Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Изготовлены образцы тестовых структур на основе коллоидных квантовых точек (СdSe/CdS, CdSe/CdS/ZnS, InP) и HPHT наноалмазов (размеры 10-150 нм) с азотными вакансиями, полученные методом спинкоутинга и осаждения из раствора. Были подобраны оптимальные для наблюдения источников одиночных фотонов концентрации квантовых точек и наноалмазов в растворе, составившие 10^12 шт/мл и 1 мг/мл соответственно. В качестве наилучшей технологии создания пленок квантовых точек был выбран спинкоутинг, для наноалмазов - осаждение из водно-спиртового раствора на нагретую до 120 ˚C поверхность. 2. Произведен морфологический анализ пленок квантовых точек и наноалмазов, полученных методами спинкоутинга и осаждения из раствора. По результатам характеризации образцов методами атомносиловой и электронной микроскопии были получены распределения по размерам наноалмазов и квантовых точек. Так, средний размер квантовых точек составил около 10 нм, а средний размер наноалмазов около 50 нм (разброс от 10 до 150 нм). 3. Получены люминесцентные характеристики коллоидных квантовых точек (CdSe/CdS и CdSe/CdS/ZnS). Спектры люминесценции имели гауссову форму с достаточно узкой шириной на полувысоте (около 30 нм) и максимумами для CdSe/CdS - 600 и 620 нм, CdSe/CdS/ZnS - 630 нм. Спектры поглощения растут в сторону коротких длин волн, первый максимум поглощения сдвинут относительно максимума люминесценции (Стоксов сдвиг) на 10-15 нм. Пики спектров поглощения и возбуждения совпадают с точностью единиц нанометров. Анализ кинетики люминесценции квантовых точек показал характерное время затухания люминесценции 5-10 нс для наночастиц CdSe/CdS и 20 нс для CdSe/CdS/ZnS. Полученные спектры фотолюминесценции наноалмазов, измеренных при мощностях лазера-возбуждения 1 мВт, 300 мкВт и 30 мкВт, имеют широкие фононные полосы люминесценции от 560 нм до 800 нм. 4. Результаты моделирования напряженности электрического поля при высвечивании эмиттеров в квантовых точках и наноалмазах. Получены карты напряженности электромагнитных полей для квантовой точки с излучающими диполями направленными вдоль и поперек границы раздела воздушной среды и среды подложки. Также получены диаграммы направленности излучателей. При горизонтально расположенном диполе диаграмма направленности указывает на то, что максимум излучения направлен в сторону стеклянной подложки. При вертикальном диполе диаграмма направленности напоминает диаграмму свободно расположенного диполя. 5. Получены карты интенсивности люминесценции и скорости высвечивания для пленок одиночных квантовых точек и наноалмазов при возбуждении на длинах волн 375 и 532 нм. В процессе сканирования лазером возбуждения наблюдалось мерцание квантовых точек. При этом большей фотостабильностью обладали трехслойные квантовые точки. Максимальное количество отсчетов, выдаваемое одиночной квантовой точкой составило 100 тыс. отс./с, а NV центром - 250 тыс. отс./с (уровень насыщения). 6. Получены источники одиночных фотонов в квантовых точках и наноалмазах со значительным провалом (<0,2) в автокорреляционной функции второго порядка при нулевой временной задержке g^2(0). По величине провала функции оценено количество одиночных излучателей в дифракционном пятне. Функция автокорреляции была аппроксимирована двухэкспоненциальной моделью. Вычисление времен из функций автокорреляции позволило получить характерные времена жизни фотолюминесценции NV центров в исследуемых HPHT наноалмазах. Они составили значения от 10 нс до 25 нс. 7. По результатам проведенной работы подготовлены материалы для международной конференции и выступления на семинаре ФИАН. Кроме этого, по результатам проекта опубликована статья в журнале ASC Applied Nano Materials первой квартиля (Q1). Также представлен обзор современных достижений по тематике проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Представлены результаты по отработке методов нанесения и отжига наночастиц гексагонального нитрида бора (h-BN) размером до 15 нм. Были подобраны оптимальные для наблюдения одиночных наночастиц концентрации в растворе, лежащие в диапазоне 0,01-0,1 мг/мл. Обнаружено, что наночастицы h-BN не проявляют квантовых свойств без последующего после нанесения высокотемпературного отжига. Установлено, что отжиг в атмосфере аммиака при температуре > 1000 °С в течение часа позволяет впоследствии наблюдать в наночастицах нитрида бора одиночные излучатели. 