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 23-12-20004

НазваниеИсследование оптических свойств квазиодномерных углеродных структур для разработки модулятора интенсивности в волоконном тракте

РуководительКучерик Алексей Олегович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых", Владимирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№77 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаКвазиодномерные системы, линейный углерод, оптические свойства, модуляция излучения

Код ГРНТИ29.19.22

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие элементной базы фотоники требует поиска всё новых решений, позволяющих успешно сочетать достижения нанотехнологий и современной оптики. Одним из таких успешных примеров является применение двумерных материалов для создания различных оптических датчиков и сенсорных систем. Чаще всего в качестве основного чувствительного элемента в таких сенсорах используют графен/оксид графена или графеновые пачки в 2-10 слоев. В рамках данного проекта предлагается исследовать свойства пассивного оптического модулятора, сформированного путем нанесения на торец оптического волокна моноатомных углеродно-цепочечных структур (пучок линейных углеродных цепей, стабилизированный золотыми частицами на концах). В дальнейшем такой подход, при использовании внешних полей, позволит реализовывать активную модуляцию за счет изменения оптических свойств пленок (спектры пропускания/поглощения). Для решения поставленных задач авторами будут проведены экспериментальные работы по селективному выделению в коллоидных системах пучков линейных цепей, их упорядоченному осаждению из коллоидных систем с целью формирования в осаждаемой пленке ярко выраженной доменной структуры (областей преимущественной ориентации квазиодномерных структур), в которой большая часть углеродных пучков будет иметь преимущественную ориентацию. Такой подход позволит реализовать поляризацию излучения в стандартном одномодовом волокне и настроить селективное поглощение. Будут проведены оптические измерения, демонстрирующие изменение оптических свойств пленок в зависимости от степени упорядоченности осажденных структур, средней длины линейных цепей и количества цепей в отдельных пучках.

