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 22-72-10047
НазваниеВысокодобротные дискретные оптические наноструктуры для управления световым излучением от квазидвумерных материалов
РуководительСавельев Роман Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-301 - Физическая оптика
Ключевые словавысокодобротные резонансные оптические структуры, квазидвумерные материалы, взаимодействие оптических мод, интегральная оптика
Код ГРНТИ29.31.27, 29.31.23
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Постоянно растущие объемы сетевого трафика, а также необходимость защиты чувствительной информации от несанкционированного доступа, стимулируют разработку новых подходов к развитию информационных сетей, удовлетворяющих современным реалиям. Возможным решением данной проблемы является создание оптических и/или квантово-оптических интегральных структур, которые потенциально могут существенно превосходить свои электронные аналоги, используемые в настоящее время для обработки информации, передаваемой через интернет [1]. Одним из ключевых элементов необходимых для создания полноценных интегральных оптических систем являются наноразмерные источники излучения, такие как нанолазеры, светоизлучающие диоды и источники одиночных фотонов [2-5]. В то время как развитые технологии изготовления микроэлектронных кремниевых чипов позволяют создавать качественные пассивные элементы для передачи оптических сигналов, источники излучения и другие активные устройства, реализуемые на технологической платформе кремниевой фотоники – модуляторы, фотодетекторы и пр. – имеют крайне слабую эффективность и требуют для своей реализации решений, которые основываются на использовании сложной многоэтапной технологии роста [1,2]. Поэтому развитие альтернативных подходов к интеграции квантовых излучателей является важной проблемой современной интегральной нанотофотоники.
Среди таких технологический решений большой интерес представляет использование недавно открытых квазидвумерных материалов с сильными линиями излучения в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Такие материалы представляют из себя отдельные тонкие слои таких материалов как WS2, WSe2, MoS2, MoTe2, hBN и многих других, или многослойные Ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры, составленные из этих материалов. За счет слабого ван-дер-ваальсового взаимодействия между атомными слоями, квазидвумерные материалы не требуют согласования атомных решеток и могут быть легко интегрированы с оптическими диэлектрическими наноструктурами путем механического трансфера. Благодаря обилию различных материалов и их комбинаций в гетероструктурах, такие материалы поддерживают большое разнообразие экситонных переходов в различных диапазонах спектра [6] и могут дополнительно модифицироваться за счет механической деформации и создания квази-точечных дефектов [7]. В дополнение, многие материалы стабильны при комнатных условиях и могут функционировать при комнатных и повышенных температурах.
Конкретной задачей, решаемой в данном проекте, будет разработка компактных и высокодобротных дискретных диэлектрических структур, усиливающих эффективность излучения экситонов в квазидвумерных полупроводниковых материалах, с возможностью встраивания в интегральные оптические элементы. Преимуществом разрабатываемых структур являются, во-первых, обширные возможности по настройке их оптических свойств, так как они наследуются от геометрии и симметрии как одиночной частицы, так и типа решетки и геометрии всей структуры. Во-вторых, благодаря компактным размерам, высокой добротности и морфологии таких структур, они хорошо подходят для интеграции с квазидвумерными материалами. Новизна запланированных исследований определяется следующими факторами. Во-первых, на данный момент не исследован механизм взаимодействия коллективных мод через излучение континуума в двумерных периодических структурах, позволяющий увеличить добротность резонансов. Во-вторых, системы, в которых массивы наночастиц, поддерживающие коллективные резонансные моды, интегрированы с однородным оптическим волноводом были рассмотрены только в одномерном случае – цепочки наночастиц. В третьих, отсутствуют исследования по создания активных гибридных структур, объединяющих подобные оптические структуры с квазидвумерными материалами. Наконец, наиболее существенно то, что ни одна из вышеперечисленных задач не была реализована в эксперименте.
