Новости

28 декабря, 2023 15:02

Вдоль по углеродной линии

Ученые Владимирского государственного университета впервые показали, что линейные углеродные цепи можно использовать в качестве тонкопленочных поляризационных эмиттеров (излучателей). Для этого цепи необходимо стабилизировать золотыми наночастицами. Интенсивность люминесценции линейных структур с золотыми якорными окончаниями на порядок выше, чем у нестабилизированных структур, и зависит от плоскости поляризации падающего излучения. Результаты фундаментальных и поисковых научных исследований, поддержанных Российским научным фондом, опубликованы в Physical Review Letters.
В лаборатории физики одномерных материалов ВлГУ. Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета
В лаборатории физики одномерных материалов ВлГУ. Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета
Изображение линейных углеродных цепей, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета
3 / 4
В лаборатории физики одномерных материалов ВлГУ. Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета
В лаборатории физики одномерных материалов ВлГУ. Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета
Изображение линейных углеродных цепей, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета

Синтез длинных цепочек атомов углерода с чередующимися одинарными и тройными связями между ними, известных как линейный углерод или карбин, теперь стал реальностью – после нескольких десятилетий безуспешных экспериментальных попыток и научных споров. Благодаря своей истинно одномерной (1D) природе карбин обладает уникальными анизотропными оптическими свойствами. Большинство углеродных нанотрубок долго время было принято считать одномерными структурами с низкой квантовой эффективностью из-за темных экситонов, возникающих из-за их многолучевой зонной структуры. В отличие от них карбин является материалом с прямой запрещенной зоной и характеризуется сильной фотолюминесценцией в видимом диапазоне.

Теоретические исследования предсказывали, что отдельные цепи карбина должны демонстрировать сильное поглощение и излучение света при возбуждении светом, поляризованным вдоль цепи. Эти эффекты позволяют проводить оптические эксперименты с пленками протяженных карбинов, возбуждаемых линейно поляризованным светом, конечной целью которых является создание ультратонких поляризационно чувствительных элементов оптоэлектронных устройств.

Такие исследования необходимы по той причине, что у любых используемых материалов, есть, условно говоря, как сильные, так и слабые стороны. Например, графен. Он обладает уникально высокими значениями различных оптических показателей: подвижность электронов (то есть как быстро они способны распространяться) и показателем поглощения (поглощает электромагнитное излучение в широкой полосе длин волн). Но по своей природе графен является полуметаллом, а это означает, что несмотря на наличие запрещенной зоны, как у полупроводников, ее значение равно нулю, что делает его металлом. А для обработки оптической информации нужны полупроводниковые структуры со сравнительно небольшой шириной запрещенной зоны. В линейном углероде как раз имеется расстояние в уровнях энергии, которое позволяет применять данный материал для различных задач фотоники. Другой значимый фактор – ширина данной зоны обратно пропорциональна длине цепи, то есть чем цепь длиннее, тем меньше ширина, которая может достигать предельного значения 0.4эВ. Однако главная проблема в экспериментах с карбином состоит в том, что линейный углерод является крайне неустойчивым материалом, что значительно усложняет его использование, и чем цепи длиннее, тем менее они устойчивы.

«Над стабилизацией линейных цепей работают научные группы по всему миру. Наша группа уже более 10 лет разрабатывает различные методы получения стабильного линейного углерода при лазерном воздействии на коллоидные системы (жидкие среды в которых наноразмерные частицы находятся во взвеси и по этой причине длительное время не оседают). Мы предложили несколько новых способов получения линейных цепей, не имеющих мировых аналогов, и сейчас, когда научились получать линейные цепи в достаточном количестве и с возможностью изменять их длину, провели ряд экспериментов по исследованию их оптических свойств уже в виде осажденной устойчивой тонкой пленки», - рассказывает один из авторов статьи, проректор по научной работе и цифровому развитию ВлГУ Алексей Кучерик.
Помимо ученых из лаборатории физики одномерных материалов ВлГУ, в научную группу входят исследователи из команд Алексея Поволоцкого (СПбГУ), Михаила Портного (Экситер, Англия), Ричарда Хартмана (Филиппины).

Идея эксперимента базируется на известном факте, что в достаточно протяженных одномерных структурах, уложенных на поверхность в виде параллельного массива, должны возникать особенности поглощения в зависимости от угла между структурами и плоскостью поляризации излучения. Однако такие эксперименты для линейных углеродных структур достаточно сложно провести, так как изменение интенсивности поглощенного излучения будет сравнимо с величиной ошибки при непосредственных измерениях. Для исследования была предложена косвенная схема, когда измерялась интегральная интенсивность фотолюминесценции карбиновых пленок. 


Фотолюминесценция линейных углеродных структур, закрепленных между золотых наночастиц (красная линия) и без золота (черная). Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета

Предварительно ученые ВлГУ с коллегами из других университетов показали, что осажденные структуры обладают типичной для линейных структур люминесценцией в видимой части спектра.

Более того, эксперименты подтвердили предположение о том, что для цепей, закрепленных между золотых частиц, наблюдается существенное усиление интенсивности люминесценции за счет легирования свободными электронами. Далее была измерена интегральная люминесценция так, как показано на рис. 3. 


Источник: пресс-служба Владимирского государственного университета

На рис. 3(b) хорошо видно, что образец демонстрирует анизотропное поглощение света, которое проявляется в сильной зависимости интегральной интенсивности люминесценции от угла поляризации возбуждающего света. Следовательно, выравнивание цепочек внутри образца происходит в масштабах длины, которые значительно превышают длины волн, использованные в эксперименте. В то же время толщина пленки на несколько порядков меньше длины волны. В совокупности все это делает описанную систему уникальным ультратонким чувствительным к поляризации элементом. Такой элемент обладает потенциалом для использования в наноразмерных устройствах, использующих поляризационные свойства света, например, в квантовых вычислениях.

27 февраля, 2024
Прозрачные электроды помогут ускорить Интернет и пригодятся для «умных» окон
Ученые разработали прозрачный электрод — элемент, проводящий электрический ток, — на основе соедин...
26 февраля, 2024
Тугоплавкие сплавы позволят авиационным двигателям выдерживать температуры до 1000°С
Ученые доказали, что жаростойкость и прочность тугоплавких сплавов не зависят от количества входящ...