Ожидаемые результаты
Предлагаемый проект отвечает широкому кругу приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ, в частности, получение новых наноструктурированных материалов и устройств на их основе полностью соответствуют направлению «Индустрия наносистем», а развитие на их основе оптических модуляторов, поляризаторов и оптоэлектронных переключателей даст толчок к развитию области «Информационно-телекоммуникационных систем», «Безопасности и противодействия терроризму» и «Транспортные и космические системы». Основным результатом проекта на первом этапе будет лабораторный образец пассивного оптического модулятора интенсивности, сформированный за счет упорядоченного осаждения линейного углерода непосредственно на торец оптического волокна. Подобного рода исследования проводятся различными научными группами по всему миру, но их усилия в настоящее время сосредоточены на таких материалах, как графен и графеноподобные материалы, массивы нанотрубок. Во всех случаях открытым вопросом остается нанесение покрытия достаточной площади для перекрытия сердцевины волокна (1-10 мкм) и точная настройка оптических параметров структур, что связано с особенностями формирования энергетических зон, например в графене, являющемся по свойствам проводимости полуметаллом. Предлагаемые в данном проекте методы основаны на получении и осаждении коллоидных систем, содержащих моноатомные углеродные структуры с полииновыми связями, представляющими собой линейные цепочки конечной длины с чередующимися одинарными-тройными связями. Оптические свойства данных структур зависят от общей длины цепи, длины (в атомах) линейных участков, разделенные структурным дефектом – кинком, упаковкой цепочек в плоскости, перпендикулярной длине (определяемая особенностями Ван-дер-Ваальсового взаимодействия) и влиянию якорных окончаний. Ранее нами было показано, что получение цепей с длиной линейного участка от 8 до 32 атомов позволяет формировать структуры, имеющие периодические максимумы поглощения в видимом диапазоне, а формирование макрообъектов, состоящих из свернутых цепей и фрагментов графитовых плоскостей, обеспечивает поглощение излучения в диапазоне от 500 нм до 2500 нм. Таким образом, возможно получение структур, обладающих селективным поглощением, как за счет длины цепи, так и за счет морфологии осаждаемой пленки. В рамках реализуемого проекта будет изучена возможность получения поглощающего покрытия, позволяющего использовать торец волокна в качестве модулятора интенсивности. Будут исследованы процессы управления показателем поглощения осажденного слоя за счет воздействия внешним электрическим полем (на первых этапах будет показан эффект при включении постоянного поля, по мере развития проекта планируется использование токов высокой частоты). Будут разработаны экспериментальные схемы, аналогичные элементам интегральной фотоники, на основе соединения волокон по схеме торец-торец с минимизацией оптических потерь. Таким образом, в ходе реализации проекта будут получен широкий спектр результатов как фундаментального характера, в области взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона с наноструктурированной пленкой, состоящей из линейных углеродных цепей, так и прикладного, в области создания новых элементов фотоники.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках текущего этапа проекта были продемонстрированы возможности по получению ультратонких пленок, состоящих из линейных углеродных цепей стабилизированных золотыми наночастицами. Предложен простой способ выпрямления данных цепей при осаждении на твердую подложку за счет развития эффекта прилипания границы капли коллоидного раствора (пинниг эффект). Показано, что такой способ позволяет создать преимущественную ориентацию цепей, по направлению стекания капли коллоидного раствора, при испарении в нормальных условиях. Экспериментально показано, что данные пленки, содержащие ориентированные пучки углеродных цепей, демонстрируют изменение поглощения при облучении линейно поляризованным светом и величина поглощения сильно зависит от угла между осажденным пучками линейных цепей и плоскостью поляризации излучения. Для демонстрации данного эффекта была предложена оригинальная схема, позволяющая измерять интенсивность люминесценции в зависимости от условий освещения пленки, и сопоставлять, полученные данные условиям поглощения. Более того, показано, что присоединение золотых наночастиц к концам полииновых структур также приводит к легированию цепей свободными электронами. Показано, что интегральная интенсивность люминесценции цепей с золотыми наночастицами на концах намного сильнее, чем у структур из чистого углерода, при этом интенсивность фотолюминесценции последних квадратично зависит от мощности накачки при малых величинах интенсивности излучения накачки (до 5 мВт). Обнаружено, что при облучении линейных цепей с золотыми наночастицами на концах излучением с частотой, близкой к частоте плазмонного резонанса золотых кластеров наблюдается слабая люминесценция со смещением в синий диапазон спектра. Все эти эффекты могут быть описаны моделью межуровневых переходов цепей конечной длины, расширяющихся за счет обмена носителями между углеродными цепями и золотыми кластерами. Моделирование ab-initio также демонстрирует изменением плотности электронных состояний для цепей закрепленных между золотыми кластерами и без них. Обнаруженная сильная поляризационная зависимость интенсивности люминесценции массивов углеродных цепей с золотыми концами делает их многообещающими кандидатами в качестве наноразмерных логических элементов управляемых светом. Для тестирования оптических свойств металлоулелродных пленок в схеме торец-торец в оптоволоконном тракте был собран и испытан стенд с использованием экспериментальной схемы интерферометра Фабри-Перо. Для оптимизации конструкции оптического проходного элемента было предложено сформировать полости в объеме оптического волокна, в который можно размещать достаточный для проявления оптических эффектов объем коллоидной системы. Процедура формирования полостей была отработана, предложены методы изменения их геометрии, исследована морфология их дна. Проведенные эксперименты показывают, что возможна передача поляризованного света на расстояниях между торцами волокон от 0.1 до 10 мкм. В настоящий момент времени удалось добиться стабильного эффекта передачи поляризованного излучения на длинах волн от 532 до 1064нм.

 

Публикации

1. Кавокина С.В., Осипов А.В., Самышкин В.Д., Абрамов А.С., Рожкова Н.Н. Кононенко В.В., Конов В.И., Кучерик А.О. Laser Fabrication of Gold–sp-Carbon Films Condensed matter, Condens. Matter 2023, 8, 96 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/condmat8040096