Успешная интеграция квазидвумерных материалов в интегральные оптические элементы посредством интерфейса в виде оптической наноструктуры позволит создать наноразмерный источник излучения, являющийся одним из основных компонентов для оптических интегральных структур. Интегральный оптические чипы уже используются в оптических и квантово-коммуникационных приложений для решения проблемы быстрого роста сетевого трафика и защищенности информации. Помимо направлений, связанных с передачей и обработкой информации, оптические чипы могут найти применение в качестве сенсоров для автомобильных лидаров, экологического и промышленного мониторинга, и в биомедицинских приложениях [8].
Ссылки:
[1] Near Margalit, Chao Xiang, Steven M. Bowers, Alexis Bjorlin, Robert Blum, and John E. Bowers, "Perspective on the future of silicon photonics and electronics", Appl. Phys. Lett. 118, 220501 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0050117
[2] D. A. B. Miller, "Attojoule Optoelectronics for Low-Energy Information Processing and Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 35, no. 3, pp. 346-396, 1 Feb.1, 2017, doi: 10.1109/JLT.2017.2647779.
[3] Li et al., J Laser Opt Photonics 2017, 4:3 DOI: 10.4172/2469-410X.1000e114
[4] Wang, J., Sciarrino, F., Laing, A. et al. Integrated photonic quantum technologies. Nat. Photonics 14, 273–284 (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0532-1
[5] Roadmap on integrated quantum photonics // Galan Moody et. al., J. Phys. Photonics, 4, 012501, 2022. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2515-7647/ac1ef4
[6] Mueller, T., Malic, E. Exciton physics and device application of two-dimensional transition metal dichalcogenide semiconductors. npj 2D Mater Appl 2, 29 (2018). https://doi.org/10.1038/s41699-018-0074-2
[7] Mehran Kianinia, Zai-Quan Xu, Milos Toth, and Igor Aharonovich , "Quantum emitters in 2D materials: Emitter engineering, photophysics, and integration in photonic nanostructures", Applied Physics Reviews 9, 011306 (2022) https://doi.org/10.1063/5.0072091
[8] Near Margalit, Chao Xiang, Steven M. Bowers, Alexis Bjorlin, Robert Blum, and John E. Bowers, "Perspective on the future of silicon photonics and electronics", Appl. Phys. Lett. 118, 220501 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0050117
Ожидаемые результаты
В результате работы по проекту планируется получить следующие результаты.
1) Экспериментально подтверждение роста добротности цепочки коллективной моды в массиве диэлектрических (керамических) частиц, за счет взаимодействия мод через излучение континуума.
2) Оптимальная конфигурация системы одномерная цепочка диэлектрических наночастиц, поддерживающая высокодобротную коллективную моду в режиме взаимодействия мод через излучение континуума + однородный диэлектрический волновод, минимизирующая потери на излучение в свободное пространство.
3) Дизайн двумерной дискретной наноструктуры конечного размера, в которой проявляется взаимодействие коллективных мод через излучение континуума и рост добротности одной из мод, оптимизированный под интеграцию с квазидвумерными материалами.
4) Оптимальная конфигурация двумерной дискретной наноструктуры конечного размера, в которой проявляется взаимодействие коллективных мод через излучение континуума, интегрированной с однородным диэлектрическим волноводом.
5) Образцы оптических наноструктур, изготовленные согласно разработанному дизайну двумерного дискретного оптического резонатора. Измеренные оптические характеристики структур, подтверждающие наличие высокодобротных резонансов в видимой или ближней инфракрасной области спектра.
6) Образцы гибридных структур – монослоев квазидвумерных материалов, интегрированных с разработанными ранее и изготовленными оптическими резонаторами. Результаты измерений характеристик фотолюминесценции таких структур, демонстрирующие увеличение эффективности излучения светлых и темных экситонов в свободное пространство и волноводные моды.
