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 19-79-10259

НазваниеНаноразмерные источники белого света на основе металлодиэлектрических наночастиц

РуководительАгеев Эдуард Игоревич, Кандидат технических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс 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 (41).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словаРезонансные металлодиэлектрические наноструктуры, метаповерхности, фемтосекундное лазерное воздействие, широкополосная фотолюминесценция, распад тонких пленок, лазерная печать

Код ГРНТИ29.31.21

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность разработки эффективных наноразмерных источников белого света обусловлена перспективами их применений не только в будущих устройствах активной нанофотоники (необходимых для создания систем обработки больших объемов данных), но и для реализации таких практических приложений как сверхкомпактные оптические чипы и визуализация в медико-биологических исследованиях. Целью настоящего проекта является улучшение эффективности металлодиэлектрических источников широкополосного излучения (разработанных в ходе реализации Проекта 2019 года), повышение скорости и стабильности их изготовления, а также их использование для практических применений (например, в системах детектирования, работающие за счет спектроскопии пропускания или усиленного поверхностью комбинационного рассеяния, или антиконтрафактных системах на основе фотолюминесцентных защитных меток). Научная новизна предлагаемого проекта состоит в том, что впервые для создания металлодиэлектрических (гибридных) наноструктур на основе золота и кремния планируется использовать режимы лазерной обработки, основанные на использовании «негауссовых» распределений интенсивности (например, «бублик» (donut-shaped), или «вихрь» (vortex) лазерного пучка (что в перспективе может позволить получать хиральные наноструктуры). Также планируется использование для создания гибридных наночастиц с широкополосной фотолюминесценцией материалов, отличных от пары «золото-кремний» (например, золото-селен или серебро-кремний), а также многослойных пленок «металл – диэлектрик - металл» или «диэлектрик-металл-диэлектрик». По результатам исследования будут получены фундаментальные знания в области физики нового класса металлодиэлектрических наноструктур – источников белого света и разработаны оригинальные методы их создания. В рамках проекта будет исследована возможность использования полученных гибридных наночастиц для реализации систем детектирования различных веществ, на основе спектроскопии пропускания/отражения или усиленного поверхностью комбинационного рассеяния или антиконтрафактных систем на базе фотолюминесцентных защитных меток, что в дальнейшем позволит перейти к разработке инновационных технологий и высокотехнологичных продуктов на основе полученных результатов мирового уровня.

Ожидаемые результаты
В рамках реализации проекта 2019 года было продемонстрировано, что для изготовления металлодиэлектрических наноантенн для получения источников белого света в качестве оптимального метода может выступать одноэтапное и не требующее литографии лазерное структурирование двухслойных золото-кремниевых пленок наноразмерной толщины на стеклянной подложке, сопровождающееся их распадом на гибридные наночастицы. А также был предложен и продемонстрирован ряд других методов изготовления гибридных металлодиэлектрических наночастиц на основе лазерного облучения тонких пленок золото-кремний (например, фемтосекундная лазерная печать или прямое структурирование). В ходе реализации настоящего проекта планируется решить задачи улучшения эффективности таких источников широкополосного излучения, повышения скорости и стабильности их изготовления, а также их использования для практических применений (например, в системах детектирования, работающие за счет спектроскопии пропускания или усиленного поверхностью комбинационного рассеяния, или антиконтрафактных системах на основе фотолюминесцентных защитных меток). В результате исследования будут получены фундаментальные знания в области физики нового класса металлодиэлектрических наноструктур для генерации белого света и усовершенствованы оригинальные методы их создания. Реализация проекта позволит стимулировать развитие нового научного направления – гибридная нанофотоника, а также разработку инновационных технологий и высокотехнологичных продуктов на основе полученных результатов мирового уровня. Кроме того, фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования, проводимые в рамках данного научного проекта в развивающихся областях нанофотоники и наноструктур, обеспечат наставничество и обучение молодых исследователей на самом высоком научном уровне, а также подготовку высококвалифицированных сотрудников для инновационных высокотехнологичных отраслей.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Было показано, что с использованием лазерного пучка с кольцеобразным распределением интенсивности могут быть получены гибридные наночастицы из пленки медь-кремний с характерным размером порядка 1 мкм, демонстрирующие широкополосную фотолюминесценцию в диапазоне 450-950 нм. В зависимости от плотности энергии лазерного облучения из двухслойных пленок золото-кремний толщиной 10/100 нм были созданы упорядоченные и неупорядоченные металлодиэлектрические наночастицы, обладающие широкополосной фотолюминесценцией. На их основе могут быть созданы новые методы защиты от подделок на основе случайного характера пространственного расположения полученных наночастиц. Экспериментально продемонстрировано, что гибридные наночастицы и их массивы могут быть изготовлены из пленок Cu/Si различной толщины (10/10 нм, 10/30 нм и 10/100 нм). Для всех пленок облучение с плотностью энергии 110 мДж/см2 приводит к формированию неупорядоченных наночастиц, демонстрирующих похожие спектры фотолюминесценции (в диапазоне 450-950 нм) и генерации второй гармоники. Анализ элементного состава поперечного сечения гибридных наночастиц Au/Si методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показал, что, в отличие от наночастиц, создаваемых с помощью лазерной печати, в данном случае в процессе фабрикации происходит образование кремниевых наносфероидов, покрытых сеткой золота и более мелкими золотыми НЧ с диаметрами порядка 20-40 нм. Для гибридной наночастицы было проведено моделирование сечений рассеяния и поглощения отдельных наночастиц для двух геометрий - кремниевая сфера диаметром 180 нм и золотые сферы диаметром 40 нм, расположенные на поверхности или внутри кремниевой сферы. По сравнению со случаем кремниевой сферы наличие золотых частиц приводит к смещению пиков поглощения ближе к 500 нм и появлению новых пиков в области >600 нм, что связано со связано со смещением плазмонного резонанса золотых частиц при внедрении частиц внутрь кремниевой структуры. Также предложен подход к изготовлению резонансных кремниевых наночастиц, легированных эрбием, обеспечивающих усиление интенсивности фотолюминесценции Er за счет резонансов Ми. Подход заключается в сочетании метода литографии с фемтосекундным лазерным отжигом, обеспечивающим внедрение эрбия в кремниевую матрицу.

 

Публикации

1. Агеев Э.И., Коромыслов С.В., Гремилов М.А., Данилов Д.В., Петрова Е.А., Шишкин И.И., Зуев Д.А. Single-step lithography-free fabrication of nanoscale broadband radiation sources Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, - (год публикации - 2023)

2. Понкратова Е. Ю., Агеев Э. И. , Жуков М. В., Ларин А. О., Мухин И. С., Зуев Д. А. Оптические свойства золото-кремниевых структур вулканообразной формы, изготовленных с помощью фемтосекундного лазерного воздействия Письма в журнал технической физики, - (год публикации - 2023)

3. Ярошенко В., Обраменко М., Дятлович А., Кустов П., Гудовских А., Голтаев А., Мухин И., Агеев Э., Зуев Д. Active erbium-doped silicon nanoantenna Laser & Photonics Reviews, Т. 17 – №4 – С. 2200661. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/lpor.202200661