2. Результаты морфологического анализа наночастиц h-BN методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии. Характерный размер наночастиц составил около 10 нм при их толщине в 1-2 нм. Сделан вывод, что наночастицы представляют собой двумерные структуры пластин. Методом конфокальной сканирующей микроскопии получены люминесцентные характеристики источников одиночных фотонов в наночастицах h-BN. При возбуждении лазером с длиной волны 532 нм в спектре излучателей наблюдаются ярко выраженная бесфононная линия и фононная боковая полоса. При возбуждении на 405 нм во множестве отдельных наночастицах в спектре присутствуют серии хорошо различимых линий в диапазоне от 450 нм до 600 нм. Анализ кривых затухания люминесценции показал, что характерные времена жизни излучения эмиттеров составляют 2-5 нс при разной оптической накачке (375 и 530 нм). 3. Получены люминесцентные дефекты в наночастицах h-BN с провалом в автокорреляционной функции второго порядка при нулевой временной задержке до g20=0,25, что подтверждает их однофотонную природу. Обнаружено, что статистика фотонов зависит от мощности лазерной накачки, а на больших временных масштабах наблюдается группировка фотонов, связанная с наличием долгоживущих метастабильных уровней. Показано, что излучатели могут проявлять эффект мерцания люминесценции, а также перехода в темное состояние с низким уровнем интенсивности фотолюминесценции. Наиболее явно эффект мерцания выражен при возбуждении лазером с синей длиной волны (405 нм), нежели с зеленой (532 нм). Было обнаружено, что при возбуждении дополнительным ультрафиолетовым лазером (375 нм) дефекты в наночастицах могут переходить в светлый режим из темного, что объясняется частичным отключением метастабильных состояний. Минимально необходимое время накопления отсчетов при измерении корреляционной функции для определения фотонной статистики излучения составляет около 1 минуты, но в то же время зависит от яркости источника. 4. На основе экспериментальных измерений автокорреляционных зависимостей одиночных центров в наночастицах h-BN была предложена модель энергетической структуры центра, содержащая пять уровней энергии, три из которых являются метастабильными. Показаны возможные каналы релаксации возбужденного электрона, как радиационные, так и нерадиационные. Произведено моделирование функций g(2), оценены скорости энергетических переходов, составившие порядка 0,1 ГГц для основного радиационного перехода и 1 МГц для переходов, связанных с метастабильными уровнями. 5. Представлены температурно-зависимые оптические характеристики микрокристаллов алмаза, синтезированных при высоком давлении и температуры (HPHT), содержащих 1.4 эВ Ni-центры окраски, излучающие в ближнем ИК (880 нм). Получена зависимость от температуры формы спектра и времени жизни люминесценции Ni-центров в интервале температур от комнатной до 85 °С. Показано, что 1.4 эВ Ni-центры эффективно возбуждаются в ультрафиолетовом диапазоне и имеют низкое поглощение в видимом диапазоне. Относительные температурные чувствительности по пику интенсивности и времени жизни люминесценции составили 1,3% К-1 и 0,42% К-1, соответственно. При этом температурная чувствительность, полученная по ширине спектра, достигла 1,45% К-1, что является высоким значением среди алмазных центров. Предложено объяснение температурной зависимости времени высвечивания центров в рамках теплового заселения энергетических уровней с большей константой скорости перехода. Также получены температурные характеристики для образцов чешуек h-BN и квантовых точек Ag2S, декорированных плазмонными золотыми наночастицами. Показано, что среднее время затухания люминесценции для квантовых точек в диапазоне температур до 80 ˚C убывает линейно с температурой, а относительная температурная чувствительность времени затухания люминесценции при комнатной температуре составляет 1,4 % К−1. Временные свойства излучения эмиттеров в h-BN в широком диапазоне температур остаются неизменными, в то время как температурная спектральная чувствительность составляет около 0,3 % К−1. 6. Проведен сравнительный анализ таких одиночных источников излучения, как квантовые точки, центры окраски в алмазе и гексагональном нитриде бора. Получено, что каждый из источников имеет свои преимущества и недостатки. Проведено сравнение по таким параметрам как спектральный состав, фотостабильность, время жизни люминесценции, квантовая эффективность, температурная чувствительность и детектируемая скорость отсчетов. Сделан вывод о том, что центра окраски в алмазе являются наиболее стабильными, самыми яркими являются дефекты в h-BN, а квантовые точки могут работать в широком диапазоне длин волн и времен люминесценции. 7. По результатам проведенной работы были сделаны доклады на конференциях и опубликована статья в журнале physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters второй квартили (Q2). Также результаты проекта войдут в кандидатскую диссертацию участника проекта, защита которой планируется в первой половине 2024 года. Кроме того, есть упоминания исследования в нескольких СМИ: https://indicator.ru/medicine/uchenye-nashli-medicinskoe-prilozhenie-dlya-almazov-s-defektami-03-11-2023.htm https://www.nkj.ru/archive/articles/49124/ https://nauka.tass.ru/nauka/19184223