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 21-72-10163
НазваниеНовые решения задач дифракции для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии
Руководитель Якубовский Дмитрий Игоревич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые слова Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, двумерные материалы, плазмон, фонон-поляритон, трансформационная оптика, метод Винера-Хопфа, плазмоника, метаповерхности, фотоника, нанофотоника
Код ГРНТИ29.03.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) является мощным методом исследования электромагнитных свойств материалов и наноструктур с пространственным разрешением меньшим длины электромагнитной волны. Принципом данного метода является возможность регистрации “ближнего поля” излучения объектов на субволновом растоянии от поверхности. Среди важнейших последних достижений ближнепольной микроскопии можно отметить регистрацию полей, определение длины волны и длины пробега поверхностных плазмонов в металлах и полупроводниковых структурах; обнаружение гибридных фонон- оляритонных мод в гиперболических материалах; установление механизмов генерации фототока в неупорядоченных полупроводниках; регистрация магнитных и электронных фазовых переходов и многое другое.
Несмотря на эти достижения, однако, ближнепольная микроскопия до сих пор остается скорее качественным, чем количественным методом исследования наноструктур. С теоретической стороны, причина состоит в сложности описания взаимодействия электромагнитной волны с суб-волновым зондом ближнепольного микроскопа, а также в сложности описания взаимодействия ближнего поля зонда с образцом, содержащим суб-волновые неоднородности. С экспериментальной стороны, сложность состоит в отделении сигнала изучаемого ближнего поля от множества фоновых сигналов, а также в возмущении изучаемого поля заостренным зондом. Интерпретация данных СБОМ требует сравнения с моделями электромагнитного отклика, для которых затруднительна даже численная реализация. Сложность численной реализации электромагнитных моделей СБОМ связана с наличием одновременно больших (длина волны излучения) и малых масштабов (размер зонда, размер неоднородности) в задаче, что требует огромных расчетных сеток и длительного машинного времени. В связи с вышесказанным, в СБОМ сейчас регистрируется лишь “относительный контраст” областей, или характеристики интерференционных картин для поверхностных волн.
В рамках данного проекта планируется разработка теоретических основ количественной ближнепольной микроскопии и экспериментальная проверка разработанных принципов. Для этой цели планируется получение и анализ точных решений задач дифракции для основных блоков, составляющих основу СБОМ: (1) задачи рассеяния электромагнитных волн на зонде сканирующего рассеивающего ближнепольного микроскопа реалистичной формы методами трансформационной оптики (2) задачи рассеяния электромагнитной волны и возбуждения поверхностных волн на латеральных неоднородностях изучаемой поверхности (3) задачи взаимодействия зонда СБОМ и электромагнитной волны с поверхностями, имеющими нелокальный токовый отклик. Предлагаемые к решению электромагнитные задачи обладают очень “богатой” внутренней физикой, что позволит получить информацию о (1) пространственном распределении ближнего поля вблизи зонда и латеральных неоднородностей (2) спектре и затухании объемных и краевых плазмонов и фонон-поляритонов в двумерных системах и тонких пленках (3) эффективности конверсии излучения свободного пространства в поверхностные моды (4) предельном латеральном разрешении сканирующего ближнепольного микроскопа (5) предельном усилении локальных электромагнитных полей вблизи неоднородностей поверхности.
Все разработанные модели будут экспериментально верифицированы на тестовых системах: гетероструктурах на основе инкапсулированного графена.
Новыми фундаментальными идеями, отличающими исследования в проекте от предшественников, является применение мощных методов Винера-Хопфа и трансформационной оптики к решению задач взаимодействия “излучение - неоднородная поверхность” и “излучение - зонд”. Это позволит получить физически прозрачные законы взаимодействия излучения с оптически неоднородными наноструктурами и зондами сложной формы. Ключевой экспериментальной идеей, позволяющей верифицировать количественные модели, является проведение ближнепольного эксперимента на модельной системе с хорошо известными и электрически контролируемыми оптическими свойствами. Такой системой является графен, в котором c помощью системы затворов могут индуцироваться латеральные неоднородности оптических свойств.
