В научной группе «Нанофотоника», возглавляемой профессором Л.А. Голованем, активно ведутся исследования в областях лазерного микро- и наноструктурирования твердых тел, спектральной и нелинейно-оптической диагностики полупроводниковых наноструктур.
На фото: Сотрудники и аспиранты группы нанофотоники (слева направо): С.В. Заботнов, А.И. Ефимова, А.М. Шарафутдинова, Л.А. Головань, А.В. Колчин, Д.В. Шулейко, О.И. Соколовская
К наиболее значимым работам научной группы за последние 3 года можно отнести следующие:
Разработка лазерных технологий формирования кремниевых наночастиц для приложений биофотоники
Координатор работ – доцент С.В. Заботнов
Современные технологии микро- и наноструктурирования кремния позволили изменять в широких пределах свойства данного материла и активно использовать его не только в микроэлектронике, но и в других областях науки и техники. В частности, кремниевые наночастицы все чаще и чаще применяются в биомедицине благодаря их низкой токсичности и хорошей способности к биодеградации. Несмотря на достигнутые успехи, получение биосовместимых кремниевых частиц размером менее 100 нм с требуемыми для диагностики и терапии живых организмов свойствами все еще не является до конца решенной задачей. Прогресс в данной области могут обеспечить технологии лазерной абляции и фрагментации кремниевых мишеней в жидкостях. В первом случае происходит вынос вещества под действием мощных лазерных импульсов с поверхностей плоских кремниевых мишеней (подложек кристаллического кремния, слоев пористого кремния или кремниевых нанонитей) с последующей агломерацией в наночастицы, во втором – разбиение теми же лазерными импульсами микрочастиц кремния, находящихся в жидких взвесях, на фрагменты меньшего нанометрового размера. Изменение состава используемых жидкостей и параметров лазерных импульсов позволяет получать кремниевые частицы с требуемыми структурными и оптическими свойствами. Изготавливаемые на кафедре наночастицы могут быть использованы для диагностики биологических тканей методами флуоресцентной визуализации и оптической когерентной томографии, для лечения злокачественных опухолей посредством гипертермии, реализуемой в виде перегрева больной ткани светом.
|
Изображения (слева) кремниевых наночастиц, полученных методом лазерной фрагментации в воде, и (справа) фантома на основе агарового геля, имитирующего биологическую ткань, с внедренными кремниевыми наночастицами, полученными методом лазерной абляции в жидком азоте и позволяющими визуализировать структурные неоднородности методом оптической когерентной томографии.
Лазерное микро- и наноструктурирование полупроводниковых поверхностей
Координатор работ – научный сотрудник Д.В. Шулейко
Данный вид работ заключается в получении на поверхности тонких слоев аморфного кремния и стеклообразного халькогенида Ge2Sb2Te5 (GST225) областей с нанокристаллами и поверхностными периодическими микро- и наноструктурами (решетками) под действием ультракоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов. Исследования в данной области позволяют решить следующие задачи:
-
За счет формирования в аморфном кремнии нанокристаллических областей и поверхностных решеток с микронными и субмикронными периодами обеспечить высокий срок службы и чувствительность к поляризации падающего света солнечных батарей на основе данного материала.
-
Найти режимы лазерного облучения, позволяющие реализовать на основе исследуемых материалов элементы памяти с изменяемым фазовым состоянием (phase change memory), когда в зависимости от количества действующих на поверхность лазерных импульсов происходят переходы из аморфной фазы в кристаллическую и обратно, обеспечивая таким образом режим перезаписи информации по аналогии с технологией DVD-RW.
-
Увеличить объем записываемой информации в современных технологиях оптического кодирования данных: плотность записи традиционными методами ограничена дифракционным пределом фокусируемого лазерного луча, однако создание внутри облучаемой ячейки (вокселя) области с периодическим рельефом на масштабах меньше длины волны света приводит к возникновению оптической анизотропии и позволяет извлекать при последующем считывании дополнительный объем информации за счет зондирования структурированных областей поляризованным светом.
Изображение в растровом электронном микроскопе поверхностных решеток, сформированных на поверхности GST225 с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.
Нанотехнологии в люминофорах
Координатор работ – доцент В.Б. Зайцев
Другая часть работ нашей кафедры в последние несколько лет была посвящена совместному с факультетом наук о материалах исследованию новых люминофоров на основе полупроводниковых нанопластинок для светодиодов белого свечения.
