Высокодобротные дискретные оптические наноструктуры для управления световым излучением от квазидвумерных материалов

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 22-72-10047

НазваниеВысокодобротные дискретные оптические наноструктуры для управления световым излучением от квазидвумерных материалов

Руководитель Савельев Роман Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

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 слова высокодобротные 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

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.18721/JPM.153.341

2. 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)
10.1021/acsnano.2c11509

3. И.А. Волков, Н.А. Устименко, Д.Ф. Корнован, А.С. Шеремет, Р.С. Савельев, М.И. Петров Strongly subradiant states in planar atomic arrays Nanophotonics, т.13, №3, с. 289-298 (год публикации - 2024)
10.1515/nanoph-2023-0624

4. Михаил М. Михайловский, Мария А. Полева, Николай С. Солодовченко, Михаил С. Сидоренко, Зарина Ф. Садриева, Михаил И. Петров, Андрей А. Богданов, Роман С. Савельев Engineering of high-Q states via collective mode coupling in chains of Mie resonators ACS Photonics, т. 11, вып. 4, сс. 1657–1663 (год публикации - 2024)
10.1021/acsphotonics.3c01874

5. Ку Ю., О Д.К., Мун Дж., Абрамов А.Н., Тюгаев М., Ким Ю.Б., Ким И., Ким Т.Х., Ян С., Ким Ю., Ким Д., Кравцов В., Ро Ю., Пак К.Д. High momentum two dimensional propagation of emitted photoluminescence coupled with surface lattice resonance Light: Science & Applications (год публикации - 2025)

6. Устименко Н., Корнован Д., Волков И., Шеремет А., Савельев Р., Петров М. Nonradiant multiphoton states in quantum ring oligomers Physical Review A, том 110, вып. 1, стр. L011501 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevA.110.L011501

7. Михин А.О., Руцкая В., Савельев Р.С., Синев И.С., Алу А., Горлач М. Engineering topological states in arrays of two-mode nanostructured dielectric waveguides 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Chengdu, China, 2024, № 231115204940, стр. 1-6 (год публикации - 2024)
10.1109/PIERS62282.2024.10618456

