Компьютерное моделирование гибридных 2D наноматериалов с целью создания элементов плазмоники и нелинейной оптики для видимого и ближнего инфракрасного диапазона

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 проекта 18-13-00363

НазваниеКомпьютерное моделирование гибридных 2D наноматериалов с целью создания элементов плазмоники и нелинейной оптики для видимого и ближнего инфракрасного диапазона

Руководитель Огрен Ханс Арвид, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный Сибирский научно-клинический центр Федерального медико-биологического агентства» , Красноярский край

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов

Ключевые слова многомасштабное моделирование, квантово-химическое моделирование, наноплазмоника, нанофотоника, нелинейная оптика, графен, перовскиты

Код ГРНТИ31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время, в связи с разработкой оптических компьютеров и оптических элементов наноэлектроники будущего, интенсивно развивается направление, связанное с передачей оптического сигнала вдоль нанопроводов или наноцепочек, состоящих из наночастиц, связанных между собой слабыми дисперсионными взаимодействиями. Такие колебания электромагнитного излучения (ЭМИ), реализуемые в нанопроводах/наноцепочках, состоящих из непроводящих прозрачных материалов, имеют длину волны, сравнимую с длиной волны в вакууме. Поэтому минимальное сечение размеров элементов, пропускающих ЭМИ видимого диапазона длин волн, не может быть существенно меньше длины волны (~1 мкм). С целью миниатюризации устройств необходимо, чтобы элементы наноэлектроники имели характерный и очень малый размер, измеряемый нанометрами. При этом для уменьшения длины волны и, как следствие, для уменьшения данного размера проводящих элементов, можно использовать распространение ЭМИ вдоль проводящих цепочек частиц или проводящего нанопровода. Такие колебания электромагнитного излучения называются плазмонными и позволяют каналировать его энергию вдоль поверхности нанопровода. При этом длина волны распространяющегося плазмона определяется геометрическими размерами наночастицы (нанопроволоки). Существенно большее затухание энергии электромагнитного излучения по сравнению с бездиссипативной средой приводит к затуханию оптического сигнала на характерных длинах – порядка десятков микрон. Однако этого оказывается достаточным для передачи оптического сигнала внутри разрабатываемых микрочипов. Также очень актуальной является задача создания высокочувствительных химических и биологических сенсоров различных химических веществ и биологических молекул. Она может быть решена с помощью проводящих нанопроводов или цепочек, состоящих из металлических наночастиц. При этом использование даже изолированных наночастиц ведет к возникновению локализованных плазмонных мод, которые характерны для каждой геометрии наночастиц. Поэтому их геометрические характеристики можно исследовать путем спектроскопии плазмонных частот данных наночастиц и их изменения (Surface Plasmon Resonance Spectroscopy). Адсорбирование внешних молекул химических веществ или биомолекул будет изменять спектр плазмонов и их групповую скорость распространения. Поэтому на основе детектирования изменения плазмонных частот и можно судить о наличии адсорбированных молекул. Благодаря наличию очень точных схем детектирования спектрального состава или изменения групповой скорости оптического плазмонного сигнала (например, с помощью интерферометра Маха-Цендера) можно определять очень малые концентрации химических веществ или биомолекул. Теоретическое исследование систем, состоящих из проводящих напроводов или цепочек из наночастиц на проводящем нанослое, позволит понять основные характеристики, влияющие на распространение плазмонов и их спектр. Использование первопринципных (DFT или TDDFT методы) расчетов позволит сделать это без проведения дорогостоящих экспериментов. При этом уровень точности таких вычислений будет являться достаточным для моделирования реальных систем, благодаря наличию развитых схем оценки электронной структуры и оптических свойств в этой области. Далее, необходимо найти механизмы такого регулирования (модуляции) оптического плазмонного сигнала в данных цепях. И подобным механизмом может быть, например, использование интерферометра Маха-Цендера, основанного на регулировании групповой скорости плазмона в одном из его плечей с помощью влияния на электронную концентрацию внутри нанопровода или связанных наночастиц. Данное влияние может осуществляться путем смещения электрохимического потенциала нанопровода/наночастиц при прикладывании потенциала электрода затвора к поверхности проводящего нанослоя вблизи нанопровода/наночастиц. Другим из интенсивно развивающихся направлений является нелинейно-оптическое преобразование света в 2D наноструктурах. Большие коэффициенты нелинейности 3-го порядка могут быть реализованы в гибридных планарных наноструктурах на основе нанослоев дихалькогенидов переходных металлов MS2 или перовскитов, где отдельные слои ковалентно связываются посредством органических мостиковых молекул с протяженной вдоль молекулы электронной π-системой. Применение данных структур позволит разработать гибридные материалы, обладающие большими значениями нелинейности третьего порядка в ближнем инфракрасном диапазоне (1-2 мкм) и малым временем отклика. Используя такие материалы, можно создавать устройства разного рода: оптические модуляторы и переключатели (на основе интерферометров Маха-Цендера и др.), оптические ограничители, преобразователи оптического сигнала во вторую гармонику (SHG) и др. Реализация всех этих устройств в планарном исполнении идеально подходит для применения в элементах нанофотоники и компьютеров ближайшего будущего. SHG преобразователи в планарном исполнении чрезвычайно востребованы уже в настоящее время ввиду перехода современной оптоэлектроники в направлении все более и более коротковолнового излучения (технология blue-ray дисков и др.). Трудности реализации лазеров такого излучения для современных чипов во многом связаны с неэффективной накачкой в соответствующем диапазоне. И здесь использование планарных SHG преобразователей, позволяющих удваивать частоту сигнала лазерных диодов ближнего ИК или видимого света с высокой эффективностью, позволит использовать их в качестве элементов накачки, либо самостоятельно в качестве источника света. Оптические модуляторы в планарном исполнении могут быть востребованы при создании оптических транзисторов для оптического компьютера, где вместо управления электрическими сигналами будут использованы оптические сигналы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Герасимов В.С., Ершов А.Е., Бикбаев Р.Г., Рассказов И.Л., Тимофеев И.В., Полютов С.П., Карпов С.В. Engineering mode hybridization in regular arrays of plasmonic nanoparticles embedded in 1D photonic crystal Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 224, Pages 303-308 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jqsrt.2018.11.028

