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 26-69-00041
НазваниеЗаполненные однослойные углеродные нанотрубки как платформа для адаптивных ТГц-устройств
Руководитель Чернов Александр Игоревич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №125 - Конкурс 2026 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые слова терагерцовая фотоника, оптоэлектроника, наноматериалы, углеродные нанотрубки, заполнение, магнитные материалы, дифракционнная оптика, элементная база оптики и оптоэлектроники, оптические характеристики, перестраиваемая оптоэлектроника, ТГц технологии
Код ГРНТИ81.09.07
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из ключевых направлений современной оптики является исследование терагерцового (ТГц) диапазона, что обусловлено дефицитом оптических компонентов, эффективно работающих в этой области и удовлетворяющих требованиям новых приложений [Siemion, A. J. Infrared Milli Terahz Waves 40, 477–499 (2019)]. ТГц-технологии стремительно развиваются и находят применение в неразрушающем контроле, телекоммуникациях, биотехнологиях, системах безопасности и других сферах [Leitenstorfer A. J. Phys. D: Appl. Phys. 56, 223001 (2023)]. Разработка новых ТГц-устройств становится междисциплинарной задачей на стыке физики, материаловедения и инженерии.
Перспективным решением является использование низкоразмерных материалов для создания перестраиваемой оптики, включая структуры на основе углеродных нанотрубок (УНТ), в том числе заполненных магнитными материалами. Такие композиты объединяют высокую проводимость и подвижность носителей в УНТ с магнитоуправляемыми свойствами наполнителя [Giménez-López, M.C. Nat. Commun. 2:407 (2011)], что обеспечивает дополнительные степени свободы для динамической настройки отклика. УНТ характеризуются регулируемой шириной запрещённой зоны, высокой подвижностью носителей, устойчивыми экситонными эффектами и сильным оптическим откликом, открывая возможности для развития перестраиваемой ТГц-оптоэлектроники [Adv. Opt. Mater. 9, 2101042 (2021)].
Научная задача требует комплексного подхода, объединяющего понимание фундаментальных свойств материалов и оптимизацию геометрии оптического элемента. Экспериментальная апробация и сопоставление с расчётами обеспечивают итерационную оптимизацию дизайна и синтеза. Затем вводятся дополнительные степени свободы, такие как магнитное поле для структур на основе УНТ, что позволяет реализовать активно перестраиваемую оптику.
Перестраиваемые элементы обеспечивают динамическое управление пространственной структурой оптического поля, что требует расчётов, учитывающих свойства материалов и их неоднородности. Поведение проводимости и магнитодиэлектрических параметров наноматериалов в ТГц-области под действием температуры, оптического возбуждения, легирования и геометрии остаётся недостаточно изученным и требует дальнейшего исследования.
Цель проекта — исследовать взаимосвязь структуры наноматериалов и их электродинамических характеристик для оценки эффективности применения в ТГц-оптике и оптоэлектронике, провести численные расчёты пространственной структуры элементов и эволюции электромагнитного поля, разработать методы создания устройств с заданной геометрией и выполнить экспериментальные измерения их свойств. Особое внимание уделяется гибридным системам на основе УНТ, заполненных магнитными материалами.
Коллективом проекта уже создан ряд оптоэлектронных и оптических элементов для ТГц-систем — модуляторы, линзы, генераторы вихревых пучков, эндоскопы. Разработаны и протестированы растягиваемые спиральные зонные пластины и пластины Френеля [Adv. Opt. Mater. 2303282 (2024); Optica 10(1), 53–61], обеспечивающие тонкую настройку профиля ТГц-пучка. Совмещение теоретического проектирования, точных методов изготовления и измерений на установках мирового уровня позволило создать устройства с уникальными характеристиками — адаптивным переключением, изменением числа пучков и настройкой фокуса. Внедрение магнитных материалов в УНТ открывает новые перспективы для адаптивной ТГц-оптики.
Для реализации синергии «магнитные свойства — производство — апробация — оптимизация» проект выполняется коллективом Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, обладающим компетенциями в нанофотонике и ТГц-технологиях, в сотрудничестве с экспертами из ИНХ им. А.В. Николаева СО РАН, специализирующимися на синтезе заполненных УНТ. Сочетание компетенций обеспечивает полный цикл — от целевого синтеза и структурной характеристики до измерений магнитооптического отклика и создания прототипов ТГц-компонентов.
Ожидаемые результаты
Данный проект направлен на получение новых научных и технологических результатов, объединяющих синтез материалов, фундаментальные исследования и прототипирование функциональных устройств на основе заполненных ОУНТ. Особое внимание уделяется комплексному изучению свойств этих гибридных структур для создания ТГц-устройств, высокоэффективных электродов для литий-ионных батарей, газовых сенсоров и магнитных материалов.
