Микрорезонаторы на основе мод шепчущей галереи с внедрёнными наноразмерными люминофорами, усиленными плазмонным полем: разработка и оптимизация архитектуры

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 23-72-10010

НазваниеМикрорезонаторы на основе мод шепчущей галереи с внедрёнными наноразмерными люминофорами, усиленными плазмонным полем: разработка и оптимизация архитектуры

Руководитель Богданов Кирилл Вадимович, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №85 - Конкурс 2023 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; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова сферические микрорезонаторы, моды шепчущей галереи, квантовые точки, плазмонный резонанс, сенсорная платформа

Код ГРНТИ29.33.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время создание, модификация и оптимизация новейших комплексных наноматериалов является одним из приоритетных направлений для развития таких отраслей как робототехника, фотоника, сенсорика, биотехнологии и т.д. Большой интерес вызывают устройства, работающие на базе микрорезонаторов, способных к прецизионной модуляции оптических сигналов. Получение заданных свойств за счёт настойки архитектуры является приоритетной задачей при изготовлении таких элементов. В настоящем проекте предлагается провести исследование микрорезонаторов с внедрёнными наноразмерными люминофорами, усиленными плазмонным наночастицами (ПНЧ) и таким образом совместить принципы усиления за счёт создания генерации мод шепчущей галереи (МШГ) и плазмонного поля. Интерес к структурам на основе матриц с внедрённой активной средой подтверждается усиливающейся публикационной активностью. Так за последние 10 лет число публикаций по данной тематике в высокорейтинговых научных изданиях из первого квартиля выросло более чем в полтора раза, что отражает ее большую значимость для научного сообщества. В свою очередь усиление сигнала с использованием плазмонного резонанса хорошо зарекомендовавшая себя техника, широко используемая в современных разработках. Значительным преимуществом при использование внедрённой в сферическую матрицу активной среды является возможность дистанционного возбуждения. Создание систем с активной средой обладает возможностью настройки частотности оптического отклика за счёт варьирования параметров как микрорезонатора, так и активной среды. В настоящий момент ряд недостатков среди которых более низкая чувствительность сенсоров, временная нестабильность, токсичность замедляют широкое внедрение таких систем. Однако, взаимодействие таких структур с плазмонным полем изучено недостаточно и находятся на начальной стадии разработки. В рамках проекта авторами предлагается провести исследование взаимодействия базовых элементов и оптимизацию архитектуры для устранения обозначенных недостатков. При выполнении проекта планируется использование таких хорошо зарекомендовавших себя материалов как: низкотоксичные квантовые точки (КТ) различных модификаций AgInS2 с различным положением центра люминесценции и КТ In2S3 с перестраиваемым центром люминесценции; ПНЧ с различной частотой плазмонного резонанса; универсальные полимерные микросферы различного заряда и размера, которые являются базовым элементом для создания прототипов резонаторов. Благодаря своим уникальным оптическим свойствам, низкой токсичности и простоте синтеза, данные материалы являются перспективными для дальнейшего применения в оптоплазмонных микрорезонаторах, используемых в качестве компонентов сенсорных устройств и источников вынужденного излучения. Предлагается изучить влияние плазмонного резонанса в различных архитектурах, что позволит в дальнейшем улучшить оптические характеристики таких микрорезонаторов. Результаты проекта будут интересны производственным объединениям, занимающимся инновационными материалами, наукоемкими производствами, медицинскими разработками, а также мировому научному сообществу. Таким образом, целью настоящего проекта является разработка и оптимизации архитектуры реализации прецизионной модуляции в микрорезонаторах на основе мод шепчущей галереи с внедрёнными наноразмерными люминофорами, усиленными плазмонным полем с последующим тестированием полученной композитной структуры в качестве компонента сенсорной системы. Предлагаемый проект “Микрорезонаторы на основе мод шепчущей галереи с внедрёнными наноразмерными люминофорами, усиленными плазмонным полем: разработка и оптимизация архитектуры” полностью соответствует направлению стратегии НТР РФ: Н1 и направлен на переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С.А. Хоркина, А.П. Ткач, К.А. Малеева, К.В. Богданов Создание микрорезонаторов различного размера с модами шепчушей галереи на основе полимерных микросфер и квантовых точек Ar-In-S Оптика и спектроскопия, Оптика и спектроскопия, 2024, том 132, вып. 5, стр. 496-502 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.05.58456.6464-24