2. А. Куклин, Х, Огрен Quasiparticle electronic structure and optical spectra of single-layer and bilayer PdSe2: Proximity and defect-induced band gap renormalization PHYSICAL REVIEW B, т. 99, стр. 245114 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevB.99.245114

3. В.И. Закомирный, Ж. Ринкевичус, Г.В. Барышников, Л.К. Соренсен, Х. Огрен Extended Discrete Interaction Model: Plasmonic Excitations of Silver Nanoparticles J. Phys. Chem. C, т. 123, №47, стр. 28867-28880 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpcc.9b07410

4. К. Ли, С. Дуан, Х. Лиу, Г. Чен, Ю. Луо, Х. Огрен Mechanism for the Extremely Efficient Sensitization of Yb3+Luminescence in CsPbCl3 Nanocrystals J. Phys. Chem. Lett., т.10, №3, стр. 487-492 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpclett.8b03406

5. В.И. Закомирный, С.В. Карпов, Х. Огрен, И.Л. Рассказов Collective lattice resonances in disordered and quasi-random all-dielectric metasurfaces Journal of the Optical Society of America B, Т. 36, вып. 7, стр. E21-E29 (год публикации - 2019)
10.1364/JOSAB.36.000E21

6. А.Д. Утюшев, И.Л. Исаев, В.С. Герасимов, А.Е. Ершов, В.И. Закомирный, И.Л. Рассказов, С.П. Полютов, Х. Огрен, С.В. Карпов Engineering novel tunable optical high-Q nanoparticle array filters for a wide range of wavelengths Optics Express (год публикации - 2019)

7. А.С. Федоров, П.О. Краснов, М.А. Высотин, Ф.Н. Томилин, С.П. Полютов, Х. Огрен Charge-transfer plasmons with narrow conductive molecular bridges: A quantum-classical theory The Journal of Chemical Physics (год публикации - 2019)

8. Куклин А.В., Огрен Х., Аврамов П.В. Structural stability of single-layer PdSe2 with pentagonal puckered morphology and its nanotubes Physical Chemistry Chemical Physics, Volume 22, Issue 16, 28 April 2020, Pages 8289-8295 (год публикации - 2020)
10.1039/D0CP00979B

9. Утюшев А.Д., Исаев И.Л., Герасимов В.С., Ершов А.Е., Закомирный В.И., Рассказаов И.Л., Полютов С.П., Огрен Х., Карпов С.В. Engineering novel tunable optical high-Q nanoparticle array filters for a wide range of wavelengths OPTICS EXPRESS, Volume 28, Issue 2, 20 January 2020, Pages 1426-1438 (год публикации - 2020)
10.1364/OE.28.001426

10. Закомирный В.И., Рассказов И.Л., Соренсен Л.К., Карни П.С., Ринкявичус З., Огрен Х. Plasmonic nano-shells: Atomistic discrete interaction versus classic electrodynamics models Physical Chemistry Chemical Physics, Volume 22, Issue 24, 28 June 2020, Pages 13467-13473 (год публикации - 2020)
10.1039/D0CP02248A

11. В.С. Герасимов, А.Е. Ершов, Р.Г. Бикбаев, И.Л. Рассказов, И.Л. Исаев, П.Н. Семина, А.С. Костюков, В.И. Закомирный, С.П. Полютов, С.В. Карпов Plasmonic lattice Kerker effect in UV-Vis spectral range Physical Review B (год публикации - 2020)

Публикации