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 22-19-00738
НазваниеЭлементная база посткремниевой фотоники
РуководительЛейман Владимир Георгиевич, Доктор физико-математических наук
Прежний руководитель Волков Валентин Сергеевич, дата замены: 13.12.2023
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва
Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2024 г. |
Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 02-301 - Физическая оптика
Ключевые словаДихалькогениды переходных металлов, спектральная эллипсометрия, ближнепольная оптическая микроскопия, диэлектрическая проницаемость, волноводы, резонаторы, разветвители, слоистые материалы
Код ГРНТИ29.19.22
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Развитие современных информационных и телекоммуникационных технологий и их внедрение во все сферы современной экономики, систем контроля и безопасности требует постоянного совершенствования элементной базы для наращивания скоростей обработки и обмена данными с использованием высокоёмких каналов связи, функционирующих на различных физических эффектах. В последнее время для решения этой задачи активно развивается комбинированный подход, основанный на сочетании фотонных и электронных процессов, специально индуцированных в наноразмерных системах. При этом, для повышения управляемости и эффективности этих процессов требуются все более совершенные устройства контроля поведения света на наноуровне. С точки зрения обычной оптики, это является нетривиальной задачей, поскольку существование дифракционного предела накладывает известное ограничение на размер области локализации световой энергии в однородном пространстве. Для преодоления этого ограничения, мы предлагаем использовать новый класс материалов дихалькогенидов переходных металлов, чья анизотропия позволяет сжать световую энергию вплоть до дифракционного предела. Таким образом, использование этих материалов открывает возможности для плотной упаковки информационных каналов на интегральной схеме, что значительно увеличит скорость приема и передачи информации в существующих устройствах. Целью предлагаемого научного исследования является создание компактных волноводных структур для передачи оптического сигнала. Для решения этой задачи будет проведено детальное исследование оптических свойств обширного класса материалов - дихалькогенидов переходных металлов. Эти исследования будут сопровождаться численными расчетами электронных и оптических свойств новых материалов с помощью эволюционного алгоритма USPEX и T-USPEX, всесторонним анализом оптических свойств перспективных слоистых материалов и разработкой и созданием на основе этих материалов волноведущих структур, использующих уникальные оптические свойства слоистых материалов - рекордную анизотропию и рекордные значения показателя преломления. Волноведущие структуры будут охарактеризованы с помощью рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Полученные в рамках проекта экспериментальные данные позволят детально и точно описывать свойства слоистых материалов (дихалькогенидов переходных металлов). Данные по оптическим свойствам исследуемых материалов будут размещены открытых базах данных, будут доступны для всех исследователей и найдут применение для решения других задач нанофотоники и оптоэлектроники.
Ожидаемые результаты
Ожидается, что в период с 2022 по 2024 гг. в результате выполнения проекта будут получены следующие значимые результаты, как для фундаментальной науки, так и для технических приложений:
1) Новые результаты в области нанофотоники на основе многослойных дихалькогенидов переходных металлов и перспективы применения наноразмерных фотонных компонентов с использованием этих материалов в нанофотонике и оптоэлектронике.
2) Оптические, электрофизические и структурные свойства перспективных материалов с рекордными значениями диэлектрической проницаемости (MoTe2, WTe2 и др.).
4) Эффекты гигантской анизотропии для искусственных и природных слоистых материалов (в плоскости и вне плоскости слоев). Преодоление дифракционного предела для оптических структур на основе искусственных и природных слоистых материалов. Разработка эффективной методики определения оптических констант вдоль главных кристаллографических осей дихалькогенидов переходных металлов. Расчет оптимальных параметров волноводов на основе численного решения системы уравнений Максвелла для оптического излучения, распространяющегося в системе.
5) Элементная база нанофотоники на основе слоистых природных и искусственных материалов (наноразмерные волноводы, модуляторы, разветвители и др.). Оптимизация параметров волноводов и технологии их создания. Разработка протоколов переноса слоистых материалов (MoS2, WS2, MoTe2, WTe2 и др.) на поверхности интегрально-оптических схем.
6) Эффекты топологической темноты для искусственных и природных слоистых материалов. Теоретические основы (включая необходимые условия) наблюдения топологической темноты и одновременного исчезновение коэффициентов отражения для s- и p-поляризаций падающего света.
