачественных эпитаксиальных пленок VO2 и тонких пленок HfO2, металлических микроантенн, прозрачных электронагревательных элементов/электродов из графена и макроскопических массивов сильно связанных плазмонных Au наночастиц на поверхности VO2. (2) будут отработаны методики литографического изготовления высокоэффективных прозрачных нагревательных элементов и проводов из графена на поверхности VO2. (3) будут изучены новые топологии и подходы к построению оптически и/или электрически “программируемых” ТГц металинз на основе VO2 и HfO2, а также изучены особенности управления такими устройствами. (4) будут исследованы фотоиндуцированные электронные и фототермические процессы в системах, приводящие к снижению порога фото-индуцированного переключения “ТГц пикселей”, выявлены подходы и диапазоны повышения эффективности и разрешающей способности динамических ТГц металинз. Фундаментальная (научная) значимость развития данной области состоит в необходимости поиска и изучении свойств новых эффективных гибридных метаматериалов для расширения элементной базы фотоники. Знания о физике процессов, полученные в результате характеризации этих материалов приведут к формированию экспериментальных и теоретических основ для ряда актуальных направлений суб-ТГц/ТГц/ИК фотоники. В частности, предложенные в проекте подходы к снижению порога фотоиндуцированного переключения более чем на 5 порядков за счет пропускания предпорогового тока, а также по реконфигурированию ТГц свойств метаповерхностей при помощи засветки “световой матрицей” имеют высокую актуальность и соответсвуют мировому уровню. Действительно, в настоящее время сформировался запрос на переход от широко изученных “статических” метаповерхностей к динамически ре-конфигурируемым. А именно, идет работа над реализацией динамической адресации/перекодирования отдельных “пикселей” поверхности для воздействия на двумерное распределение фазы/интенсивности внутри фронта проходящей/отраженной ТГц волны. В более широком аспекте изученные принципы составят основу не только “металинз”, но и большого класса различных динамически ре-конфигурируемых устройств для динамического манипулирования волновым фронтом суб-ТГц/ТГц волн при помощи световых и электрических сигналов. Использование в составе данных метаповерхностей макроскопических массивов сильно связанных плазмонных Au наночастиц предоставит предлагаемым устройствам дополнительные уникальные конкурентные преимущества в эффективности по сравнению с существующими мировыми аналогами. Изучение фотоиндуцированного нагрева и локальных полевых эффектов в сильно связанных плазмонных наносистемах на поверхности пленок из фотопереключаемого VO2 также имеет высокую актуальность и имеет самостоятельную научную значимость. Действительно, данные плазмонные и фототермические эффекты являются общими для различных систем и полученные занния лягут в основу будущих устройств ИК/ТГц фотоники: устройств ИК хемосенсорики, “идеальных ИК поглотителей”, фотодетекторов и других. Полученные в результате проекта данные о способах построения метаповерхносей, топологии, влияющей на их ТГц свойства, а также особенностях протекания фотоэлектрических процессов будут учитываться/ лягут в основу создания новых телекоммуникационных устройств технологии 6G, устройств и методов “in-situ” анализа состава биологических объектов при диагностики вредоносных опухолей на коже и заболеваний глаза методами ТГц Фурье спектроскопии, проведении онкологических операций. Новые принципы постоения плоских металинз также будут востребованы при построении приборов суб-дифракционной ТГц “спектральной микроскопии” для неразрушающего послойного анализа твердых образцов, а также для развития систем машинного зрения в ТГц области спектра. Предложенные к изучению свойства фотоиндуцированного переключения метаповерхностей из VO2 при протекании тока пока практически не изучались ранее. Коллектив имеет