Исследование оптических свойств квазиодномерных углеродных структур для разработки модулятора интенсивности в волоконном тракте

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 23-12-20004

НазваниеИсследование оптических свойств квазиодномерных углеродных структур для разработки модулятора интенсивности в волоконном тракте

Руководитель Кучерик Алексей Олегович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" , Владимирская обл

Конкурс №77 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Квазиодномерные системы, линейный углерод, оптические свойства, модуляция излучения

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие элементной базы фотоники требует поиска всё новых решений, позволяющих успешно сочетать достижения нанотехнологий и современной оптики. Одним из таких успешных примеров является применение двумерных материалов для создания различных оптических датчиков и сенсорных систем. Чаще всего в качестве основного чувствительного элемента в таких сенсорах используют графен/оксид графена или графеновые пачки в 2-10 слоев. В рамках данного проекта предлагается исследовать свойства пассивного оптического модулятора, сформированного путем нанесения на торец оптического волокна моноатомных углеродно-цепочечных структур (пучок линейных углеродных цепей, стабилизированный золотыми частицами на концах). В дальнейшем такой подход, при использовании внешних полей, позволит реализовывать активную модуляцию за счет изменения оптических свойств пленок (спектры пропускания/поглощения). Для решения поставленных задач авторами будут проведены экспериментальные работы по селективному выделению в коллоидных системах пучков линейных цепей, их упорядоченному осаждению из коллоидных систем с целью формирования в осаждаемой пленке ярко выраженной доменной структуры (областей преимущественной ориентации квазиодномерных структур), в которой большая часть углеродных пучков будет иметь преимущественную ориентацию. Такой подход позволит реализовать поляризацию излучения в стандартном одномодовом волокне и настроить селективное поглощение. Будут проведены оптические измерения, демонстрирующие изменение оптических свойств пленок в зависимости от степени упорядоченности осажденных структур, средней длины линейных цепей и количества цепей в отдельных пучках.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кавокина С.В., Осипов А.В., Самышкин В.Д., Абрамов А.С., Рожкова Н.Н. Кононенко В.В., Конов В.И., Кучерик А.О. Laser Fabrication of Gold–sp-Carbon Films Condensed matter, Condens. Matter 2023, 8, 96 (год публикации - 2023)
10.3390/condmat8040096

2. Гарнов С.В., Абрамов Д.В., Бухаров Д.Н., Худайберганов Т.А., Хорьков К.С., Осипов А.В., Жирнова С.В., Кучерик А.О., Аракелян С.М. Электрофизика углеродных 1D-структур, полученных в лазерном эксперименте: модели и демонстрация Успехи физических наук, Т.194. – №2. – С.115-137. (год публикации - 2024)
10.3367/UFNe.2023.12.039620

3. Кучерик А.О., Осипов А .В., Самышкин В.Д., Хартманн Р. Р., Поволотский А.В., Портной М.Е. Polarization-sensitive photoluminescence from aligned carbon chains terminated by gold clusters Physical Review Letters, V.132 (5). – Article 056902. (год публикации - 2024)
10.1088/1361-6528/ad947c

4. Кучерик А.О., Кумар А., Абрамов А.С., Самышкин В.Д., Осипов А.В., Борданов И.А., Щаников С.А., Кумар М. Carbyne as a promising material for E-nose applications with machine learning Nanotechnology (год публикации - 2024)
10.1088/1361-6528/ad947c

5. Осипов А.В., Самышкин В.Д., Абрамов А.С., Бодунов Д.С., Поволоцкий А.В., Седов Е.С., Кучерик А.О. Laser synthesis of linear carbon structures for nanophotonics IEEE, Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS) (год публикации - 2024)
10.1109/PIERS62282.2024.10618668

6. Р.А. Нг, А. Кучерик, М.Е. Портной, Р. Р. Хартманн Stark Effect Tunable Terahertz Transitions in Finite Carbon Chains Small structures, Small Struct. 2025, V.6, №12, e202500266 (год публикации - 2025)
10.1002/sstr.202500266

7. Кучерик А., Осипов А., Самышкин В., Абрамов А., Пономарев Р., Гордеева А. Formation of an optical rejection filter at the optical fiber end facet during the deposition of quasi-ordered C-Ag films Optical and Quantum Electronics, Volume 57, article number 557, (2025) (год публикации - 2025)
10.1007/s11082-025-08482-9