7) Экспериментальная реализация эффекта топологической темноты для дихалькогенидов переходных металлов.
8) Разработка фотонной интегральной схемы на основе слоистых материалов и ее визуализация с последующим анализом методом рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии.
Предлагаемые методы и подходы к решению поставленной задачи не уступают мировому уровню исследований, а ряд из них являются принципиально новыми. Основными результатами проекта станут конкурентоспособная на мировом уровне элементная база пост-кремниевой фотоники. Предполагается, что уровень полученных результатов будет сопоставим с мировым, а в целом проект будет опережать аналогичные исследования в данной области, благодаря чему результаты проекта будут опубликованы в ведущих профильных научных журналах и представлены на ведущих профильных конференциях (International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO), International Congress on Graphene, 2D Materials and Applications (2D Materials), Graphene Week, Nanophotonics 2D и др.). Предполагается, что 2022 году будет опубликовано, по крайней мере, 3 статьи в журналах с импакт-фактором не ниже 2.5. В 2023 г. - 3 статьи, а в 2024 не менее 4 статей (всего не менее 10 публикаций, индексируемых Web of Science и Scopus). Авторы проекта ставят своей целью получение значимых научных результатов, которые будут опубликованы в ведущих научных изданиях по профилю предлагаемых исследований. Авторы проекта берут на себя обязательство по патентованию разработок, имеющих перспективы для коммерческой реализации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Настоящий проект направлен на поиск новых перспективных материалов и разработку наноразмерных волноведущих структур для нанофотоники, обеспечивающих максимальную локализацию оптического излучения и его распространение с минимально возможными потерями. Такие материалы и структуры в будущем обеспечат уменьшение размеров фотонных компонент и выступят альтернативой кремнию и устройствам кремниевой фотоники. В настоящее время альтернативой кремнию могут выступить дисульфиды молибдена и вольфрама, характеризующиеся высокими показателями преломления (>4) и практически нулевыми оптическими потерями в телекоммуникационном диапазоне частот. В рамках настоящего проекта задача поиска новых перспективных материалов и разработки наноразмерных волноведущих структур для нанофотоники решается посредством 1) расчета электронных и оптических свойств новых материалов с помощью эволюционного алгоритма USPEX и T-USPEX; 2) всестороннего анализа оптических свойств перспективных слоистых материалов (прежде всего дихалькогенидов переходных металлов); 3) разработки и создания на основе этих материалов волноведущих структур, использующих уникальные оптические свойства слоистых материалов (рекордную анизотропию).
На конец отчетного периода были получены следующие результаты:
Получены данные по перспективным слоистым материалам (дихалькогенидов переходных металлов) на основе результатов моделирования с помощью эволюционного алгоритма USPEX и T-USPEX. Для этого произведено усовершенствование и соответствующая адаптация методов USPEX и T-USPEX. В результате моделирования удалось обнаружить экспериментально известную фазу 1H-MoS2. Кроме того, была обнаружена новая, неизвестная ранее двумерная фаза Pmma-Mo6S4 а также новая метастабильная фаза Pnma-Mo4S4, которая потенциально может обладать перспективными свойствами. Стабильность найденных структур была подтверждена с помощью DFT расчетов. Помимо поиска новых фаз в системе Mo-S, также были рассчитаны оптические свойства различных ван-дер-ваальсовых материалов дихалькогенидов переходных металлов, а именно hBN, WS2, MoS2 и MoSe2. Разработана процедура измерения оптических свойств слоистых материалов (MoSe2, WSe2, MoTe2 (2H и 1T’), WTe2) и их двумерных аналогов (полученных посредством механической эксфолиации) с помощью спектороскопии комбинационного рассеяния света, а также спектральной и визуализирующей нулевой эллипсометрии. Получены о обработаны поляризационные спектры слоистых кристаллов дихалькогенидов переходных металлов и их двумерных аналогов, а также соотвествующие спектры отражения, пропускания и поглощения. Используя оригинальную методу фитинга эллипсометрических данных получены оптические константы различных слоистых кристаллов дихалькогенидов переходных металлов и их двумерных аналогов (полученных посредством механической эксфолиации). Была экспериментально исследована дисперсия волноводных мод в слоистых материалах (MoSe2, WSe2, MoTe2 (2H и 1T’), WTe2), а также проведено сравнение полученных экспериментальных данных с численными расчетами на основе оптических констант материалов, полученных с помощью спектральной эллипсометрии. Получено очень хорошее совпадение теоретических расчетов с экспериментальными данными. На основе полученных результатов были разработаны компактные (наноразмерные) волноводы. Для этого в программе Comsol Multiphysics было проведено моделирование полосковых волноводов MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2 