многолетний опыт работы с методами нанотехнологии и изучения ТГц и ИК свойств различных систем, что подтверждено наличием публикаций в высокорейтинговых журналах Q1. Коллектив имеет совместный научный задел в области метаповерхностей на основе VO2 и сильно связанных плазмонных наносистем. Это позволяет с высокой долей вероятности ожидать, что результаты проекта будут соответствовать мировому уровню исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Изготовлены эпитиксиальные пленки VO2 с резким фазовым переходом полупроводник-металл [Optimizing deposition regimes to fabricate vanadium dioxide film for active metasurfaces,«Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки» №3.3, Т.15, 2022. DOI.org/10.18721/JPM]. В результате температурного фазового перехода в данных пленках существенно изменяется отражение: (1) в среднем ИК диапазоне (на 10 мкм) отражение увеличивается с 2.5% до 56% (2) в ближнем ИК диапазоне 800 нм отражение уменьшается с 37 % до 22%; в суб-ТГц/ТГц диапазоне пропускание ТГц излучения уменьшается уменьшается с ~33% до 6% [arXiv:2204.13427 ]. Изготовленные метаповерхности из двумерных массивов Au “микроантенн-бабочек” на подложках SiO2/Si и VO2/Al2O3, которые имеют минимум в спектре ТГц пропускания, который варьируется в диапазоне 0.85-1.36 ТГц для антенн при масштабировании их размера. Изучено переключение электрических свойств а также ТГц пропускания таких метаповерхностей из Au/Ti/VO2/Al2O3, путем (1) теплового нагрева, (2) нагрева при пропускании электрического тока, а также (3) гибридным методом при пропускании предпорогового тока (~70 мА) и переключения нефокусированным светом (~4 мм) малой мощности (~50-60 мВт). Порог оптического переключения в последнем случае равен 0.4 Вт/cm2 и 0.32 Вт/cm2 для непрерывного лазерного излучения 808 нм и 404 нм, соответственно. Эти значения более чем на 6 порядков (!!!) ниже плотности мощности, требуемой для нагрева до температуры перехода и последующего переключения пленки VO2 при помощи фокусированного света. Изучен способ дальнейшего понижения порога фотоиндуцированного переключения при помощи плазмонных эффектов. Для этого на поверхность VO2 был нанесен монослой Au плазмонно связанных наночастиц размером ~10 нм. Порог переключения оптическим способом для такой метаповерхности, активированной наночастицами, был измерен равным 0.28 Вт/cm2 (35 мВт в пятне диаметром 4 мм), что на ~30% ниже по сравнению с 0.4 Вт/cm2 для аналогичной поверхности без наночастиц [arXiv:2204.13427]. Разработана топология и отработаны технологические процессы изготовления первого прототипа будущей металинзы для среднего ИК/ТГц диапазона частот на основе VO2 и Au/Ti электродов. Количественно изучен фототермический эффект наведенный при лазерном облучении в структурах “Au наночастицы/LiNbO3”, “Au нанозвезды/LiNbO3” а также в гибридных структурах “Au нанозвезды/VO2/TiO2/LiNbO3”. Прецизионный in-situ контроль температуры поверхностей при облучении лазером 808 нм осуществлялся при помощи поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль пленки VO2 по поверхности пьезоэлектрической подложки LiNbO3. На поверхности подложки LiNbO3 возбуждалась поверхностно-акустическая волна. В температурно некомпенсированных кристаллах LiNbO3 скорость волны меняется при малых изменениях температуры поверхности кристалла. Изменение скорости волны регистрировалось посредствам наблюдаемого сдвига фазы приходящего радиосигнала. Более того, изменение проводимости пленки VO2 в случае структур “Au нанозвезды/VO2/TiO2/LiNbO3” отслеживалось по изменению затухания ПАВ во время температурного фазового перехода в VO2. Изменения фазы и затухания ПАВ производилось одновременно во время воздействия на структуру лазерного излучения или при нагреве теплом. Отработаны методики изготовления плазмонных “би-слоев” из Au наночастиц/Au перколяционной пленки на поверхности SiO2 и изучены их плазмонные свойства.

