Международная лаборатория гибридных фотонных наноматериалов (ЛГФН) НИЯУ МИФИ

Международная лаборатория гибридных фотонных наноматериалов (ЛГФН) НИЯУ МИФИ

Была создана приказом № 336/4 от 01 декабря 2016 г. под руководством профессора Юрия Петровича Раковича, профессора Университета Страны Басков, в рамках Программы по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования (программа «Мега- грантов»). Основной областью научных исследований ведущего ученого Ю.П. Раковича является нанофотоника, спектроскопия и практическое применение наномасштабных функциональных единиц,

в том числе полупроводниковых квантовых точек, перовскитных нанокристаллов, металлических наночастиц и наногибридных органических/неорганических систем.

Кроме этого, проф. Ю.П. Ракович, опираясь на свои знания и опыт в нано-биофотонике, работает в областях биосенсинга, преобразования и переноса энергии в нано-биосистемах, служащих интерфейсом между искусственными наноструктурами и фото- и электрохромными белками.

C 02 апреля 2022 года Ракович Юрий Петрович не является руководителем лаборатории, при этом продолжает активное сотрудничество с персоналом лаборатории в дистанционном формате (совместные публикации, патенты).

Новым руководителем и заведующим ЛГФН в настоящее время является к.хим.н. Самохвалов Павел Сергеевич (H=21), руководитель направления нанохимии в рамках Международной коллаборации ICENAP: Integrated Computational Engineering, Characterization and Validation of Semiconductor Colloidal Nanocrystals with Advanced Properties (коллаборация НИЯУ МИФИ, Реймского университета Шампань-Арденн, Технического университета Дрездена и Берлинского метрологического центра).

Задачи, которые решает коллектив МЛГФН

В МЛГФН проводится синтез и модификация широкого спектра наноматериалов, а также всестороннее исследование их пространственных, спектральных и временных характеристик излучения.

Рекордный квантовый выход полупроводниковых нанокристаллов, изготовленных сотрудниками лаборатории методами коллоидного синтеза достигает 100%. 

Основные научные направления

Основным научным направлением МЛГФН являются нанотехнологии. Ученые лаборатории работают на стыке плазмоники и биофизики: нанотехнологии открывают широкие возможности для разработки высокоинтегрированных систем из биомолекул и специально разработанных наноструктур с комплексом новых функций, которые найдут применение в фотонике, электронике и медицине.

Плазмонные наноструктуры способны значительно усиливать взаимодействие света с веществом на наноуровне за счет высокой степени локализации электромагнитных полей. Это их свойство открывает широчайшие возможности для практического применения таких структур в самых разных областях, от наномасштабной оптической микроскопии и спектроскопии до ультра-сенсинга, а также для всех приложений, где требуется повышение оптической нелинейности.

Значимые результаты работ

Научный коллектив лаборатории имеет долговременный успешный опыт в областях синтеза, экспериментального и теоретического исследования структурно-оптических свойств квантовых полупроводниковых, диэлектрических и металлических наноструктур различной размерности и гибридных структур на их основе: полупроводниковых квантовых точек (0D), стержней (1D) и нанопластин (2D), плазмонных металлических наночастиц и углеродных наноструктур. В этой области получены приоритетные результаты мирового уровня, опубликованные в нескольких сотнях статей в научных журналов, индексируемых WoS и Scopus, включая Nano Letters, ASC Nano, Chemistry of Materials, Small, Nano Research и т.п.

Научный задел ЛГФН основан на успешном выполнении Мега-гранта Правительства РФ "Линейные и нелинейные оптические эффекты на наноуровне для создания биосенсоров новых поколений" (ведущий ученый – профессор Ю.П. Ракович), а также более чем десяти проектов последних пяти лет.

Более 150 научных трудов опубликовано сотрудниками лаборатории (включая 13 объектов интеллектуальной собственности), что привело к ее заслуженному признанию как одной из наиболее успешных лабораторий, созданных в рамках Программы по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования.

Коллектив лаборатории обладает большим опытом в изготовлении и характеризации резонаторов на основе фотонных кристаллов, изготовленных методом электрохимического травления кремния, с рекордными значениями добротности в видимой области, достигнутыми благодаря использованию оригинальной установки и методики изготовления. Кроме того, коллективом ранее была разработана оригинальная методика обработки поверхности пористого кремния для уменьшения безызлучательного переноса энергии с полупроводниковых нанокристаллов, находящихся в контакте с поверхностью.

