Материалы портала «Научная Россия»

Команда ученых МИФИ победила в конкурсе РНФ "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых"

Команда ученых МИФИ победила в конкурсе РНФ "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых"
Проект-победитель "Двухфотонные процессы в гибридном материале на основе полупроводниковых квантовых точек и плазмонных наноструктур для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике"

Команда ученых из МИФИ в рамках грантового проекта, одержавшего победу в конкурсе Российского научного фонда по мероприятию "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых" планирует достичь эффективности на квантовых точках на основе плазмонов благородных металлов.

Проект-победитель "Двухфотонные процессы в гибридном материале на основе полупроводниковых квантовых точек и плазмонных наноструктур для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике" представил его руководитель - Виктор Кривенков, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории нанобиоинженерии Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. Он помог разобраться, чем интересно и уникально это научное исследование.

Почему проект получил такое название? Дело в том, что двухфотонные процессы могут подразумевать два типа нелинейных процессов: двухфотонное поглощение и двухфотонное испускание. Кривенков дает следующее объяснение: «В качестве базового светочувствительного материала в этом проекте мы используем полупроводниковые квантовые точки (флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы околосферической формы), которые были выбраны из-за их уникальной фотостабильности и нелинейно-оптических свойств. Поэтому говоря о двухфотонном поглощении – мы имеем в виду образование одного экситона (кванта возбуждения в квантовой точке) вследствие поглощения одновременно двух фотонов в ситуации, когда каждый из этих двух фотонов по отдельности поглотиться не может. Говоря же о двухфотонном испускании, мы подразумеваем в некотором роде уникальную ситуацию, которая реализуется в квантовых точках – в этой ситуации поглощение одного фотона может привести к образованию сразу двух экситонов благодаря Оже-подобному взаимодействию носителей заряда внутри нанокристалла, в результате чего появляется возможность испускания сразу двух фотонов при поглощении одного, т.е. квантовый выход становится выше 100%». Актуальные исследования показывают, что «присутствие плазмонных наночастиц (наноразмерных структур в основном из благородных металлов, в которых при взаимодействии с внешним излучением реализуются устойчивые резонансные колебания электронной плотности – плазмоны) вблизи квантовых точек может значительно изменить оптические свойства последних».

Поэтому перед специалистами, задействованными в этом проекте МИФИ, цель - применить эти фундаментальные эффекты для создания материалов, в которых двухфотонные процессы усилены, и использовать их для создания новых нелинейных оптоэлектронных устройств. Здесь перед научной группой поставлены три главные задачи: во-первых, научиться создавать такие материалы и понять, какая конфигурация будет для этого оптимальной; во-вторых, изучить физические аспекты плазмон-экситонного взаимодействия и понять, как они влияют на эффективность двухфотонного поглощения и излучения; в-третьих, применить эти материалы при создании реальных прототипов оптоэлектронных элементов и/или фотовольтаических ячеек.

Один из аспектов исследования опирается на предыдущий опыт Кривенкова в рамках кандидатской диссертации. Как признаётся ученый: «…именно тогда я задумался насчет применения этого эффекта в оптоэлектронике. В 2017 году я начал заниматься также изучением процессов взаимодействия плазмонных наночастиц с флуоресцентными красителями, что натолкнуло меня на мысль дополнительно улучшить плазмонными наночастицами ранее разрабатываемый мной материал».

Но другая часть проекта, связанная с двухфотонным испусканием, по словам Виктора Кривенкова, является результатом совместной научной дискуссии с коллегами. «Мы пришли к мысли, что было бы интересно создать такие материалы, в которых реализовывались бы оба эффекта, притом, что фундаментального противоречия между ними нет», - объяснил сотрудник МИФИ.

В команду Кривенкова, где он управляет оптическими экспериментами и теоретической работой, вошли не только сотрудники лаборатории, но и студенты МИФИ, интересующиеся областью спектроскопии и лазерной физики. Они займутся проектированием и созданием материалов и будут помогать в некоторых экспериментах. Очевидно, что будущие ученые могут получить здесь опыт и знания, что важно для развития научного кадрового потенциала университета.

Участники проекта будут обращаться к достаточно сложным методикам на современных оптических установках, таким как, кросс-корреляционная спектроскопия с использованием установки MicroTime 200 и спектроскопия при двухфотонном возбуждении с использованием фемтосекундного лазера Tsunami (Spectra Physics). «Большую часть материалов для экспериментов мы будем синтезировать сами на базе уникального химического оборудования в лаборатории нано-биоинженерии НИЯУ МИФИ», - пояснил Виктор Кривенков, уточнив, что «фемтосекундный лазер расположен в МИФИ, а установка MicroTime 200 находится в Центре Физики Материалов города Сан-Себастиан (Страна Басков, Испания). Международная лаборатория гибридных фотонных наноматериалов, сотрудником которой я являюсь, взаимодействует в проведении научных проектов с этим центром».

Проект «Двухфотонные процессы…» рассчитан на три года, и к его реализации исследователи уже приступили.  

Бесспорно, в оптоэлектронике уже есть ряд разработок на основе квантовых точек, но эти материалы имеют свои недостатки. «Современные исследования дают основание предположить, что эти недостатки можно устранить путем добавления в эти материалы металлических частиц нанометрового размера. Суть нашего проекта – создать прототипы реальных устройств на основе улучшенных материалов и количественно оценить, как увеличилась их эффективность», - нацелен молодой учёный МИФИ, выигравший грант.

Название изображения

Рисунок 1. Принцип работы гибридного материала на основе плазмонных наночастиц (ПНЧ) и полупроводниковых квантовых точек (КТ)

Название изображения

Рисунок 2. Принцип работы гибридного материала на основе плазмонных наночастиц (ПНЧ) и полупроводниковых квантовых точек (КТ)

двухфотонное испускание двухфотонное поглощение оптоэлектроника плазмоны фотовольтаика

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий