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 24-12-00195

НазваниеИсследование субволновой локализации световых полей в плазмонных наноструктурах для создания перспективных светоконцентраторов

РуководительПолютов Сергей Петрович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет", Красноярский край

Период выполнения при поддержке РНФ

2024 г. - 2026 г.

Конкурс№92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

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

Ключевые словаплазмонный резонанс, локальное поле, наносенсоры, концентраторы света

Код ГРНТИ29.19.22 29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Материалы, структурированные на наноуровне, обладают уникальными физико-химическими свойствами и обеспечивают беспрецедентные возможности, которые используются во многих важных социальных областях, таких как здравоохранение, экологические исследования, преобразование энергии. Успех здесь в значительной степени зависит от возможностей теоретического наноразмерного проектирования соответствующих материалов для их дальнейшего целенаправленного синтеза с заданными свойствами. Одна из целей настоящего проекта состоит в том, чтобы продвинуть исследования по разработке многомасштабных методов дизайна и прогнозирования новых наноматериалов за пределы текущего уровня теоретического описания и использовать эти методы в конкретных актуальных приложениях. К числу интенсивно исследуемых объектов наноплазмоники относятся несферические плазмонные наночастицы с острыми кромками, обладающие уникальными светоконцентрирующими свойствами. Эти свойства лежат в основе рамановской спектроскопии с усилением поля вблизи острия (TERS) и в методах усиления поля вблизи плазмонного острия для задач ближнепольной оптической микроскопии (TENOM). Основой этих методов является использование плазмонных наночастиц с минимально возможным радиусом кривизны острых кромок. При этом, радиус кривизны плазмонных игл, применяемых, в частности, в туннельных сканирующих устройствах, составляет на сегодняшний день около 50 нм. Недостатком таких наноэлементов является быстрая деградация формы (острых кромок) с последующей утратой светоконцентрирующих свойств. В предлагаемом проекте, с помощью развиваемой нами в последние годы многомасштабной теории, включающей атомистическое моделирование и возможные квантовые эффекты, и разрабатываемого программного обеспечения, мы планируем провести исследование нанофокусировки локального электромагнитного поля на субволновом масштабе в различных плазмонных структурах с острыми кромками (плазмонные иглы и светоконцентраторы) с учетом их размера, формы и химического состава для их использования в светоконцентрирующих плазмонных устройствах с размерами «рабочих элементов» 3-15 нм,- задачи, которые ранее не решались на атомистическом уровне для подобных систем. В конечном счете, в проекте будет предложена конструкция устойчивого к деградации плазмонного светоконцентрирующего элемента, выполняющего функцию плазмонной иглы с радиусом кривизны светоконцентрирующих кромок от 5 нм. В таких устройствах может быть достигнуто усиление локального электромагнитного поля вблизи плазмонного острия, как минимум, на порядок по сравнению с доступными в настоящее время в технологиях сферическим наночастицами с таким же числом атомов. Возможное применение результатов исследований данного проекта охватывает, в том числе, такие прикладные направления как TERS, SERS, фотовольтаику, наносенсорику, атомно-силовую и туннельную микроскопии.

Ожидаемые результаты
Целью проекта является поиск конфигураций острокромочных наночастиц c усилением локального электромагнитного поля, способных сохранять свою идеальную форму и максимально устойчивых к действию внешних факторов: температуре, оптическому излучению, окружающей среде. Для достижения этой цели будут решены следующие основные задачи. 1) С помощью разработанного нами многомасштабного метода Ex-DIM/MD на атомистическом уровне будут найдены устойчивые конфигурации светоконцентрирующих несферических плазмонных наночастиц с максимальной стабильностью исходной формы. 2) Исследование локальной подвижности атомов в наночастице даст ответ на вопрос о причинах высокой локальной подвижности атомов в условиях локальной анизотропии окружения атомов другими атомами при приближении к поверхности частицы, обнаруженной нами ранее. 3) Исследование с помощью Ex-DIM/FDTD/COMSOL Multiphysics локального распределения поля вокруг острых кромок, а также плазмонных спектров, которые необходимы для определения положения их максимума и исследование эволюции распределения локального поля вблизи острых кромок при нагреве в различных физических ситуациях дадут ответ на вопрос о сохранении световым светоконцентратором своих функциональных свойств. 4) Для определения пороговой неповреждающей интенсивности светоконцентратора в условиях облучения лазерным излучением для сильно анизотропных наночастиц разных форм и размеров с помощью Ex-DIM/MD будет проведено исследование нагрева наночастиц излучением. 5) Будет сформулирована концепция эволюции плазмонных оптических свойств, которая будет использована для исследования светоконцентраторов в виде одиночных тетраэдров и октаэдров в качестве модельных объектов. 6) Будет исследована эволюция распределения локального поля вокруг такого модельного объекта, как пара тетраэдров и пары октаэдров, направленных вершинами друг к другу, а также вокруг одиночной наночастицы со сложной поверхностью в качестве прототипов суперконцентраторов локального поля. 7) Будет предложена конструкция устойчивого к деградации плазмонного светоконцентрирующего элемента, выполняющего функцию плазмонной иглы с радиусом кривизны светоконцентрирующих кромок от 5 нм. Полученные в рамках проекта фундаментальные знания и результаты будут, как минимум, соответствовать высокому международному уровню. Результаты могут быть востребованы, в том числе, в таких прикладных направлениях как TERS, SERS, фотовольтаика, наносенсорика, атомно-силовая и туннельная микроскопия и, как следствие, могут быть востребованы в том числе в здравоохранении (сенсорика, биовизуализация), индустрии наносистем (в том числе при производстве наночипов, где рассматриваемые нами эффекты могут играть существенную роль), производстве научного экспериментального оборудования с улучшенными характеристиками.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