7) Результаты измерений оптического отклика гибридных резонансных фотонных структур, интегрированных с квазидвумерными гетероструктурами. Результаты измерений характеристик фотолюминесценции межслоевых и муаровских экситонов, модифицированных за счет эффекта Парселла и результаты оценки эффективности излучения межслоевых экситонов в свободное пространство и волноводные моды.
Тематика проекта бурно развивается последние несколько лет и интерес научного общества к ней продолжать только расти. Учитывая имеющийся у коллектива исполнителей задел, есть все основания полагать, что полученные результаты будут полностью соответствовать мировому уровню исследований. Разрабатываемые оптические наноструктуры будут изготавливаться стандартными методами электронной литографии, и в литературе также показана возможность изготовления схожих структур методами оптической литографии, совместимыми с CMOS технологией. Трансфер квазидвумерных материалов является также достаточно отработанной технологией. Поэтому ожидается, что разрабатываемые структуры смогут быть внедрены в индустриальные приложения в виде оптических интегральных структур, которые могут использоваться для обработки информации оптическими методами, в области квантовых коммуникациях, а также могут найти применение в виде сенсоров для автомобильных лидаров, экологического и промышленного мониторинга, и биомедицинских приложениях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе работы по проекту в первом году исследовались свойства коллективных состояний в одномерных и двумерных массивах наночастиц. Основные результаты относящиеся к одномерным массивам были подтверждены экспериментально в микроволновом диапазоне частот. Также были отработаны технологические процессы, необходимые для изготовления оптических структур для дальнейшей интеграции с квазидвумерными материалами.
Было показано, что изменяя величину отношения магнитного и электрического дипольных (МД, ЭД) резонансных частот в одиночных частицах, возможно управлять силой связи взаимодействия соответствующих МД и ЭД мод в бесконечной цепочке частиц. Так в случае, когда ЭД и МД резонансы спектрально удалены друг от друга, дисперсионная кривая, соответствующая ЭД моде, имеет монотонный характер. При этом, по мере приближения соотношения частот к 1, ЭД мода изменяет характер поведения с монотонного на немонотонный. При этом такой учет межмодового взаимодействия приводит к значительному увеличению критического периода, соответствующего максимальной добротности, по сравнению со случаем, когда частицы характеризуются только одним типом дипольного отклика (магнитным или электрическим). На основе этих результатов был разработан дизайн структуры и проведена экспериментальная проверка эффекта роста добротности коллективной моды в цепочке частиц с МД и ЭД откликами за счет взаимодействия двух коллективных мод. Для этого были проведены измерения спектрального отклика цепочки керамических частиц: измерения параметров рассеяния (S-параметров) при возбуждении антенной через ближнее поле, а также измерения спектров рассеяния при возбуждении из дальнего поля. Полученные экспериментальные результаты показали рост добротности коллективной моды при приближении к определенному периоду. Экспериментально измеренные данные и численно рассчитанные результаты находятся в хорошем соответствии друг с другом.
Было показано, что диаграмма направленности наиболее добротной коллективной моды конечной цепочки дипольных частиц сужается при приближении периода к оптимальному, что по всей видимости связано с интерференцией двух коллективных мод. Подобный эффект изменения диаграммы, однако, оказался не универсальным. Так, при рассмотрении цепочки, частицы которой имеют два типа дипольных отклика, оказалось, что диаграмма наиболее добротной моды может существенно изменяться.
Помимо этого были разработаны и исследованы два возможных дизайна диэлектрических оптических резонансных структур, которые поддерживают высокодобротные коллективные моды. Численные расчеты показали, что высокодобротная коллективная мода в таких структурах обладает зависимостью добротности от числа периодов в цепочке как Q~N^7. При этом, данные структуры могут быть естественным образом интегрированы с однородным волноводом, через который будет выводиться значительная часть излучения.
Далее исследовались свойства коллективных мод в двумерных массивах частиц. Были построены полу-аналитические модели, позволяющие рассчитывать дисперсионные зависимости двумерных массивов частиц в дипольном приближении и свойства коллективных мод в конечных массивах произвольной формы и с произвольным типом решеток. Расчеты показали, что при достаточно маленьком периоде решетки дисперсионные зависимости меняют знак групповой скорости на углах зоны Бриллюэна. При периодах больше некоторого критического значения дисперсионные зависимости имеют монотонный характер и групповая скорость вблизи края зоны Бриллюэна положительная во всех направлениях. При периодах же меньше критического дисперсионные зависимости приобретают немонотонный характер и групповая скорость становится отрицательной.
Был проведен качественный анализ мод конечных двумерных массивов в различных геометриях. В качестве примера, для квадратной структуры с квадратной решеткой было показано, что наиболее добротными являются моды, преобразующиеся по неприводимым представлениям A2, B1. Потери антисимметричной моды, преобразующейся по представлению A2, B1 невелики, а потери мод, преобразующихся по представлению B2 или A1, всегда выше, т.к. дипольные угловые моменты не являются нулевыми. Однако, при определенных параметрах системы, моды последнего типа могут начать взаимодействовать, что приводит к росту добротности одной из них. Прямые численные расчеты подтвердили, что радиационные потери некоторых мод имеют минимумы, связанные со взаимодействием коллективных мод, которое в свою очередь возникает при определенном значении периода за счет выполаживания дисперсии вблизи точки M. Были получены зависимости радиационных потерь с ростом ~N^(-6) и ~N^(-10) для “диагональной” и “антисимметричной” мод, соответственно. Для объяснения таких зависимостей было предложено простое объяснение, связывающее радиационные потери некоторой моды с величиной углового дипольного момента. В рамках такой модели были воспроизведены зависимости ~N^(-6) и ~N^(-10) для двух мод различных типов в квадратной структуре с квадратной решеткой. А также зависимости типа ~N^(-3) и ~N^(-7) для одномерной цепочки для обычной коллективной моды, и для взаимодействующих коллективных мод, соответственно.
На основе результатов, полученных в рамках дипольной модели, была показана принципиальная возможность достижения взаимодействующих коллективных резонансов в двумерном квадратном массиве диэлектрических цилиндров, поддерживающих магнитный дипольный резонанс. Прямые численные расчеты показали, что добротность двух типов коллективных мод такой структуры – “диагональной” и “антисимметричной” – имеет максимум как функция периода, в соответствие с теоретической моделью. При этом, неполное соответствие по оптимальным периодам и добротностям вероятнее всего было вызвано спектральной близостью нескольких мультипольных резонансов в одиночном цилиндре.
Были отработаны основные технологические процессы, необходимые для изготовления оптических структур на основе оксида тантала для дальнейшей интеграции с квазидвумерными материалами. Наноструктурирование производилось с помощью электронно-лучевой литографии и травления ионным пучком. С помощью отработанной методики наноструктурирования можно создавать оптические структуры различной геометрии (решетки, массивы дисков и др.) с резонансами, настраиваемыми в диапазоне экситонных резонансов в монослоях дихалькогенидов переходных металлов. Изображения изготовленных таким образом тестовых образцов, полученные при помощи оптического, сканирующего электронного и атомно-силового микроскопов, показали высокую степень вертикальности стенок наноструктур.
Публикации
1. Ку Й., Ли Х., Иванова Т., Савельев Р.С., Петров М.И., Кравцов В., Парк К.-Д. Nanocavity-Integrated van der Waals Heterobilayers for Nano-excitonic Transistor ACS Nano, т. 17, вып. 5, с. 4854-4861, 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11509
2. Михайловский М. С., Савельев Р. С., Сидоренко М. С., Садриева З. Ф., Богданов А. А., Петров М. И. Collective states with high quality factors in chains of dielectric resonators Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, т. 15, вып. 3.3, с. 213-218, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18721/JPM.153.341