2. Антон Р. Ткач, Максим А. Миропольцев, Евгений В. Кунделев, Анастасия В. Соколова, София А. Хоркина, Андрей Л. Рогач, Кирилл В. Богданов The Impact of the Gain Medium Properties and the Resonator Morphology on the Whispering Gallery Mode Spectrum of Polystyrene Microspheres Coated with AgInS2/ZnS Quantum Dots Optics & Laser Technology, Optics & Laser Technology 179 (2024) 111359 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.111359

3. Разработка многомодальных систем защиты от подделок с активными микрорезонаторами, работающими в режиме рандомизированной шепчущей галереи Developing Multi-Modal Anti-Counterfeiting Systems with Randomized Whispering Gallery Mode Active Microresonators Journal of Physics: Conference Series, Журнал: Journal of Physics: Conference Series Том: 2978 Номер: 1 Страницы: 012005 Издатель: IOP Publishing (год публикации - 2025)
10.1088/1742-6596/2978/1/012005

4. Легко изготавливаемые SERS-метки на основе сферических полимерных матриц, декорированных золотыми наночастицами Easily fabricated SERS tags based on spherical polymer matrices decorated by gold nanoparticles Journal of Physics: Conference Series, Журнал: Journal of Physics: Conference Series Том: 2978 Номер: 1 Страницы: 012003 Издатель: IOP Publishing (год публикации - 2025)
10.1088/1742-6596/2978/1/012003

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках второго года выполнения проекта были проведены мультипараметрические исследования различных архитектур сферических микрорезонаторов. Были созданы лабораторные образцы, включающие активную и усиливающую среды, а также буферный слой. Прописан протокол создания активных, сферических микрорезонаторов с внедрённой усиливающей средой из золотых плазмонных наночастиц. Проведены эксперименты по синтезу и добавлению золотых плазмонных наночастиц различного размера и типа синтеза. Выявлена корреляция между усилением генерации резонансного оптического отклика микрорезонаторов и возможностями по созданию SERS-активных среды на базе таких плазмонных частиц. Описаны принципы взаимодействия активных сред из квантовых точек тройного состава ArInS2 и углеродных точек с дополнительным слоями. Так использование углеродных точек с буферным слоем не приводит к положительным результатам из-за тушения люминесцентного отклика таких структур, в то время как совместное осаждение их смеси с плазмонными частицами приводит к улучшению спектральных характеристик. Для точек тройного состава приоритетным является использование буферного слоя, приводящее к значительному увеличению заполняемости поверхности полимерной микросферы. Использование смеси с золотыми плазмонными наночастицами также демонстрирует значительный рост параметров оптического отклика. Использование архитектур с последовательным осаждением компонентов также позволяет создать микрорезонаторы с резонансными состояниями. Однако показатели оптического отклика для таких структур не являются рекордными. На полученных структурах с наилучшими оптическими параметрами были проведены эксперименты по изменению внешних показателей, а также определены зависимости их оптического отклика на такие изменения. Были исследованы параметры показателей преломления внешней среды, такие как: значительное изменение при перемещении в водную среду; незначительные изменения при внесении образцов в пары изопропилового спирта; напыление на поверхность плёнок близкого показателя преломления; создание тонких плёнок со схожим показателем преломления на поверхности в водном растворе. Проведены измерения при изменениях температурных режимов внешней среды.

Публикации