8. Осипов А., Бухаров Д., Самышкин В., Лелекова А., Абрамов А., Кучерик А. Electrophysical properties of thin metal-carbon films containing one-dimensional carbon structures OPTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS, Volume 57, article number 543, (2025) (год публикации - 2025)
10.1007/s11082-025-08462-z

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. В рамках данного исследования были проведены работы по синтезу биметаллических частиц типа ядро-оболочка, где в качестве ядра использовались серебряные частицы, а внешняя оболочка состояла из золотых частиц. Выбор данных материалов был обусловлен их свойствами. Серебро, с точки зрения роста углеродных структур, является более привлекательным материалом, способствующим значительному ускорению роста линейных структур. Однако серебряные частицы нестабильны в воде, что приводит к необходимости использования золотых частиц для стабилизации системы и получения частиц с частотами плазмонного резонанса, зависящими от соотношения серебра и золота, а также степени покрытия ядра частицами оболочки. В ходе экспериментальных исследований были определены оптимальные концентрации наночастиц серебра (средний диаметр 50 нм) и золота (средний диаметр 5 нм), обеспечивающие стабильное формирование биметаллических комплексов с частотой плазмонного резонанса, варьирующейся в диапазоне длин волн от 400 до 500 нм. При этом варьирование концентрации компонентов происходило от Ag(3)-Au(1) до Ag(1)-Au(3), а степень покрытия поверхности серебряного ядра изменялась от 50% до 80%. В рамках исследования были разработаны и изучены новые комплексы, содержащие углеродные цепи, закреплённые между биметаллическими частицами. Эксперименты показали, что при использовании лазерного излучения с длиной волны 1060 нм и фокусировке на коллоидный раствор, можно получить линейные углеродные цепи средней длиной около 100 атомов. В системе также наблюдаются более длинные цепи, подверженные значительным механическим искажениям. 2. В рамках данного этапа исследований была разработана установка, предназначенная для нанесения растворов на торец оптического волокна в различных вариантах геометрии расположения торца и иглы/пипетки наносящей коллоидный раствор. Установка обеспечивает возможность относительно быстрого нанесения большого числа слоев жидкости с их последующим высыханием, включая автоматический режим нанесения по заданному циклу. В этом методе торец волокна автоматически перемещается микрометрически, погружаясь в каплю коллоидного раствора. Затем сформировавшаяся на поверхности торца сферическая капля испаряется в течение 1-3 секунд, образуя изначальную островковую структуру. После повторения данной процедуры 10-20 раз формируется устойчивая пленка толщиной 150-350 нм. При 50 повторениях происходит отслаивание пленки и ее частичное разрушение. 3. В рамках исследования оптоэлектрических свойств нанесенных пленок, была разработана схема измерений на основе сканирующего туннельного микроскопа. Проведенные измерения показало, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) над поверхностью углеродных нитей без стимуляции внешним излучением имела симметричную природу, и в целом пленка характеризовалась крайне высоким сопротивлением до 0,7 ГОм. При оптическом стимулировании фиксировалась несимметричная зависимость тока от напряжения и существенно снижалось сопротивление пленки до значения 0,01 ГОм. Исследование туннельных вольт-амперных характеристик (ВАХ) скрученных и распрямленных массивов полииновых нитей выявило типичные зависимости, характерные для диода Шоттки, формируемого при контакте металл-полупроводник. Для скрученных нитей наблюдались приблизительно одинаковые зависимости прямого и обратного тока, причем сила тока увеличивалась под воздействием лазерного излучения. ВАХ имели линейные участки в диапазоне напряжений от -0.7 В до 0.7 В, которые сменялись сверхлинейным режимом при более высоких напряжениях. 4. В рамках настоящего исследования были изучены образцы оптических волокон с многослойными покрытиями, нанесёнными на торец волокна. Исследовались образцы с количеством слоёв от 10 до 30. С помощью электронной микроскопии была подтверждена сохранность многослойных покрытий и показано, что их прозрачность зависит от числа слоёв. Для 10 слоёв прозрачность наблюдалась в диапазоне от 900 до 1600 нм, для 20 слоёв — от 920 до 1350 нм, для 30 слоёв — от 1000 до 1200 нм. Таким образом, многослойные покрытия на основе линейного углерода, стабилизированного металлическими частицами, выполняют функцию высокоэффективного спектрального фильтра с шириной полосы, зависящей от толщины плёнки. Для образцов C-Ag была обнаружена существенная зависимость ширины оптической полосы пропускания от числа нанесённых слоёв, что открывает перспективы для создания проходных оптических фильтров на определённую длину волны.