Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью проекта 2022 является развитие экспериментальной концепции широкополосной метаповерхности для управления субволновыми тепловыми градиентами, сгенерированных сфокусированным светом в режиме плазмонного резонанса. Метаповерхность представляет собой двумерный массив TiN:Si микроструктур, в которых TiN используется как нагревательный элемент, Si – как пространственно-ограниченный радиатор. Генерация и управление локализованными тепловыми потоками на субволновом масштабе играет важную роль в термо-оптических приложениях: 1) субволновая тепловая микроскопия, 2) сенсоры для нанодиагностики фазовых переходов, 3) субволновая запись оптической информации, 4) оптическое термоциклирование, 5) вычислительные тепловые метаповерхности, 6) управляемый нанокатализ, 7) термофотовольтаика, 8) термо-индуцированные широкополосные светодиоды и др. В рамках проекта 2022 в первый год были достигнуты следующие результаты: 1. Нелинейный оптический нагрев плазмонных TiN:Si микроструктур связан с пространственно-локализованным оттоком тепла. Разработана аналитическая теория неоптического нагрева плазмонных наноструктур, помещенных на пространственно-ограниченные радиаторы. Интенсивность неоптического нагрева определяется аксиальным размером кремниевого радиатора и знаком температурной производной его теплопроводности. Теория предсказывает линейный рост температуры с увеличением высоты Si волновода и локальное плазмонное охлаждение для положительной температурной производной теплопроводности. Нарушение линейной зависимости оптического нагрева от высоты Si волновода на расстояниях кратных половине длины волны падающего излучения обусловлено деструктивной интерференцией. Этот результат подтвержден численным FDTD/FEM моделированием и экспериментом. 2. Термоплазмонная метаповерхность может быть использована в качестве оптического сенсора для детектирования локальных фазовых переходов 1 и 2 рода полимеров. Пространственная модуляция метаповерхности позволяет настраивать сенсор для определенного класса полимеров. Аксиальный размер Si цилиндрического волновода (радиатора) определяет температурный диапазон оптического нагрева. Изменение температуры внутри диапазона осуществляется вариацией лазерной накачки. Термоплазмонный сенсор позволяет построить 2D карту распределения фазовых переходов. Это устройство может быть использовано для изучения размерных эффектов полимерных материалов, а также неоднородных полимерных смесей. Одним из важных преимуществ такого сенсора является возможность диагностики полимерных материалов с высокими температурами стеклования (>400oC), используемые для создания нанофлюидных биочипов. 3. Термоплазмонная метаповерхность может быть использована для записи/чтения и хранения оптической информации на субволновом масштабе. Пространственная модуляция поверхности термостата приводит к генерации субволновых тепловых градиентов. Оптическая запись информации может быть реализована с помощью локального лазерного отжига, приводящего к окислению и, следовательно, к изменению диэлектрической проницаемости TiN нагревателя. 4. Температура плазмонного TiN нагревателя может быть экспериментально измерена с высокой точностью (не хуже 5 К) с помощью электронного рамановского рассеяния и численно аппроксимирована линейной комбинацией двух статистик: Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. 5. Термоплазмонная метаповерхность может быть использована в качестве тепловой суперлинзы для визуализации материалов на субволновом масштабе. Сверхразрешение достигается благодаря аномальному сдвигу стоксовской линии и прецинзионному сканированию лазерного луча. Результаты первого этапа проекта 2022 были опубликованы в 4 статьях (Q1), которые были апробированы на 10 отечественных и зарубежных конференциях, получен 1 патент на изобретение и зарегистрирована 1 заявка на патент, 4 статьи находятся на рецензировании. Двое участников проекта защитили в 2022 году диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности – «оптика» (01.04.05). https://media.kpfu.ru/news/v-kfu-razrabotali-meta-sensor-dlya-diagnostiki-nanomaterialov https://kazan.bezformata.com/listnews/kfu-razrabotali-meta-sensor/106545929/?ysclid=lbafsjlafi659573065 https://news.myseldon.com/ru/news/index/269941384 https://rscf.ru/news/physics/razrabotali-termoplazmonnuyu-metapoverkhnost/?sphrase_id=130969 https://media.kpfu.ru/news/v-kfu-razrabotali-termoplazmonnuyu-metapoverkhnost https://rossaprimavera.ru/news/5bba6b4b?ysclid=lbafz8sjqt535732320

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Целью второго этапа проекта 2022 является решение двух важных фундаментальных задач: 1) генерация фазового градиента в галоидном перовските CsPbBr3 с помощью термоплазмонной метаповерхности для усиления квантового выхода фотолюминесценции и интенсивности комбинационного рассеяния света, 2) усиленное взаимодействие света и вещества в непрямозонных полупроводниках на основе пространственного синхронизма электрона и локализованного фотона. Термоплазмонная метаповерхность, представляющая собой двумерный массив TiN:Si микроструктур на кремниевой подложке, позволяет управлять локализованными тепловыми потоками на субволнововом масштабе. Помещая исследуемый кристалл на такую поверхность, его можно нагревать сфокусированным лазерным излучением до высоких температур (1000оС) в условиях плазмонного резонанса на воздухе. Диапазон изменения температуры регулируется высотой кремниевых цилиндрических радиаторов, тогда как температура управляется интенсивностью лазерного излучения. В работе использовалась метаповерхность с высотой кремниевых цилиндров равной 900 нм, которые нагревались до 750 К при освещении лазерным светом с интенсивностью 5 МВ/см2. Для перовскита CsPbBr3 температура варьировалась в диапазоне от 25оС до 200оС, который покрывает все фазовые переходы. Температура измерялась с помощью рамановской термометрии по сдвигу линии кремния 521 см-1 с точностью до 5 К, благодаря высокому спектральному разрешению – 0.1 см-1 (решетка Эшелле). Поскольку нагревается область кристалла за пределом дифракции, коррекция фокуса в экспериментах не производилась. Для определения фазового состава кристалла по его глубине, были зарегистрированы температурно-зависимые рамановские спектры перовскита CsPbBr3 в термодинамическом равновесии. Используя эти данные, была разработана физическая модель, объясняющая поведение интенсивности рамановского рассеяния от мощности накачки. В проекте было показано двух-кратное усиление рамановского сигнала и увеличение фотолюминесценции на три порядка при охлаждении перовскита CsPbBr3. Полученные результаты подробно освещены в публичной лекции Батталовой Э.