Ван-дер-ваальсовы гетероструктуры в нанофотонике: оптические свойства и перспективные применения

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 22-19-00558

НазваниеВан-дер-ваальсовы гетероструктуры в нанофотонике: оптические свойства и перспективные применения

Руководитель Арсенин Алексей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Двумерные материалы, искусственные квантовые материалы, ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, спектральная эллипсометрия, диэлектрическая проницаемость, спектроскопия комбинационного рассеяния

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
С открытием нового класса материалов – двумерных материалов, возрастает интерес к применению этих материалов в фотонике и оптоэлектронике. В последние годы большое внимание уделяется различным гибридным структурам, которые сочетают два и более двумерных материалов (ван-дер-ваальсовы гетероструктуры), а также слои двумерных материалов повернутые друг относительно друга в плоскости слоя на различные углы (муаровые структуры). Для муаровых структур графена недавно была обнаружена сверхпроводимость, что вызвало настоящий бум в исследованиях такого рода структур, ориентированных на поиск новых физических явлений и эффектов. Основные усилия исследователей направлены на изучение электронного транспорта в таких структурах при различных внешних условиях (температуре, магнитных полях, давлении и др.) и при этом остаются практически неизученными их оптические свойства. Отсутствие данных по оптическим свойствам таких гибридных материалов значительно ограничивает исследователей и разработчиков в проектировании новых фотонных и оптоэлектронных устройств на их основе. Настоящий проект направлен на изучение оптических свойств искусственных квантовых материалов, под которыми мы понимаем различные комбинации и структуры на основе двумерных материалов, прежде всего ван-дер-ваальсовы гетероструктуры и муаровые структуры. Основная задача проекта состоит в разработке методов определения и, собственно, в определении оптических свойств искусственных квантовых материалов, а также в ответе на вопрос, является ли оптический отклик таких материалов аддитивным или предлагаемые для изучения структуры следует считать принципиально новыми материалами, оптический отклик которых нельзя связать с откликом отдельных монослоев двумерных материалов. Предполагается, что по результатам анализа оптических свойств ван-дер-ваальсовых гетероструктур будут предложены перспективные схемы высокочувствительных биосенсоров и фотодетекторов на их основе. В совокупности полученные в рамках проекта экспериментальные данные позволят детально и точно описывать свойства искусственных квантовых материалов на основе двумерных материалов. Данные по оптическим свойствам ряда искусственных квантовых материалов, а также оптическим свойствам составляющих их двумерных материалов будут размещены открытых базах данных и будут доступны для всех исследователей. Проект будет способствовать разработке новых технологий, которые позволят создавать новые искусственные материалы с заданными свойствами на основе различных двумерных материалов, перспективные для создания новой элементной базы фотоники, плазмоники и оптоэлектроники.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Элсайед М.А., Дорошина Н.В., Якубовский Д.И., Мишра П., Сюй А.В. Laser Etching of Quasi-1D TiS3 Nanoribbons by Raman Spectrophotometer Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 86, S135-S140 (год публикации - 2022)
10.3103/S1062873822700551

2. Элсайед М.А., Ермолаев Г.А., Якубовский Д.И., Вишневый А.А., Арсенин А.В., Волков В.С. Ellipsometric Analysis of Low-Dimensional Materials for Optoelectronic and Photonic Applications Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 86, S131-S134 (год публикации - 2022)
10.3103/S106287382270054X

3. Элсайед М.А., Целин А.П., Ермолаев Г.А., Татмышевский М.К., Славич А.С., Якубовский Д.И., Новиков С.М., Вишневый А.А., Арсенин А.В., Волков В.С. Non-Additive Optical Response in Transition Metal Dichalcogenides Heterostructures Nanomaterials, 12 (24), 4436 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12244436

4. Д.В. Грудинин, Г.А. Ермолаев, Д.Г. Баранов, А.Н. Токсумаков, К.В. Воронин, А.С. Славич, А.А. Вишневый, А.Б. Мазитов, И.А. Круглов, Д.А. Газарян, А.В. Арсенин, К.С. Новоселов, В.С. Волков Hexagonal boron nitride nanophotonics: a record-breaking material for the ultraviolet and visible spectral ranges Materials Horizons, 10, 7, 2427-2435 (год публикации - 2023)
10.1039/d3mh00215b