Применение данной методики позволило зарегистрировать изменение времени жизни возбужденного состояния в квантовых точках, внедренных в микрорезонатор на основе пористого кремния, экситоны которых находились в состоянии слабой связи с оптической модой микрорезонатора. На базе ЛГФН выполнено более 30 проектов, посвященных гибридным материалам, в том числе материалам со свойствами связи света с веществом. Среди них следует отметить проекты Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2014-2020, непосредственно связанные с тематикой проекта:

• «Разработка экспериментального образца регенерируемого нанопроволочного биосенсора для регистрации маркеров социальнозначимых заболеваний в сыворотке крови» 2014 – 2016 гг.
• «Наноструктуры со свойствами управляемой эмиссии на основе флуоресцентных полупроводниковых квантовых точек, внедренных в одномерные фотонные кристаллы», 2015-2017 гг.

В этих проектах были реализованы гибридные структуры, демонстрирующие эффекты слабой связи экситона в полупроводниковых наночастицах с локализованными собственными модами резонаторов, образованных одномерными и двумерными фотонными кристаллами.

Последнее время научные исследования, проводимые членами коллектива, посвящены исследованию эффектов сильной связи «свет-вещество». Для создания гибридных структур, демонстрирующих сильную связь, была сконструирована уникальная перестраиваемая резонаторная ячейка, конструкция которой была запатентована, а впоследствии описана, а также использована в ряде приложений [2]. Основу ячейки составляет перестраиваемый неустойчивый микрорезонатор Фабри-Перо, сформированный плоским и выпуклым металлическими зеркалами. Уникальные свойства пространственного и спектрального распределения мод данной установки позволяют более чем на два порядка уменьшить модовый объем, тем самым более чем на порядок увеличить силу связи в системе.

Более того, недавно в МЛГФН МИФИ были успешно проведены исследования сильной связи свет-вещество между плазмонными самоорганизованными нано-массивами и полупроводниковыми наноструктурами. В результате этих исследований были продемонстрированы эффекты ускорения излучательной рекомбинации, усиленного поглощения и плазмонно-индуцированного переноса энергии. Было обнаружено как форма и тип плазмонных наноструктур влияют на образование связи свет-вещество, а также продемонстрирована синергия между плазмонными наночастицами разной формы при улучшении оптических свойств полупроводниковых наноструктур.

Кроме этого, авторами проекта было изучено взаимодействие оптического излучения с большим количеством композитных металлодиэлектрических метаматериалов, разработана теория перколяции металлодиэлектрических систем (книга «Электродинамика метаматериалов», авторы А.К. Сарычев, В.М. Шалаев). Среди основных результатов:

• Рассчитано электромагнитное поле в димере из двух близко расположенных цилиндрических гранул, а также в цепочке цилиндрических гранул; проведены расчеты оптических характеристик полностью диэлектрических и металлодиэлектрических регулярных структур в виде полос, показано, что в чистом диэлектрике возможно достичь почти полной локализации оптического поля на поверхности за счет возбуждения диэлектрического резонанса.
• Методом литографии изготовлен многослойный тонкоплёночный метаматериал, состоящий из полос полиметилметакрилата (ПММА) на золотой подложке [8].
• Изучена метаповерхность, представляющая дифракционную решетку с периодически расположенными кремниевыми резонаторами в виде острых конусов [9]; проведены эксперименты по измерению сигнала КР в различных областях мета поверхности [10].
• теоретически изучена плазмонная генерация гигантского электромагнитного поля в сверхузкой нанощели, образованной металлическим цилиндром и плоской зеркальной поверхностью; продемонстрировано, что усиление электрического поля возрастает и осциллирует по мере уменьшения расстояния между цилиндрической и плоской поверхностями и выходит на насыщение, при котором интенсивность электрического поля достигает рекордных значений – до десяти порядков величины (Квантовая электроника 2020, в печати).

Научный коллектив проекта имеет выдающийся опыт успешной реализации совместных научных междисциплинарных проектов. Так, в частности, в 2017-2019 гг. члены научного коллектива выполнили проект "Гибридные 2D-структуры «графен–квантовые точки» с контролируемыми оптическими и фотоэлектрическими свойствами и их применение в фотовольтаике", в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

Контакты