в зависимости от ширины и высоты кремниевого ядра волноводов. В результате оптимизации этих параметров были получены оптимальные значения размеров волноводов, которые использовались для создания волноводов типа MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2. Помимо этого, были смоделированы волноводы типа Si/MoS2 и Si/WS2, поскольку такая конфигурация также использует преимущества дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама для достижения экстремальной глубины моды (e-skid – extreme skin depth) в обкладках волновода, но только с одной стороны, в отличии от конфигурации MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2, где используются обе стороны волновода. С другой стороны, конфигурацию Si/MoS2 и Si/WS2 гораздо проще изготовить, чем MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2, из-за чего они также были рассмотрены в работе. Также, как и в случае MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2, полосковые волноводы Si/MoS2 и Si/WS2 были смоделированы в программе Comsol Multiphysics в зависимости от ширины и высоты кремниевого ядра волновода. В результате оптимизации этих параметров были получены оптимальные значения размеров волноводов, при которых получается минимальный размер моды.
На финальном этапе работы было проведено тестирование и оптимизация компактных (наноразмерных) волноводов типа MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2 с использованием рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Для этого были созданы волноводы с различной шириной с шагом в 50 нм и измерены на рассеивающем сканирующем ближнепольном оптическом микроскопе на нескольких длинах волн (1475 нм, 1500 нм, 1525 нм, 1550 нм и 1575 нм) амплитудные и фазовые распределения полей. В результате Фурье-анализа были получены дисперсионные соотношения, которые показали отличное согласие с результатами моделирования в программе Comsol Multiphysics, что подтверждает правильность подхода для достижения оптимальных параметров волноводов. Более того, совпадение теоретических расчетов с экспериментальными данными дает возможность для нахождения перспектив применения слоистых материалов и разработке схем нанофотонных устройств. В частности, были предложены фотонные кристаллы на основе дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама, а также направленные ответвители на базе волноводов MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2 для передачи энергии из одного канала связи в другой.
Публикации
1. Иван В. Забросаев, Максим Г. Козодаев, Роман И. Романов, Анна Г. Черникова, Прабхаш Мишра, Наталья В. Дорошина, Алексей В. Арсенин, Валентин С. Волков, Александра А. Королева, Андрей М. Маркеев Field-Effect Transistor Based on 2D Microcrystalline MoS2 Film Grown by Sulfurization of Atomically Layer Deposited MoO3 Nanomaterials, 12, 19, 3262 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12193262
2. Манзур С., Талиб М., Арсенин А.В., Волков В.С., Мишра П. Polyethyleneimine-starch functionalization of single-walled carbon nanotubes for carbon dioxide sensing at room temperature ACS Omega, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06243
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе реализации проекта «Элементная база посткремниевой фотоники» в 2023 были выполнены все задачи, предусмотренные планом научного исследования на отчётный период. Ван-дер-ваальсовы кристаллы представляют собой уникальный класс материалов, обладающих перспективными для применения в фотонике нового поколения свойствами. Слоистые материалы могут совмещать в себе такие отличительные характеристики, как высокий показатель преломления и оптическая анизотропия при низких потерях вплоть до видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн.
Оптические свойства исследуемых анизотропных в плоскости слоистых материалов (дисульфид германия, диселенид германия и др.) демонстрируют высокий показатель преломления (больше 2) и близкий к нулю коэффициент экстинкции для широкого диапазона длин волн, что делает их отличной платформой для реализации волноводных структур. Для этого были рассчитаны планарные волноводы из этих материалов, а также экспериментально реализованы и измерены на рассеивающем сканирующем оптическом ближнепольном микроскопе (в схеме на отражение). В результате были получены карты распределения ближнего поля волноводных мод в анизотропных планарных волноводах для видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов (700 - 1000 нм). Полученные ближнепольные карты затем использовались для определения эффективного индекса мод и их дисперсии по длине волны, которые сравнивались с расчетами на основе анизотропных оптических констант материалов, полученных из анализа эллипсометрических спектров. Совпадение экспериментальных и теоретических дисперсий волноводных мод в рамках погрешности измерений подтверждает, что полученные оптические свойства анизотропных слоистых материалов могут быть использованы для расчета ближнепольного отклика фотонных наноструктур.
