Новые подходы к созданию материалов с управляемыми оптическими свойствами на основе полимеров и нитевидных нанокристаллов

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 25-72-00140

НазваниеНовые подходы к созданию материалов с управляемыми оптическими свойствами на основе полимеров и нитевидных нанокристаллов

Руководитель Кондратьев Валерий Михайлович, канд. физ.-мат. наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" , г Санкт-Петербург

Конкурс №110 - Конкурс 2025 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые слова полимеры, нитевидные нанокристаллы, гибридные материалы, материалы с высоким показателем преломления, материалы с управляемым показателем преломления.

Код ГРНТИ29.33.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы в фотонике, микроэлектронике и сенсорике значительно вырос интерес к наноразмерным материалам с высоким аспектным соотношением, в особенности, нитевидным нанокристаллам различных соединений. Их особенные электронные и оптические свойства, отличные от массивных монокристаллических аналогов, позволили успешно реализовать на их основе фотодетекторы, светодиоды, солнечные элементы, источники одиночных фотонов и другие устройства. Полимеры, в частности кремнийорганические полимеры, благодаря высокой термостойкости, химической инертности, гидрофобности, эластичности и биосовместимости, широко используются в оптоэлектронике, энергетике и медицине. Данный проект направлен на создание гибридных материалов на основе нитевидных нанокристаллов фосфида галлия и кремнийорганических полимеров с возможностью управления их оптическими свойствами за счёт варьирования пространственной ориентации нитевидных нанокрсиаллов в матрице полимера, а также изменения их концентрации. Полученные материалы будут иметь отличный от исходного полимера показатель преломления, который может регулироваться концентрацией нитевидных нанокристаллов. Кроме того, ориентация нитевидных нанокристаллов вдоль направлениям падения света позволит использовать волноводные и резонансные оптические свойства нитевидных нанокристаллов. Нитевидные нанокристаллы фосфида галлия имеют в основном шестигранную огранку (шестигранную форму поперечного сечения), в результате чего волноводы на их основе имеют отсечку по длине волны света, при которой сохраняется волноводный эффект. Также нитевидные нанокристаллы GaP демонстрируют существование резонансов типа Фабри-Перо, которые также могут быть использованы для модификации оптических свойств гибридных материалов на основе полимеров и нитевидных нанокристаллов. Неупорядоченная ориентация нитевидных нанокристаллов в матрице полимера (с разной пропорцией нанокристаллы /полимер) может быть использована для изменения оптического поглощения/пропускания таких материалов и покрытий на их основе. Таким образом, тема Проекта актуальна в первую очередь с точки зрения возможности создания материалов с управляемыми оптическими свойствами на основе полимеров и нитевидных нанокристаллов фосфида галлия, которые не только сохраняют гибкость полимерной матрицы, но и могут быть масштабированы для создания дисплеев, экранов, высокопреломляющих покрытий с большой площадью, оптических фильтров и переключателей.

