Высокопроизводительная лазерная печать перовскитных микролазеров

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 19-19-00177

НазваниеВысокопроизводительная лазерная печать перовскитных микролазеров

Руководитель Кулинич Сергей Алексеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" , Приморский край

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые слова микролазеры, прямая лазерная печать, короткие и ультракороткие лазерные импульсы, новые материалы, сенсоры показателя преломления и газов

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последнее десятилетие электронные вычислительные машины достигли практически предела своих возможностей по скорости обработки информации, так как в их основе лежит электроника, работающая на скоростях доли наносекунд, что ограничивает производительность компьютеров. Переход к оптической платформе, использующей фотон в качестве переносчика единицы информации, позволит осуществить революцию в развитии вычислительной техники и технологии быстрого кодирования и передачи колоссальных объемов данных. Это является основной мотивацией для создания недорогого фотонного чипа, который должен быть реализован на основе максимально компактных функциональных элементов. Кроме того, необходимо решить проблему перехода от дорогого и высокотехнологичного эпитаксиального роста полупроводниковых нано- и микроструктур на основе арсенидов и нитридов галия к дешевому и масштабируемому методу создания миниатюрных оптически активных сред, которые будут обладать всеми необходимыми свойствами. Более того, использование такой высокоэффективной унифицированной технологии для производства всех элементов оптического чипа позволило бы еще больше удешевить технологию. В качестве ключевого материала для создания новой элементной базы, в представленном проекте предлагается использование галоидных перовскитов типа APbX3 (A = метиламмония (MA), формамидин (FA), или Cs; X = {Cl, Br, I}), обладающие высокоэффективной люминесценцией в широком диапазоне длин волн от 420 до 800 нм в зависимости от химического состава материала. Такие перовскиты объединяют возможность управления их фотофизическими свойствами путем синтетических модификаций компонентов системы (атомов галогенов), преимущества твердотельных полупроводниковых материалов, и простые масштабируемые технологии изготовления. Данные материалы поддерживают образование в них экситонов, имеющих энергию связи, достаточную для существования этих квазичастиц при комнатной температуре. Большая сила осциллятора экситонного резонанса, узкий спектр люминесценции (менее 30 нм), делают APbX3 материалы крайне привлекательными для разработки лазерных сред, подходящих для создания устройств оптической логики. В то же время, они имеют достаточно высокий показатель преломления (n > 2) необходимый для использования их в создании нано- и микрорезонаторов в видимом и ближнем ИК диапазонах. Например, перовскитный микролазер представляет собой резонатор моды шепчущей галереи, эффективность генерации лазерного излучения в котором сильно зависит от качества его геометрической формы, в значительной степени контролируемой методами и условиями фабрикации. В настоящем проекте впервые будут применены методы прямой лазерной записи для создания микролазеров из пленок перовскита с превосходными характеристиками: низкими порогами лазирования, одномодовым спектром излучения, низкими требованиями к качеству подложки, а также перестраиваемые во всем видимом и части ближнего ИК диапазонов. Выполнение проекта будет базироваться на проводимых впервые комплексных фундаментальных исследованиях механизмов импульсной абляции галоидных перовскитов. Такие исследования позволят не только детально исследовать процессы взаимодействия лазерных импульсов короткой и сверхкороткой длительности с данным классом гибридных органо-неорганических полупроводников, но и, за счет этого, выявить оптимальные режимы лазерного нанотекстурирования, обеспечивающие предельное латеральное разрешение при минимизированном деструктивном воздействии на материал. Для обеспечения возможности лазерной печати перовскитных микроструктур сложной формы в один импульс, помимо использования стандартных пучков, сформированных лазерным резонатором, будут впервые использоваться комплексные распределения интенсивности, сгенерированные специальными дифракционными оптическими элементами. Разработанная технология будет использована для печати перовскитных микролазеров различной формы, в том числе, микролазеров, позволяющих генерировать вихревые пучки. Наконец, функционал изготовленных высокопроизводительным и относительно недорогим лазерным методом перовскитных микролазеров будет также всесторонне исследован в задачах разработки высокоточных биосенсоров газов, кислот и других жидкостей. Совместная реализация проекта специалистами из ДВФУ - экспертов в области лазерной нанофабрикации и сенсорики, и из ИТМО - экспертов в области нанофотоники и оптоэлектроники на основе галоидных перовскитов. Таким образом, проект является устойчивым, а его успешное выполнение позволит развить новое научное направление в России, имеющее высокое прикладное и научное значение.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. И. Шишкин, А. Полюшкин, Е. Тигунцева, А. Мурзин, Б. Строганов, Ю. Капитонов, С.А. Кулинич, А. Кучмижак, С. Макаров Single-step direct laser writing of halide perovskite microlasers Applied Physics Express, 12(12), 122001 (год публикации - 2019)
10.7567/1882-0786/ab4b1b/meta

2. А. Жижченко, П. Тонкаев, Д. Гетц, А. Ларин, Д. Зуев, С. Стариков, Е.В. Пустовалов, А.М. Захаренко, С.А. Кулинич, С. Йодказис, А.А. Кучмижак, С.В. Макаров Femtosecond laser ablation of halide perovskite thin films for advanced photonic applications Material Horizons (год публикации - 2019)

3. А.П. Полюшкин, Е.Ю. Тигунцева, А.П. Пушкарев, С.В. Макаров Single particle perovskite lasers: from material properties to cavity design Nanophotonics (год публикации - 2019)

4. А.Ю. Жижченко, П. Тонкаев, Д. Гетс, А. Ларин, Д. Зуев, С. Стариков, Е.В. Пустовалов, А.М. Захаренко, С.А. Кулинич, С. Йодказис, А.А. Кучмижак, С.В. Макаров Light‐Emitting Nanophotonic Designs Enabled by Ultrafast Laser Processing of Halide Perovskites Small, 16(19), 2000410 (год публикации - 2020)

5. П. Тонкаев, А.Ю. Жижченко, Д.С. Гетс, А. Ларин, Д. Зуев, А.М. Захаренко, А.А. Кучмижак, С.М. Макаров Defects and Morphology Contribution to Photoluminescence of CH3NH3PbI3 Nanostructured by Femtosecond Laser Pulses Solid State Phenomena, 312, 179-184 (год публикации - 2020)

6. Жижченко А.Ю., Черепахин А.Б., Машарин М., Пушкарёв А., Кулинич С.А., Порфирьев А., Кучмижак А.А., Макаров С.В. Direct Imprinting of Laser Field on Halide Perovskite Single Crystal for Advanced Photonic Applications laser and photonics reviews, 2100094 (год публикации - 2021)
10.1002/lpor.202100094

7. Жижченко А.Ю., Черепахин А.Б., Машарин М.А., Пушкарёв А.П, Кулинич С.А., Кучмижак А.А., Макаров С.В. Directional Lasing from Nanopatterned Halide Perovskite Nanowire Nano letters, 10.1021/acs.nanolett.1c03656 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.nanolett.1c03656

8. Жижченко А.Ю., Машарин М. Пушкарёв А., Кучмижак А.А., Макаров С.В., Кулинич С.А. Anion Exchange Reaction in Halide Perovskite Single Crystals Structured by Laser Pulses Journal of Physics: Conference Series, 2015 012085 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012085

9. Черепахин А., Жижченко А., Порфирьев А., Пушкарёв А., Макаров С., Кучмижак А. 2D Perovskite micro-optics enabled by direct femtosecond- laser projection lithography Journal of Physics: Conference Series, 2015 012075 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012075

Публикации