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках реализации работ в 2025 году были проделаны следующие работы: 1. Формирование устойчивых ориентированных многослойных пленок на торце и боковой поверхности волокон (D-shape). Разработан полуавтоматический стенд по нанесению металлоуглеродных пленок из коллоидных систем на торец оптического волокна с возможностью осаждения произвольного количества слоев, необходимых для демонстрации оптических эффектов поглощения или индуцированного пропускания излучения. 2. Исследование оптических свойств пленок в зависимости от количества слоев и ориентации, определение наиболее перспективных конфигураций осажденных структур. Исследование спектров пропускания и поляризации образцов С-Ag Показано, что значение экстинкции стабилизируется на уровне выше 40 дБ после 50 нанесенных слоев. Для небольшого числа слоев, 10 и 20, наблюдается существенное уменьшение степени поляризации излучения, то есть слои работают как эффективный деполяризатор, уменьшающий степень поляризации на 20 дБ, или в 100 раз. Измерение дифференциального поглощения образцов при оптической накачке на длине волны 420 нм проводилось непосредственно в коллоидных растворах. Показано, что скорость релаксации плазмонов зависит от взаимодействия с углеродными материалами изменяясь от 3.2 до 5пс. 3. Моделирование процессов оптического переключения под действием внешних полей. Исследование процессов переключения: сравнение модельных и экспериментальных данных. Экспериментально показано, что под действием внешнего электрического поля наблюдается усиление поглощения в области длин волн от 250 до 350нм, при этом с увеличением напряженности поля наблюдается проявление характеристических для линейных углеродных цепей пиков поглощения, а интегрально наблюдается просветление пленки. Такой эффект описан с использованием эффекта Штарка, который проявляется в модуляции энергетических уровней и правил отбора оптических переходов. Экспериментальные данные демонстрируют, что при напряженности поля порядка 10 мегавольт на метр наблюдаются существенные изменения в спектре поглощения, отражающие реорганизацию электронной структуры под влиянием внешнего поля. В результате работы за текущий года были исследованы эффекты просветления тонких металлоуглеродных пленок, показана возможность переключения спектров под действием постоянного электрического поля, изучены спектральные и поляризационные характеристики образцов оптических волокон с нанесенными на них слоями линейного углерода, стабилизированного серебряными наночастицами Ag-C(N)-Ag, числом от нуля до 125 слоев. Для проведения измерений были сконструированы и собраны стенды, включающие в себя как элементы точной механики, так и сложную волоконно-оптическую измерительную технику. Было показано, что в диапазоне длин волн от 1250 до 1650 нм характер спектра излучения сохраняется, однако для числа слоев от 10 до 30 наблюдается просветляющий эффект, а при большем числе слоев потери на пропускание излучения становятся больше, чем при их отсутствии. В части поляризационных измерений обнаружены существенные деполяризующие свойства наносимых слоев при их количествен не более 40. Для более точной характеризации образцов и построения зависимостей их оптических свойств от числа наносимых слоев необходимо параллельное исследование состояния и морфологии частиц на торце оптического волокна. Для формирования конечных фотонных компонентов, работающих на основе обнаруженных в ходе выполнения проекта оптических эффектов, предложен технический облик проходного волоконно-оптического фильтра, предполагающий клеевое закрепление элементов в феруле из оксида циркония или другой прецизионной керамической основе. Предложенная конструкция является компактной и позволяет быстро и с высокой точностью позиционировать оптические волокна с нанесенными на их торцы функциональными слоями.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Планируется дальнейшее развитие проекта для создания эффективных режекционных фильтров, работы будут проводиться в инициативном порядке, а также в рамках реализации проекта государственного задания ВлГУ на 2026 год.