В рамках проекта будут синтезированы и оптимизированы методики получения ОУНТ, заполненных различными компонентами. Это включает магнитные элементы (Fe, Co, Ni), легирующие добавки (P-, Na-содержащие соединения), а также новые гибридные структуры с мышьяком, селеном и их соединениями друг с другом, с фосфором или серой. Будет обеспечена контролируемая степень заполнения, химическая стабильность и воспроизводимость синтезируемых материалов. Исследования подтвердят концепцию внутренней полости ОУНТ как нанореактора, где пространственное окружение определяет направление химических реакций, а взаимодействие инкапсулированных элементов со стенками нанотрубок и частичный перенос электронной плотности существенно влияют на механизмы взаимодействий. Будет изучена морфология инкапсулированных структур, которая может варьироваться от цепочек одномерных регулярных образований до аморфных стеклообразных состояний в зависимости от условий заполнения.
Для всесторонней характеристики материалов будут применяться передовые методы, такие как электронная микроскопия высокого разрешения, КР-спектроскопия, рентгеноэлектронная (XPS), оптическая и рентгеновская спектроскопия. Эти исследования позволят определить отличия атомного и электронного строения инкапсулированного вещества от объемных форм, а также получить новые знания о механизмах электронных переносов между внедренной компонентой и стенками нанотрубок. Будут подготовлены воспроизводимые суспензии и ориентированные тонкие пленки, пригодные для точных измерений и прототипирования.
В области ТГц-фотоники основной коллектив проведёт всестороннее исследование ТГц и магнитооптических свойств заполненных ОУНТ. Планируются измерения эффекта Фарадея, сверхбыстрой фотопроводимости и нелинейного отклика при интенсивных ТГц-полях. Будут построены физико-математические модели взаимодействия терагерцового излучения с одномерными гетероструктурами и установлены закономерности влияния внутренней магнитной структуры на электродинамический отклик. На основе полученных данных будут созданы прототипы активных ТГц-устройств — модуляторов и поляризаторов, с оценкой глубины и скорости модуляции, степени поляризации и коэффициента затухания. Такой подход закладывает основу для компактных, настраиваемых ТГц-устройств нового поколения, демонстрирующих управляемый отклик без внешних магнитов.
В области энергонакопительных устройств будут исследованы перспективы применения гибридных структур в качестве электрохимических электродов для Li-ионных батарей. Соединения фосфора и серы являются перспективными анодными материалами с высокой электрохимической емкостью, однако их прямое использование приводит к быстрой деградации элемента. Инкапсуляция фосфора, серы, мышьяка и селена во внутренние полости углеродных нанотрубок повышает электрическую связность электрода и снижает растворение вещества при интеркаляции литием. В рамках проекта будут проведены исследования влияния селена и мышьяка на удельную емкость и стабильность при длительном циклировании гибридных анодов.
Для создания газовых сенсоров пленки ОУНТ рассматриваются как высокоэффективная платформа. Принцип действия основан на переносе электронного заряда между молекулами аналита и проводящей сетью нанотрубок. Настройка положения уровня Ферми ОУНТ за счёт заполнения соединениями с различной работой выхода позволит целенаправленно формировать донорно-акцепторные отклики и повышать селективность к целевым газам. Будут изготовлены новые сенсорные материалы и определены возможности их практического применения.
В качестве магнитных материалов будут исследованы наночастицы железа, инкапсулированные во внутренние полости углеродных нанотрубок, которые демонстрируют сложное магнитное взаимодействие с участием электронов проводимости ОУНТ. Магнитные свойства могут быть модифицированы путём изменения химического состава и состояния поверхности наночастиц при взаимодействии с серой, фосфором, а также селеном, мышьяком и их соединениями. Ожидается получение новых данных о магнитных свойствах этих наночастиц.
Синергетический эффект междисциплинарного подхода, объединяющего точный синтез и глубокое изучение физических свойств, создаст уникальную платформу для активного управления параметрами материалов, ускоряя открытие новых физических эффектов и повышая воспроизводимость результатов. Научная значимость проекта заключается в формировании новых фундаментальных знаний о взаимодействии ТГц-излучения с одномерными магнитными системами, возможностях активного управления их свойствами, механизмах электронных переносов и структуре функциональных материалов.
Практическая и общественная значимость проявляется в возможности создания компактных, сверхбыстрых и настраиваемых ТГц-компонентов для систем связи 6G, высокоразрешающей визуализации, сенсорики и досмотровых систем, а также более эффективных источников энергии. Полученные материалы и устройства могут использоваться для разработки новой продукции, усовершенствования существующих технологий и повышения эффективности оборудования, создавая экономическую и социальную пользу. В совокупности проект обеспечивает достижение поставленных целей, сочетая фундаментальные исследования, синтез наноматериалов и прототипирование устройств, что создаёт платформу для дальнейших прорывных разработок в области ТГц-технологий, энергетики, сенсорики и спинтроники.