Элементная база посткремниевой фотоники

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 проекта 22-19-00738

НазваниеЭлементная база посткремниевой фотоники

Руководитель Лейман Владимир Георгиевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слова Дихалькогениды 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.1021/acsomega.2c06243

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)
10.1002/smll.202301660

4. 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)
10.1021/acs.nanolett.3c02051

5. 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)
10.1021/acs.nanolett.2c04792

6. 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)
10.18721/JPM.163.222

7. Прохоров А.В. , Токсумаков А.Н., Шестериков А.В. , Максимов Ф. М., Татмышевский М.К., Губин М.Ю. , Киртаев Р.В., Титова Е.И., Якубовский Д.И., Жукова Е.С., Бурдин В.В., Новиков С.М., Чернов А.И., Казарян Д.А., Арсенин А.В. , Волков В.С. Polarization control of lasing from few-layer MoTe2 coupled with the optical metasurface supporting quasi-trapped modes Applied Physics Letters, Applied Physics Letters, 125, 041702, 2024 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1063/5.0214626

8. Грудини Д.В., Ермолаев Г.А., Киртаев Р.В., Славич А.С., Вишневый А.А., Воронин К.В., Арсенин А.В., Волков В.С. Ultra-dense photonic integration of e-skid waveguides enabled by van der Waals materials «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT), Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)» 2024, c. 303 (год публикации - 2024)

9. Прохоров А.В., Новиков С.М., Губин М.Ю., Киртаев Р.В., Шестериков А.В., Грудинин Д.В., Татмышевский М.К., Якубовский Д.И., Жукова Е.С., Арсенин А.В., Волков В.С. Far-Field and Near-Field Manipulation via Multipole Coupling Phenomenon in Van Der Waals Metasurfaces Laser & Photonics Reviews, Laser Photonics Rev, in press (год публикации - 2024)

10. Прохоров А.В., Чернов А.И., Губин М.Ю., Новиков С.М., Киртаев Р.В., Титова Е.И., Казарян Д.А., Токсумаков А.Н., Шестериков А.В., Татмышевский М.К., Якубовский Д.И., Жукова Е.С., Арсенин А.В., Волков В.С. Hybrid and Heterostructured Van Der Waals Metasurfaces for Control of Collective and Coherent Optical Effects PIERS 2024, Chengdu, PIERS 2024 Chengdu, China, 2024 (год публикации - 2024)

11. Прохоров А.В. , Черников А.С., Шестериков А.В., Губин М.Ю., Сюй А.В., Попов А.А., Шалыгина О.А., Хорьков К.С., Кочуев Д.А., Арсенин А.В., Целиков Г.И. , Волков В.С. Лазерный синтез квантово-размерных структур на основе новых оптических материалов: лаборатория в пробирке Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Типография НИЯУ МИФИ 115409, Москва, Каширское ш., 31, в печати (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году был проведен анализ литературы и баз данных кристаллических материалов с целью поиска новых перспективных анизотропных слоистых материалов для нанофотоники. Было установлено, что ван-дер-Ваальсова (vdW) природа рассматриваемых в проекте материалов делает возможным создание на их основе гетероструктур и новых форм искусственных материалов с требуемыми характеристиками. На основании анализа литературы было выявлено, что 2D-кристаллы совместимы с существующими 3D-материальными платформами благодаря разработанным технологиям переноса, что открывает широкий спектр приложений. Были изучены оптические свойств анизотропных слоистых материалов (PdSe2, MoO3, других материалов, обнаруженных в ходе анализа баз данных кристаллических материалов) и их двумерных аналогов (полученных посредством механической эксфолиации): спектроскопия комбинационного рассеяния, микроспектрофотометрия, микрорефлектометрия и спектральная эллипсометрия. Определены оптические константы с помощью спектральной эллипсометрии. В частности, удалось идентифицировать направления кристаллографических осей в исследуемом PdSe2 материале с высокой точностью. Для проверки оптических свойств и определения положений оптических осей исследуемых флейков измерялись поляризационные спектры отражения в диапазоне 550–900 нм. Измеренные спектральные карты и положения оптических осей хорошо согласуются с данными, полученными методами спектральной эллипсометрии. Кроме того, в ходе работы над проектом были измерены анизотропные оптические константы кристалла alpha-MoO3. Также, были изучены дисперсии волноводных мод в слоистых материалах (PdSe2, MoO3) в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн с использованием рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Получены дисперсии мод планарных волноводов из слоистых материалов с внеплоксокстной анизотропией методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии для планарных волноводов толщиной 225 нм в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн (1500 – 1600 нм) с шагом 25 нм. Показано, что фундаментальная ТМ мода распространяется без весомых потерь на расстояния более 20 мкм, что позволяет утверждать, что она имеет достаточно большую длину пробега для использования в интегральных фотонных структурах. Были разработаны, промоделированы и созданы компактные (наноразмерные) волноводы на основе перспективных ван-дер-ваальсовых материалов. Выполнено теоретическое исследование и оптимизация возможности компактной интеграции волноводов прямоугольного сечения на основе перспективного ван-дер-ваальсова материала PdSe2. Показано, что волноводы из PdSe2 на длине волны 1550 нм возможно интегрировать на чип для передачи данных на 33% плотнее чем аналогичные волноводы из кремния. Также, были протестированы и оптимизированы компактные (наноразмерные) волноводы на основе перспективных ван-дер-ваальсовых материалов с использованием рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Протестированы и исследованы методом рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии наноразмерные планарные волноводы на основе перспективных ван-дер-ваальсовых материалов, таких как CdPS3, GeS2, MoTe2, PdSe2. Кроме того, была выполнена оценка перспектив применения ван-дер-ваальсовых материалов (PdSe2, MoO3 и ряда других, определенных по результатам моделирования на основе эволюционного алгоритма USPEX и T-USPEX) в нанофотонике в зависимости от их оптических свойств. Разработаны перспективные схемы нанофотонных устройств. Были получены результаты расчета коэффициентов преломления и экстинкции в PdSe2 методом BSE и их сравнение с экспериментально измеренными значениями. Расчеты частотно-зависимого диэлектрического тензора оказались в хорошем согласии с экспериментом. В итоге, был реализован заключительный аналитический обзор по перспективам применения ван-дер-ваальсовых материалов для создания компактных волноводных структур для передачи оптических сигналов. В частности, в выполненных исследования по проекту впервые было раскрыто нетривиальное влияние оптической анизотропии в интегральной фотонике. Показано, что анизотропия улучшает характеристики волноводов из ван-дер-Ваальсовых материалов, в частности, приводя к снижению перекрестных помех в волноводах, тем самым расширяя пределы интеграции за пределы изотропной нанофотоники. Более того, был изучен режим распространения без потерь в рамках полностью диэлектрической нанофотоники, в отличие от пионерских публикаций, где исследователи работают в режиме потерь.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Настоящий проект сосредоточен на получении лабораторных образцов нового типа компактных волноводов на основе перспективных оптических материалов. Такие устройства востребованы в качестве элементов интегральной фотоники, в том числе - межузловых соединений в фотонных интегральных схемах, а также могут найти применение для реализации алгоритмов квантовой обработки информации, включая квантовую криптографию и квантовые вычисления.