Важно заметить, что применимость разрабатываемых моделей ближнепольного взаимодействия не ограничена графеном атомарно тонкими материалами; модели будут применимы к структурам с толщиной много меньшей длины электромагнитной волны. Получение точных решений прямых задач рассеяния станет ключом к решению обратных задач ближнепольной микроскопии, т.е. задач определения диэлектрической проницаемости и проводимости исследуемых объектов по пространственному распределению ближнепольного сигнала. Более того, результатом исследования станет разработка новых методик СБОМ, которые позволят измерять зависимость поверхностной проводимости от длины волны, т.е. изучать пространственную дисперсию. Это, в свою очередь, позволит получать ценную информацию об электронном транспорте оптическими методами.
Научная новизна теоретической части исследования состоит в применении современных аналитических методов электродинамики к ближнепольной микроскопии (1) метод трансформационной оптики (оптических конформных отображений) (2) метод связанных интегральных уравнений и их решение методом Винера-Хопфа (3) точные методы описания нелокального электромагнитного отклика ограниченных систем. Предлагаемые к получению решения дополнят (а в некоторых случаях - заменят) численное моделирование с помощью электромагнитных симуляторов в задачах интерпретации ближнепольного отклика. Экспериментальная новизна исследования состоит в возможности регистрации слабых ближнепольных сигналов от зондов, не возмущающих ближнее поле наноструктур, а также регистрации латеральной и вертикальной компонент поля при применении дополнительных методов собирающей и рассеивающей микроскопии. Как итог, в результате проекта будут заложены основы количественной ближнепольной микроскопии, которая станет важным инструментом в диагностике наноструктур для новых электронных и оптических приборов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Киртаев Р.В., Миронов М.С., Клишин Ю.А., Дорошина Н.В., Новиков С.М., Волков В.С. Ближнепольная оптическая микроскопия ультратонких металлических пленок на двумерных слоях MoS2 XI Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов, стр. 86-87 (год публикации - 2022)
2.
Браже Н.А, Никельшпарг Е.И., Баижуманов А.А., Гривенникова В.Г., Семенова А.А., Новиков С.М., Волков В.С., Арсенин А.В., Якубовский Д.И., Евлюхин А.Б., Бочкова Ж.В., Гудилин Е.А., Максимов Г.В., Сосновцева О., Рубин А.Б.
SERS uncovers the link between conformation of cytochrome c heme and mitochondrial membrane potential
Free Radical Biology and Medicine, 196, 133–144 (год публикации - 2023)
10.1016/j.freeradbiomed.2023.01.013
3.
Якубовский Д.И., Грудинин Д.В., Ермолаев Г.А., Вишневый А.А., Миронов М.С., Новиков С.М., Арсенин А.В., Волков В.С.
Scanning Near-Field Optical Microscopy of Ultrathin Gold Films
Nanomaterials, 13, 8, 1376 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13081376
4.
Кадинская С.А., Кондратьев В.М., Киндюшов И.К., Коваль О.Ю., Якубовский Д.И., Кузнецов А., Лихачев А.И., Нащекин А.В., Акопян И.Х., Серов А.Ю., Лабзовская М.Е., Микушев С.В., Новиков Б.В., Штром И.В., Большаков А.Д.
Deep-Level Emission Tailoring in ZnO Nanostructures Grown via Hydrothermal Synthesis
Nanomaterials, 13(1), 58 (год публикации - 2022)
10.3390/nano13010058
5.
Грудинин Д.В., Ермолаев Г.А., Баранов Д.Г., Токсумаков А.Н., Воронин К.В., Славич А.С., Вишневый А.А., Мазитов А.Б., Круглов И.А., Казарян Д.А., Арсенин А.В., Новоселов К.С., Волков В.С.
Hexagonal boron nitride nanophotonics: a record-breaking material for the ultraviolet and visible spectral ranges
Materials Horizons, 2023 (год публикации - 2023)
10.1039/d3mh00215b
6. Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Грудинин Д.В., Миронов М.С., Волков В.С. Ближнепольная оптическая микроскопия для характеризации ультратонких металлических пленок XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов, стр. 129-130 (год публикации - 2023)
7. Хавронин М., Свинцов Д. Signatures of nonlocal electrical conductivity in near-field microscopy Physical Review B, - (год публикации - 2023)
8.