И. на тему «Полупроводники со структурным фазовым градиентом» (05.04.2023) (https://www.youtube.com/watch?v=7geY9fsm4k8). Одним из эффективных способов усиления взаимодействие света и вещества является выполнение условия пространственного синхронизма между электроном и фотоном. В видимом и инфракрасном диапазоне это условие не может реализоваться в силу несовпадения длины волны электрона и фотона на 2-3 порядка. Однако фотон может быть локализован через возбуждение плазмонного резонанса. Импульс локализованного фотона определяется не его длиной волны, а квантовым ограничением. Локализованные поверхностные плазмонные резонансы широко используются для усиления оптических процессов. Поскольку квазистатическое приближение перестает работать для металлических наноструктур размером больше 100 нм, плазмонный резонанс заметно ослабевает. При достижении размеров меньше 5 нм, плазмонный резонанс затухает из-за ограничивающей объем структуры поверхности. В проекте были проведены эксперименты, в которых наблюдалось аномальное поглощение света в пространственно-ограниченном непрямозонном кремнии, взаимодействующего с локализованными фотонами, сгенерированными золотыми наносферами размером 1-2 нм. Экспериментально показано, что поглощение усиливается с уменьшением размера наночастиц, а не уменьшается как это принято в плазмонике. Локализованные фотоны могут возникать через геометрическую сингулярность и иметь импульсы, которые определяются пространственной локализацией наноструктур. Эта гипотеза была экспериментально подтверждена путем измерения отражения света от высокомного кремния. Отражение уменьшается во всем оптическом диапазоне равномерно вплоть для непрямого перехода и не зависит от длины волны падающего излучения. Такое поведение объясняется наличием увеличенного импульса фотона, который может изменить импульс электрона в процессе их взаимодействия. Наконец, электрическая проводимость кремниевого фотодиода, покрытого монослоем золотых наносфер диаметром 2-3 нм, при освещении лазерным светом с длиной волны 633 нм увеличивается на 30 %. Поскольку глубина проникновения оптического ближнего поля в кремнии не превышает 5 нм, такое увеличение фотопроводимости невозможно объяснить линейным поглощением света в ультратонком слое кремния. Теоретические исследования и численное моделирование показали, что этот эффект может быть объяснен с помощью увеличенного импульса ближнеполевого фотона, который приводит к электрон-фотонному пространственному синхронизму. Эта концепция приведет к появлению прорывных технологий в области оптоэлектроники и фотовольтаики – фотодиоды, транзисторы, детекторы, солнечные батареи, сенсоры. К числу наиболее перспективных применений полученного знания следует упомянуть лазерное охлаждение и оптический нагрев, суб-нанометровую (ангстремную) фотолитографию и субволноную широкопольную оптическую визуализацию. Наконец, важным достижением является начало формирования нового научного направления в современной фотонике – структурной оптической спектроскопии, позволяющей проводить не только химический (энергия), но структурный (импульс) анализ твердых тел. Результаты этих исследований подробно освещены в лекции, прочитанной Харинцевым С.С. на тему «Черный кремний» (11.05.2023) (https://www.youtube.com/watch?v=6m3sCu1hJ5w). На втором году реализации проекта 2022 были достигнуты следующие результаты: 1. Мультифазное состояние CsPbBr3 перовскита может быть создано с помощью субволновых температурных градиентов, генерируемых термоплазмонной метаповерхностью. 2. Пьезоотражательная оптическая спектроскопия позволяет детектировать фазовые переходы в CsPbBr3 перовските и исследовать кинетику двойникования. 3. Мультифазное состояние CsPbBr3 перовскита обеспечивает двукратное усиление комбинационного рассеяния света и усиление фотолюминесценции на три порядка при его охлаждении. 4. Разработан прототип термо-управляемого светодиода на основе CsPbBr3 перовскита с перестраиваемой длиной волны. 5. Аномальное поглощение и отражение света в кремнии, покрытого монослоем золотых наносфер диаметром 2-3 нм, возникает благодаря увеличенному импульсу ближнеполевого фотона, который приводит к пространственному синхронизму электрона и локализованного фотона. 6. Разработана высокотемпературная TERS микроскопия с использованием АСМ кантилеверов с тугоплавким TiN/TiON покрытием. Результаты второго этапа проекта 2022 были опубликованы в 7 статьях (из них две первого квартиля), которые были апробированы на 10 отечественных и зарубежных конференциях, получен 1 патент на изобретение и зарегистрированы 2 заявки на патент (статус – экспертиза по существу), 2 статьи, доступные на архиве, находятся на рецензировании в высокорейтинговых изданиях (Q1). Полученные в ходе реализации проекта 2022 результаты легли в основу создания стартапа ООО «Квантовая точка» (2023), деятельность которого направлена на разработку, внедрение и коммерциализацию перовскитных светодиодов с перестраиваемой длиной волны. Основные научные результаты проекта обнародованы на престижных международных и российских конференция и научных школа, а также в СМИ.