5. А.Н. Токсумаков, М.Н. Сидорова, А.С. Славич, М.К. Татмышевский, И.А. Завидовский, Г.А. Ермолаев, В.С. Волков, Д.А. Казарян, А.В. Арсенин Dry assembly of van der Waals heterostructures using exfoliated and CVD-grown 2D materials Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 87, 3, S453-S457 (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873823706025

6. 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, 87, 3, S416-S420 (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873823705962

7. Славич А.С., Ермолаев Г.А., Татмышевский М.К., Токсумаков А.Н., Матвеева О.Г., Грудинин Д.В., Воронин К.В., Мазитов А.Б., Кравцов К.В., Сюй А.В., Цымбаренко Д.М., Миронов М.С., Новиков С.М., Круглов И.А., Казарян Д.А., Вишневый А.А., Арсенин А.В., Волков В.С., Новоселов К.С. Exploring van der Waals materials with high anisotropy: geometrical and optical approaches Light: Science & Applications, Light: Science & Applications volume 13, Article number: 68 (2024) (год публикации - 2024)
10.1038/s41377-024-01407-3

8. Ермолаев Г.А., Воронин К.В., Токсумаков А.Н., Грудинин Д.В., Фрадкин И.М., Мазитов А., Славич А.С., Татмышевский М.К., Якубовский Д.И., Соловей В.Р., Киртаев Р.В., Новиков С.М., Жукова Е.С., Круглов И., Вишневый А.А., Баранов Д.Г., Казарян Д.А., Арсенин А.В., Мартин-Морено Л., Волков В.С., Новоселов К.С. Wandering principal optical axes in van der Waals triclinic materials Nature Communications, 15, 1552 (год публикации - 2024)
10.1038/s41467-024-45266-3

9. Ермолаев Г.А., Высланко И.С., Эль-Сайед М.А., Татмышевский М.К., Славич А.С., Якубовский Д.И., Эгбали А., Романов Р.И., Маркеев А.М., Круглов И.А., Новиков С.М., Вишневый А.А., Арсенин А.В., Волков В.С. Unveiling the Broadband Optical Properties of Bi2Te3: Ultrahigh Refractive Index and Promising Applications Applied Physics Letters, 125, 24, 241101 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0219511