Публикации

1. В.Е. Кайдашев, А.С. Славич, И.К. Домарацкий, С.С. Жуков, Р.Киртаев, Д.А. Мыльников, М.Е. Кутепов, Е.М. Кайдашев Electrically reduced optical switching threshold of VO2-based THz metasurface arxiv.org, arXiv:2204.13427 (год публикации - 2022)

2. М.Е. Кутепов, И.К. Домарацкий, C.С. Жуков, Е.М. Кайдашев, И.В. Лисневская, К.Г. Абдулвахидов, В.Е. Кайдашев Optimizing deposition regimes to fabricate vanadium dioxide film for active metasurfaces,Научно-технические ведомости СПбГПУ Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18721/JPM

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Разработаны топологии и отработаны технологические процессы изготовления 4 различных типов металинз на основе VO2 и Au/Ti электродов для волн среднего ИК, а также ТГц диапазона частот, работающих в геометрии работы “на отражение” и “на просвет”. Изучены способы частичного переключения только центральной области ТГц металинзы (для длины волны ~9.3 мкм, f=32ТГц) при помощи проецируемой на ее обратную сторону световой голограммы (c плотностью мощности ~1.4 W/cm2) при одновременном разогреве металинзы путем пропускания через все ее “пиксели” постоянного тока. Экспериментально подтверждена возможность осуществления оптической адресации к металинзе (переключение ее областей). Изучены особенности внутренней структуры фронта отраженного ИК луча от металинзы при освещении ее центральной области световым пучком диаметра охватывающего различное количество зон Френеля. Проведена характеризация волновых фронтов отраженной волны в среднем ИК диапазоне частот на различном расстоянии от поверхности металинзы. Макроскопические квазиоднородные массивы Au наночастиц способны эффективно поглощать падающее ИК излучение и демонстрируют существенный фототермический эффект, который способен повысить эффективность процесса фотоиндуцированного переключения VO2. Для целей изучения особенностей протекания фототермических эффектов в сложных гибридных греющихся наносистемах и метаповерхностях на их основе разработан новый метод одновременного контроля изменяемой температуры и электрической проводимости нанокомпозитных пленок при помощи проходящей по поверхности подложки LiNbO3 акустической волны путем регистрирации сдвига фазы ПАВ (изменения скорости волны) и затухания, вносимого увеличением проводимости системы при фазовом переходе в VO2. Метод может достигать разрешения регистрации температуры не хуже 0.1 °C что сравнимо с лучшими из известных методик для изучения нагрева нанообъектов и поверхностей. При помощи данного метода нами изучены фототермические эффекты в макроскопическом массивах нанозвезд с различной плотностью покрытия, в монослое плазмонно связанных 10 нм Au наночастиц на подложках LiNbO3, в пленках VO2/TiO2/LiNbO3 [Kaydashev et. al, Materials 2023, 16, 2579, doi.org/10.3390/ma16072579]. Изучены оптически индуцированные фазовые переходы в гибридных композитах вида “Au частицы- пленкаVO2” для ряда систем вида Au нанозвезды/VO2/TiO2/LiNbO3 с различной степенью покрытия наночастицами при варьировании мощности лазерного излучения и одновременном подогревании VO2 до порогового состояния. Монослой изолированых Au нанозвезд или Au плазмонно связанных наночастиц нанесенный на поверхность VO2 увеличивают фототермический эффект, и повышает температуру поверхности на ~4-5 C когда поверхность облучается светом лазера в ближнем ИК диапазоне (~800 нм) с плотностью мощности ~25 W/cm2. Обнаружено, что композитные пленки VO2/TiO2/LiNbO3 имеют необычные свойства, отличные от пленок VO2/Al2O3. А именно, проводимость данных пленок можно стабилизировать в любой точке внутри фазового перехода изолятор-металл и точно подстроить между полупроводниковым и металлическим состоянием при помощи увеличения мощности облучающего лазера или нагрева теплом, электрическим током. Полагаем, что этот уникальный “эффект памяти” будет использован в перестраиваемых устройствах фотоники ИК/ТГц диапазона, в том числе в ТГц “градиентных метаповерхностях”. В полезен более широком смысле данный метод может быть также для мониторинга фототермических и хемотермических эффектов в гибридных наносистемах и оптоэлектронных устройствах. Изучены особенности поглощения света ближнего ИК диапазона связанными плазмонными наносистемами вида "100 нм Au наностержни-перколяционные пленки с суб-10 нм зазорами" c различной степенью сильной плазмонной связи (с толщинами разделительных диэлектрических прослоек 2-5 нм) в зависимости от угла падения поляризованного излучения. Наибольшая степень гибридизации поперечных плазмонных мод стержней и щелевых мод перколяционной пленки наблюдается для систем с толщиной прослойки 4 нм. Ожидается, что фототермический эффект в данной системе сильно зависит от величины компоненты вектора напряженности света при падении на поверхность под углом, причем поглощение будет возрастать при увеличении этой нормальной компоненты.

Публикации

1. Кайдашев В., Хлебцов Б., Кутепов М., Никольский А., Козаков А., Константинов А., Михейкин А., Карапетян Г., Кайдашев Е. Photothermal Effect and Phase Transition in VO2 Enhanced by Plasmonic Particles Materials, Materials 2023, 16, 2579 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16072579

2. Кайдашев В.,Славич А.,Домарацкий И, Жуков С.,Киртаев Р., Мыльников Д., Алымов Г., Кутепов М., Кайдашев Е. Reconfigurable VO2 metasurfaces with hybrid electro-optical control: manipulating THz radiation with 0.3 W/cm2 light Applied Optics, Applied Optics Vol. 62, No. 18, p. 4942 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1364/AO.490081

3. Кайдашев В.,Кутепов М.,Никольский А.,Козаков А.,Жуков С.,Константинов А., Михейкин А., Карапетян Г., Кайдашев Е. Vanadium Dioxide Films on LiNbO3 Substrates for Programmed Gradient Metasurfaces 2023 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications”(PHENMA 2023) : Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023), 2023 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications”(PHENMA 2023) : Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023) (год публикации - 2023)

4. - Бум «плоской оптики» следует ожидать в ближайшие 5–7 лет: в ЮФУ создан метод точного мониторинга фототермических эффектов в реконфигурируемых метаповерхностях Сайт Южного Федерального университета, - (год публикации - )

5. - В России разработали новый материал для современных оптических элементов ТАСС, - (год публикации - )

6. - УЧЕНЫЕ СОЗДАЛИ МЕТОД ТОЧНОГО МОНИТОРИНГА ЭФФЕКТОВ В МЕТАПОВЕРХНОСТЯХ Научная Россия, - (год публикации - )

7. - Метод точного мониторинга фототермических эффектов в реконфигурируемых метаповерхностях Информационный портал РАН, - (год публикации - )

8. - В ЮФУ создан метод точного мониторинга эффектов в метаповерхностях Naked Science, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
результаты могут быть использованы при создании новых устройств плоской оптики ТГц и среднего ИК диапазонов для новых лабораторных научных и медицинских приборов, лабораторных устройств неразрушающей дефектоскопии и проч.