Ожидаемые результаты
Основные ожидаемые результаты: 1) Параметры и режимы роста нитевидных нанокристаллов (ННК) фосфида галлия (GaP) методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на кремнии; 2) Данные о морфологии единичных ННК GaP, дисперсии размеров, химическом составе и фазе, оптических свойствах; 3) Морфологии ННК GaP, поддерживающие волноводные моды оптического излучения и обеспечивающие резонансное оптическое рассеяние света в видимом и ближнем ИК диапазонах; 4) Массивы ННК GaP с оптимальными размерами, лежащими в диапазоне: характерный размер поперечного сечения от 50 до 300 нм; длина от 5 до 25 мкм; поверхностная плотность 1-5 шт./мкм2; 5) Параметры и режимы инкапсуляции неупорядоченных массивов ННК GaP в полидиметилсилоксан (ПДМС); 6) Данные о возможности создания равномерных слоёв на основе неупорядоченных массивов ННК GaP и ПДМС, эффективные показатели преломления и данные об оптических свойствах таких слоёв; 7) Образцы на основе неупорядоченных массивов ННК GaP и ПДМС с разной пропорцией ННК/ПДМС, эффективные показатели преломления и данные об оптических свойствах таких слоёв; 8) Параметры и режимы инкапсуляции упорядоченных массивов ННК GaP в ПДМС методом бакетного центрифугирования и/или параметры и режимы упорядочения ННК GaP в ПДМС электрофизическими методами; 9) Данные о возможности создания равномерных слоёв на основе упорядоченных массивов ННК GaP и ПДМС, эффективные показатели преломления и данные об оптических свойствах таких слоёв; 10) Образцы на основе упорядоченных массивов ННК GaP и ПДМС с разной пропорцией ННК/ПДМС данные об их оптических свойствах. Согласно проведенному литературному обзору, подобные исследования активно ведутся последние десятилетия, с использованием других материалов и подходов, что подробно изложено в разделе 4.5. и сопровождается ссылками на публикации в ведущих научных изданиях. Таким образом, подтверждается высокий уровень предлагаемых в Проекте исследований. Научная и общественная значимость связана с развитием микроэлектроники и фотоники на основе полимерных материалов и диэлектрических оптических структур с возможностью практического использования ожидаемых результатов Проекта в экономике и социальной сфере, в том числе для создания новой или усовершенствования производимой продукции микроэлектроники и фотоники, гибких устройств и покрытий, дисплеев, оптических фильтров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
"Управление светом на наноуровне: материалы с управляемыми оптическими свойствами на основе полимеров и полупроводниковых нанонитей" Развитие современной оптоэлектроники требует разработки новых подходов к созданию материалов, сочетающих оптические свойства полупроводников с механической гибкостью полимеров. Проект, поддержанный Российским научным фондом, направлен на создание материалов с управляемыми оптическими свойствами на основе полидиметилсилоксана (эластичного полимера) и нитевидных нанокристаллов фосфида галлия. В течение первого года работы исследовательскому коллективу удалось успешно отработать режимы создания таких гибридных структур. В работе был реализован механизм синтеза нанокристаллов GaP в его самокаталитическом варианте. В отличие от использования золотого катализатора, данный подход исключает нежелательное легирование полупроводника атомами золота, что критически важно для сохранения высокой оптической прозрачности материала. Рост инициировался формированием микроскопических капель жидкого галлия непосредственно на поверхности кремния. В результате были получены правильно ограненные шестигранные нанокристаллы диаметром около 100 нм. Чтобы перенести эти упорядоченные массивы в полимер, был отработан метод жидкофазной инкапсуляции. Применение метода бакетного центрифугирования позволило заполнить жидким полимером пространство между нанонитями, не нарушая их целостность, и сформировать гибкую прозрачную пленку толщиной порядка 4 мкм. Исследование оптических свойств этих материалов методами спектральной эллипсометрии показало существенные результаты. Было установлено, что введение полупроводниковых нанокристаллов в крайне малой объемной концентрации (всего 0.34 процента) позволяет увеличить показатель преломления полимера на 2.36 процента в области видимого света. Данное увеличение свидетельствует о значительном вкладе наноструктур в оптические свойства среды. Кроме того, материал приобретает оптическую анизотропию. Экспериментально доказано, что оптическими свойствами полученного композита можно эффективно управлять: так, увеличение среднего диаметра полупроводниковых включений всего на 34 нм на этапе синтеза приводит к выраженному спектральному смещению зоны поглощения света из сине-зеленой в красную область. Данные результаты создают основу для разработки настраиваемых оптических фильтров и элементов нанофотоники. Результаты исследований были представлены на конференциях и опубликованы в авторитетном международном журнале «Light: Advanced Manufacturing».

Публикации

1. Козко И.А., Кондратьев В.М., Татмышевский М.К., Кочетков Ф.М., Колесина Д.Е., Резник И.А., Зюзин М.В., Кавеев А.К., Арсенин А.В., Большаков А.Д. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ МАТЕРИАЛОВ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ И НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. СЕРИЯ 3: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (год публикации - 2026)

2. Кондратьев В.М., Ушков А.А., Аникина М.А., Карасева Е.П., Козко И.А., Вячеславова Е.А., Гудовских А.С., Гридчин В.О., Котляр К.П., Кузнецов А., Захаров В.В., Ридер М.А., Ковова М.С., Шугабаев Т., Баженов С.В., Шмаков С.В., Орлова А.О., Федоров В.В., Цырлин Г.Э., Мухин И.С., Лейман В.Г., Сюй А.В., Арсенин А.В., Большаков А.Д. Host-Engineered Carbon Dot Luminescence: Integration with Nanowires for Photonics Light: Advanced Manufacturing, Kondratev et al. Light: Advanced Manufacturing (2026) 7: 75 (год публикации - 2026)
10.37188/lam.2026.075