10. Славич А.С., Ермолаев Г.А., Завидовский И., Грудинин Д., Татмышевский М., Токсумаков А.Н., Сюй А., Вишневый А.А., Якубовский Д.И., Новиков С., Газарян Д.А., Арсенин А.В., Волков В.С. Optical Properties of Biaxial van der Waals Crystals for Photonic Applications Известия РАН. Серия физическая, 88, 3 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на изучение оптических свойств искусственных и природных квантовых материалов, под которыми мы понимаем различные комбинации и структуры на основе двумерных материалов, прежде всего ван-дер-ваальсовые гетероструктуры, и объемные ван-дер-ваальсовые материалы. В целом проекте решены задачи по разработке эффективных методов определения оптических свойств ван-дер-ваальсовых материалов и гетероструктур на их основе. На третьем этапе завершены исследования по разработке гибридной методики создания ван-дер-ваальсовых гетероструктур большой площади (с латеральными размерами более 10 мкм для материалов с сильным ван-дер-ваальсовым взаимодействием > 50 мэВ/А2). Разработаны эллипсометрические модели и определены оптические свойства нового класса ван-дер-ваальсовых материалов - топологических изоляторов Bi2Te3 и NiTe2. Разработаны эллипсометрические модели для широкозонных материалов, таких как моносульфиды Ge и Ga, определены их оптические свойства. Дана оценка перспективам применения ван-дер-ваальсовых гетероструктур и новых ван-дер-ваальсовых материалов в нанофотонике. Определены оптические свойства нового класса ван-дер-ваальсовых материалов, таких как Bi2Te3 и NiTe2, которые являются топологическими изоляторами. В этих материалах основная часть является изолирующей, а поверхностные состояния — проводящими. Среди топологических изоляторов Bi2Te3 выделяется высоким показателем преломления и коэффициентом экстинкции. Однако точное определение его оптических свойств затруднено из-за сложной физической модели, включающей оксидный слой и оптическую анизотропию. Исследование показало, что оксидный слой играет ключевую роль в оптической модели Bi2Te3, а влияние топологических проводящих состояний минимально. Получены точные оптические константы Bi2Te3 и обнаружен поляризационный переход топологической фазовой сингулярности, что открывает новые направления для развития топологических фазовых эффектов в фотонике. Для NiTe2, полуметалла Дирака II типа, отсутствовали экспериментальные данные по оптическим свойствам, поэтому для него разработана оптическая модель, учитывающая ван-дер-ваальсовую природу материала. Обнаружена высокая оптическая анизотропия NiTe2. Вдоль слоев NiTe2 демонстрирует металлический отклик, а перпендикулярно слоям — диэлектрический отклик, что делает его гиперболическим материалом второго типа и перспективной платформой для реализации гиперболических оптических эффектов, таких как субдифракционное сжатие света и канализация поляритонов. Определены оптические свойства сульфидов германия (GeS) и галлия (GaS), которые благодаря высокому показателю преломления и широкой запрещенной зоне перспективны для нанофотоники. GeS имеет показатель преломления 3,4 на границе видимого и ближнего инфракрасного диапазона без существенных оптических потерь. GaS остается прозрачным в ближнем ИК и видимом диапазоне, сохраняя высокий показатель преломления 2,5 при ширине запрещенной зоны около 2,6 эВ. Полные диэлектрические тензоры GaS и GeS согласуются с первопринципными расчетами, подтверждая правильность определения оптических констант и эффективность разработанного метода. Разработана методика создания ван-дер-ваальсовых гетероструктур, комбинирующая двумерные материалы, полученные методами осаждения из газовой фазы и механического расщепления. Метод позволяет создавать гетероструктуры большой площади из материалов, которые трудно расщепить до моноатомных кристаллов. Многослойные гетероструктуры охарактеризованы методами оптической и атомно-силовой микроскопии, а также спектроскопии комбинационного рассеяния. Определены их оптические свойства в диапазоне от 360 до 1700 нм. Подтверждено влияние подложки и типа двумерного материала на оптический отклик гетероструктуры, а также неаддитивный отклик в сравнении с диэлектрическими функциями отдельных материалов. Метод подходит для переноса различных ван-дер-ваальсовых кристаллов, таких как графен, гексагональный нитрид бора, MoS2, WS2 и другие. Контроль параметров переноса обеспечивает адаптацию метода к различным подложкам, что перспективно для производства электронных и оптоэлектронных устройств. Для триклинных ван-дер-ваальсовых материалов ReS2 и ReSe2 обнаружено вращение главных оптических осей, что связано с неортогональными экситонными резонансами. Эти материалы перспективны для создания метаматериалов, метаповерхностей, волноводов и резонаторов. Для As2S3 выявлена рекордная анизотропия оптических свойств в плоскости кристалла. Данные по оптическим свойствам размещены в открытой базе данных и доступны для всех исследователей. Полученные на третьем этапе проекта результаты доложены и обсуждены на тематических научных семинарах и международных конференциях: Advanced Laser Technologies (ALT 2024), 23 - 27 сентября 2024, Владивосток, Россия, устное выступление; PIERS (PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium) 21 - 25 апреля 2024, Chengdu, China, устное выступление; 21st International Conference Laser Optics ICLO, 1 - 5 июля 2024, Санкт-Петербург, Россия, устное выступление; 4-я Международная конференция “Horizons for Nanophotonics”, 17 - 18 декабря 2024, Долгопрудный, Россия, устное выступление. Результаты опубликованы в ведущих научных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus: Light: Science & Applications (Q1, 20.6), Nature Communications (Q1, 14.7), Applied Physics Letters (Q1, 3.5) и Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics (Q4). Одна публикация находится на рецензировании в журнале Materials Horizons (Q1, 12.2).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта способствовуют разработке новых технологий, которые позволят создавать новые искусственные материалы с заданными свойствами на основе различных двумерных материалов, перспективные для создания новой элементной базы фотоники, плазмоники и оптоэлектроники.