Помимо высокого показателя преломления анизотропные в плоскости слоистые материалы (дисульфид германия, диселенид германия и др.) имеют большую оптическую анизотропию (больше, чем 0,1) в плоскости слоев, что открывает возможности для их применения в анизотропной нанофотонике. Например, гигантская плоскостная оптическая анизотропия позволила реализовать ультратонкую (толщиной всего 345 нм) четвертьволновую пластинку, сделанную из анизотропного слоистого материала сульфида мышьяка, для двух длин волн (512 и 559 нм). Более того, на примере данной четвертьволновой пластинки было показано, что наличие гигантской оптической анизотропии позволяет достичь круговой поляризации на нескольких длинах волн, тогда как в классическом случае ультратонкая волновая пластинка работает только на одной длине волны.
В дополнении к планарным волноводам были оптимизированы параметры полосковых волноводов на основе перспективных слоистых материалов (MoS2, WS2 и др.). Далее оптимизированные волноводы были изготовлены при помощи электронной литографии и измерены при помощи рассеивающего сканирующего оптического ближнепольного микроскопа. Например, в результате оптимизации оказалось, что оптимальные размеры полоскового волновода для дисульфида вольфрама составляют: 500 нм ширина и 300 нм высота волновода. При данных параметрах достигается наибольшая степень интеграции волноводов в фотонной интегральной схеме для телекоммуникационных длин волн.
Полученные оптические свойства анизотропных слоистых материалов позволили реализовать топологическую темноту для системы тонкая пленка анизотропного слоистого материала/кремний. Для экспериментальной верификации эффекта топологической темноты были измерены эллипсометрические спектры вблизи топологической точки. Полученные спектры подтвердили наличие топологической темноты, в частности, показали, что достигается нулевая амплитуда отраженного сигнала и наличие топологической фазовой сингулярности. Более того, наличие плоскостной оптической анизотропии дает возможность механического управления топологическими точками путем вращения образца. Тем самым в ходе реализации проекта удалось добиться переключения топологических точек по длине волны на 10 нм и по углу на 5 градусов благодаря найденной оптической анизотропии слоистых материалов.
Публикации
1. Вишневый А.А., Ермолаев Г.А., Грудинин Д.В., Воронин К.В., Харичкин И.В., Мазитов A., Круглов И.А., Якубовский Д.И., Мишра П., Киртаев Р.В., Арсенин А.В., Новоселов К.С., Мартин-Морено Л., Волков В.С. van der Waals materials for overcoming fundamental limitations in photonic integrated circuitry Nano Letters, Vol 23, 17, p.p. 8057−8064 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02051
2. Ермолаев Г., Пушкарев A., Жижченко A., Кучмижак А.А., Йорш И., Круглов И., Мазитов А., Иштеев А., Константинова К., Саранин Д., Славич А., Стошич Д., Жукова Е.С., Целиков Г., Карло Д.А., Арсенин А., Новоселов К., Макаров С., Волков В.С. Giant and tunable excitonic optical anisotropy in single-crystal halide perovskites Nano Letters, Vol 23, 7, p.p. 2570–2577 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04792
3. Кузнецов A., Моисеев Е., Абрамов А.Н., Фоминых Н., Шаров В.А., Кондратьев В.М., Шишкин И.И., Котляр К.П., Кириленко Б.А., Федоров В.В., Кадинская С.А., Воробьев А.А., Мухин И.С., Арсенин А.В., Волков В.С., Кравцов В., Большаков А.Д. Elastic gallium phosphide nanowire optical waveguides—versatile subwavelength platform for integrated photonics Wiley-VCH - Small, Volume 19, Issue 28, 2301660 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/smll.202301660
4. М.А. Аникина, А. Кузнецов, А.Н. Токсумаков, В.В. Дремов, Д.А. Казарян, В.В. Федоров, А.В. Арсенин, В.С. Волков, А.Д. Большаков Photoluminescence anisotropy in hybrid nanostructures based on gallium phosphide nanowire and 2D transition metal dichalcogenides St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 16, 3.2, 130-136 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18721/JPM.163.222