Свинцов Д.А. и Алымов Г.В.
Refraction laws for two-dimensional plasmons
Physical Review B, 108, L121410 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.108.L121410
9.
Д.И. Якубовский, Д.В. Грудинин, Г.А. Ермолаев, К. Воронин, Д.А. Свинцов, А.А. Вишневый, М.С. Миронов, А.В. Арсенин, В.С. Волков
Optical Nanoimaging of Surface Plasmon Polaritons Supported by Ultrathin Metal Films
Nano Letters, 23, 20, 9461–9467 (2023) (год публикации - 2023)
10.1021/acs.nanolett.3c02947
10.
М. Миронов, Д. Якубовский, Г. Ермолаев, М. Татмышевский, П. Мишра, А. Арсенин, В. Волков
Ultrathin and Ultrasmooth Gold Films on van der Waals Materials
Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 87 (Suppl 3), S416–S420 (2023) (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873823705962
Публикации
1. Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Киртаев Р.В., Миронов М.С., Клишин Ю.А., Дорошина Н.В., Новиков С.М., Волков В.С. Ближнепольная оптическая микроскопия ультратонких металлических пленок на двумерных слоях MoS2 XI Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов, стр. 86-87 (год публикации - 2022)
2.
Браже Н.А, Никельшпарг Е.И., Баижуманов А.А., Гривенникова В.Г., Семенова А.А., Новиков С.М., Волков В.С., Арсенин А.В., Якубовский Д.И., Евлюхин А.Б., Бочкова Ж.В., Гудилин Е.А., Максимов Г.В., Сосновцева О., Рубин А.Б.
SERS uncovers the link between conformation of cytochrome c heme and mitochondrial membrane potential
Free Radical Biology and Medicine, 196, 133–144 (год публикации - 2023)
10.1016/j.freeradbiomed.2023.01.013
3.
Якубовский Д.И., Грудинин Д.В., Ермолаев Г.А., Вишневый А.А., Миронов М.С., Новиков С.М., Арсенин А.В., Волков В.С.
Scanning Near-Field Optical Microscopy of Ultrathin Gold Films
Nanomaterials, 13, 8, 1376 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13081376
4.
Кадинская С.А., Кондратьев В.М., Киндюшов И.К., Коваль О.Ю., Якубовский Д.И., Кузнецов А., Лихачев А.И., Нащекин А.В., Акопян И.Х., Серов А.Ю., Лабзовская М.Е., Микушев С.В., Новиков Б.В., Штром И.В., Большаков А.Д.
Deep-Level Emission Tailoring in ZnO Nanostructures Grown via Hydrothermal Synthesis
Nanomaterials, 13(1), 58 (год публикации - 2022)
10.3390/nano13010058
5.
Грудинин Д.В., Ермолаев Г.А., Баранов Д.Г., Токсумаков А.Н., Воронин К.В., Славич А.С., Вишневый А.А., Мазитов А.Б., Круглов И.А., Казарян Д.А., Арсенин А.В., Новоселов К.С., Волков В.С.
Hexagonal boron nitride nanophotonics: a record-breaking material for the ultraviolet and visible spectral ranges
Materials Horizons, 2023 (год публикации - 2023)
10.1039/d3mh00215b
6. Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Грудинин Д.В., Миронов М.С., Волков В.С. Ближнепольная оптическая микроскопия для характеризации ультратонких металлических пленок XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов, стр. 129-130 (год публикации - 2023)
7. Хавронин М., Свинцов Д. Signatures of nonlocal electrical conductivity in near-field microscopy Physical Review B, - (год публикации - 2023)
8.
Свинцов Д.А. и Алымов Г.В.
Refraction laws for two-dimensional plasmons
Physical Review B, 108, L121410 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.108.L121410
9.