8. Волков И., Устименко Н., Корнован Д., Мицай С., Жоголев С., Шеремет А., Савельев Р., Петров М. Subradiant states in planar arrays of dipolar emitters Moscow University Press, Moscow , Resonant Nanophotonics Educational Workshop 2024 : Book of abstracts of the educational seminar, Moscow, 08–12 июля 2024 года. – Moscow: Moscow University Press, 2024. – P. 47-48. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе работы на третьем этапе проекта была изготовлена серия цилиндрических и кольцевых резонаторов из гексагонального нитрида бора на стеклянной подложке, с параметрами, оптимизированными на предыдущем этапе. Резонаторы создавались методом электронной литографии и последующего химического травления флейка гексагонального нитрида бора. Была проведена оценка геометрических параметров резонаторов путем обработки изображений, полученных методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Далее была проведена характеризация оптического отклика изготовленных резонаторов. На подложку с резонаторами наносилась иммерсионная жидкость с показателем преломления близким к показателю преломления подложки. Образец облучался гауссовым пучком, распространяющимся по нормали к подложке, а излучение, рассеянное назад, собиралось через тот же объектив. Сравнивая измеренные спектры рассеяния с рассчитанными спектрами для резонаторов с небольшой вариацией радиуса и угла наклона стенок, была проведена оценка геометрических размеров изготовленных резонаторов: угол наклона стенок резонаторов 13 градусов, внешние радиусы цилиндрических и кольцевых резонаторов (в плоскости подложки) в диапазоне от 650 до 750 нм, а ширина кольцевых резонаторов (в плоскости подложки) в диапазоне от 300 до 400 нм. Были проведены оценки характеристик резонаторов с размерами, оцененными из эксперимента, показавшие, что сила связи моды изготовленного резонатора с монослоем квазидвумерного материала уменьшится примерно в 1.75 раза по сравнению с аналогичной величиной для параметров, оптимизированных в расчете. Режим сильной фотон-экситонной связи при этом может быть реализован для изготовленных резонаторов, поддерживающих моды с достаточно большими азимутальными числами (13,16). Были изготовлены образцы гибридных резонансных структур, которые состояли из монослоев MoSe2, сопряженных методом сухого трансфера с резонансными нанофотонными структурами - массивами слот-антенн в золотой пленке с периодом 400 нм, разработанных на предыдущем этапе. За счет подстройки оптических резонансов с помощью нанесения нанометровой полимерной пленки из поликарбоната было достигнуто спектральное перекрытие экситонного и фотонного резонансов на длине волны 790 нм. Для экспериментального исследования оптического отклика изготовленных структур была отработана методика измерения спектров отражения и фотолюминесценции с разрешением по волновому вектору в двух различных поляризациях и для двух компонент волнового вектора в плоскости образца. При помощи данной методики были измерены зависимости спектров отражения и фотолюминесценции для гибридных структур от волнового вектора, в которых были идентифицированы моды поверхностного решеточного резонанса (ПРР) в ТМ поляризации и локализованного плазмонного резонанса (ЛПР) в X-поляризации. Была обнаружена гибридизация мод ПРР и ЛПР для зависимости от X-компоненты волнового вектора в X-поляризации. Был обнаружен эффект усиления интенсивности ФЛ экситона в монослое MoSe2 в 32 раза за счет эффекта Пёрселла при взаимодействии с гибридизованным ПРР-ЛПР резонансом. Также было исследовано излучение экситонной фотолюминесценции в моду ПРР и характеристики ее распространения в различных направлениях в плоскости образца. Было показано, что рассматриваемая структура может выступать в качестве источника излучения большой площади >800мкм^2 при возбуждении пятном не более 1мкм^2. Была отработана экспериментальная методика изготовления гетероструктур на основе двумерных полупроводников, интегрированных с резонансными фотонными структурами. Методика включает в себя точное определение кристаллографических осей в однослойных кристаллах дихалькогенидов переходных металлов, сборку гетеробислоев непосредственно на фотонных структурах методом сухого трансфера, а также контроль угла рассогласования монослоев для достижения яркого излучения межслоевых экситонов при комнатной температуре. С использованием отработанной методики были изготовлены образцы гетеробислоев дихалькогенидов переходных металлов WSe2/MoSe2, сопряженных с массивами слот-антенн в золотой пленке. Были получены результаты гиперспектрального картирования фотолюминесценции, показывающие формирование внутрислоевых (750 нм и 790 нм) и межслоевых (925 нм) экситонов в структуре, а также пространственное распределение соответствующих интенсивностей излучения в плоскости образца. Было продемонстрировано, что с помощью разработанной методики можно получать гибридные резонансные структуры размерами 10х10 мкм^2 с хорошей степенью однородности ФЛ межслоевого экситона. Были экспериментально измерены и проанализированы спектры фотолюминесценции в зависимости от волнового вектора для гетеробислоев дихалькогенидов переходных металлов WSe2/MoSe2, сопряженных с массивами слот-антенн в золотой пленке. Из сравнения спектров, измеренных для различных компонент волнового вектора (X/Y), различных поляризаций (TE/TM) и различных участков образца (гетеробислой на слот-антеннах либо на неструктурированной пленке), было обнаружено два эффекта. Первый эффект заключается в усилении усредненного по всем доступным в эксперименте волновым векторам спектре ФЛ межслоевого экситона на длине волны 925 нм в 22 раза за счет взаимодействия с резонансом ЛПР каждой слот-антенны. Второй эффект заключается в проявлении слабой дисперсии, т.е. зависимости положения пика ФЛ межслоевого экситона от компоненты волнового вектора в направлении оси x. Было показано, что взаимодействие межслоевых экситонов в гетеробислое WSe2/MoSe2 с резонансом ЛПР в массиве слот-антенн при комнатной температуре реализуется в режиме слабой экситон-фотонной связи.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы для создания компонентов интегральных и интегрально-оптических устройств с использованием квазидвумерных полупроводниковых материалов для обработки и передачи больших объемов данных в дата-центрах, для создания систем квантовых коммуникаций, а также, в перспективе, для экологического и промышленного мониторинга, и биомедицинских сенсоров.