Д.И. Якубовский, Д.В. Грудинин, Г.А. Ермолаев, К. Воронин, Д.А. Свинцов, А.А. Вишневый, М.С. Миронов, А.В. Арсенин, В.С. Волков
Optical Nanoimaging of Surface Plasmon Polaritons Supported by Ultrathin Metal Films
Nano Letters, 23, 20, 9461–9467 (2023) (год публикации - 2023)
10.1021/acs.nanolett.3c02947
10.
М. Миронов, Д. Якубовский, Г. Ермолаев, М. Татмышевский, П. Мишра, А. Арсенин, В. Волков
Ultrathin and Ultrasmooth Gold Films on van der Waals Materials
Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 87 (Suppl 3), S416–S420 (2023) (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873823705962
Публикации
1. Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Киртаев Р.В., Миронов М.С., Клишин Ю.А., Дорошина Н.В., Новиков С.М., Волков В.С. Ближнепольная оптическая микроскопия ультратонких металлических пленок на двумерных слоях MoS2 XI Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов, стр. 86-87 (год публикации - 2022)
2.
Браже Н.А, Никельшпарг Е.И., Баижуманов А.А., Гривенникова В.Г., Семенова А.А., Новиков С.М., Волков В.С., Арсенин А.В., Якубовский Д.И., Евлюхин А.Б., Бочкова Ж.В., Гудилин Е.А., Максимов Г.В., Сосновцева О., Рубин А.Б.
SERS uncovers the link between conformation of cytochrome c heme and mitochondrial membrane potential
Free Radical Biology and Medicine, 196, 133–144 (год публикации - 2023)
10.1016/j.freeradbiomed.2023.01.013
3.
Якубовский Д.И., Грудинин Д.В., Ермолаев Г.А., Вишневый А.А., Миронов М.С., Новиков С.М., Арсенин А.В., Волков В.С.
Scanning Near-Field Optical Microscopy of Ultrathin Gold Films
Nanomaterials, 13, 8, 1376 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13081376
4.
Кадинская С.А., Кондратьев В.М., Киндюшов И.К., Коваль О.Ю., Якубовский Д.И., Кузнецов А., Лихачев А.И., Нащекин А.В., Акопян И.Х., Серов А.Ю., Лабзовская М.Е., Микушев С.В., Новиков Б.В., Штром И.В., Большаков А.Д.
Deep-Level Emission Tailoring in ZnO Nanostructures Grown via Hydrothermal Synthesis
Nanomaterials, 13(1), 58 (год публикации - 2022)
10.3390/nano13010058
5.
Грудинин Д.В., Ермолаев Г.А., Баранов Д.Г., Токсумаков А.Н., Воронин К.В., Славич А.С., Вишневый А.А., Мазитов А.Б., Круглов И.А., Казарян Д.А., Арсенин А.В., Новоселов К.С., Волков В.С.
Hexagonal boron nitride nanophotonics: a record-breaking material for the ultraviolet and visible spectral ranges
Materials Horizons, 2023 (год публикации - 2023)
10.1039/d3mh00215b
6. Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Грудинин Д.В., Миронов М.С., Волков В.С. Ближнепольная оптическая микроскопия для характеризации ультратонких металлических пленок XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов, стр. 129-130 (год публикации - 2023)
7. Хавронин М., Свинцов Д. Signatures of nonlocal electrical conductivity in near-field microscopy Physical Review B, - (год публикации - 2023)
8.
Свинцов Д.А. и Алымов Г.В.
Refraction laws for two-dimensional plasmons
Physical Review B, 108, L121410 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.108.L121410
9.
Д.И. Якубовский, Д.В. Грудинин, Г.А. Ермолаев, К. Воронин, Д.А. Свинцов, А.А. Вишневый, М.С. Миронов, А.В. Арсенин, В.С. Волков
Optical Nanoimaging of Surface Plasmon Polaritons Supported by Ultrathin Metal Films
Nano Letters, 23, 20, 9461–9467 (2023) (год публикации - 2023)
10.1021/acs.nanolett.3c02947
10.
М. Миронов, Д. Якубовский, Г. Ермолаев, М. Татмышевский, П. Мишра, А. Арсенин, В. Волков
Ultrathin and Ultrasmooth Gold Films on van der Waals Materials
Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 87 (Suppl 3), S416–S420 (2023) (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873823705962