В настоящее время большая часть мощных светодиодов, излучающих белый свет, строится на основе источника исходного света – мощного полупроводникового светодиода голубого, фиолетового или ультрафиолетового излучения. Рядом с таким мощным светодиодом (или вокруг него) помещают вещества – люминофоры, способные поглощать исходное излучение и испускать фотоны флуоресценции (люминесценции) с энергией, лежащей в широком спектральном диапазоне, так, чтобы суммарное излучение люминофора давало белый свет. В качестве люминофоров оказалось очень перспективным использовать полупроводниковые наночастицы. Дело в том, что длина волны флуоресценции такой наночастицы напрямую связана с её размерами. И, регулируя размер наночастиц в процессе их создания, можно управлять спектром из испускания. Стандартный способ создания люминофора такого типа для белого светодиода – смешать наночастицы красного (Red), зелёного (Green) и голубого (Blue) свечения так, чтобы в итоге получить суммарное белое излучение по схеме RGB. Однако на пути создания белого светодиода таким способом лежит много технических трудностей. Одна из главных проблем состоит в том, что наночастицы с более длинноволновым свечением способны поглощать более коротковолновое излучение. А значит «зеленый» люминофор будет поглощать часть света, испускаемого «синим», а «красный» люминофор будет поглощать часть излучения и «синего», и «зелёного» люминофора. Это приводит к потерям энергии и уменьшению эффективности работы готового устройства. Кроме того, становится трудно правильно подобрать концентрации наночастиц разного размера в смеси так, чтобы получить равномерный белый спектр излучения.
Известно, что у наночастиц помимо узкой спектральной полосы экситонной люминесценции, соответствующей размеру частиц, имеется ещё и излучение в очень широком спектральном диапазоне, которое связывают со «свечением» дефектов кристаллической решётки на поверхности наночастиц. Обычно стараются избавиться от такого «свечения» дефектов, которое отбирает энергию у узкой экситонной полосы люминесценции. Для люминофоров, с которыми мы работали, было предложено наоборот усилить широкую «дефектную» полосу в спектре люминесценции наночастиц, подавив свечение в экситонной полосе с тем, чтобы получить из однотипных наночастиц одинакового размера люминофор, сразу дающий белое свечение. За счет легирования ультратонких (толщина 2–3 нм) нанопластинок селенида кадмия (CdSe) ионами меди удалось решить эту задачу и получить белый люминофор с квантовым выходом фотолюминесценции, достигающим 95%. Объединив такие нанопластинки в полимерной матрице с чипом-излучателем ультрафиолетового света изготовили прототип светоизлучающего устройства (LED) белого света.
Слева спектры поглощения (синие) и флуоресценции (красные) исследованных в нашей лаборатории квази-двумерных нанопластинок CdSe в растворе: без добавки ионов меди (вверху) и после модификации ионами меди (внизу). Врезки – фотографии пробирок с люминесцирующими растворами. Справа спектры люминесценции и фотографии лабораторных моделей светодиодов, полученных комбинированием полупроводникового ультрафиолетового светодиода с люминофором в полимерной матрице до модификации люминофора медью (сверху) и после модификации (внизу).
Финансирование и научная активность сотрудников, студентов и аспирантов
Работы финансируются за счет следующих грантов и договоров:
-
грант РНФ № 19-12-00192 “Применение светорассеивающих наночастиц кремния, сформированных методом лазерной абляции, в задачах биофотоники”;
-
грант РФФИ № 20-32-00911 “ Фемтосекундная лазерная модификация пленок GST225: формирование поверхностных периодических структур и фазовые переходы при многоимпульсном облучении”;
-
договор № 711251/2019 от 15 августа 2019 г. с Министерством науки и высшего образования РФ о поддержке Центра компетенций Национальной технологической инициативы “Центр хранения и анализа больших данных МГУ” в рамках выполнения работ по теме “Новые подходы к проектированию систем считывания для технологии трехмерной оптической памяти с многоуровневым кодированием”.
Регулярно подаются заявки на новые гранты с привлечением студентов и аспирантов.
В лабораториях активно ведутся обновление и модернизация оборудования. В 2021 году закуплены и введены в эксплуатацию:
-
лазер Solar LS LQ629, генерирующий мощные импульсы наносекундной длительности с частотой 100 Гц, для изготовления кремниевых наночастиц методами лазерной абляции и фрагментации в жидкостях;
-
программно-аппаратный комплекс для сверхбыстрого оптического считывания на основе трансляторов Aerotech, обеспечивающих позиционирование микро- и наноструктурированных носителей информации в пространстве с точностью до 200 нм и скоростями до 30 см/с, цифровой высокоскоростной (2000 кадров в секунду) видеокамеры машинного зрения, непрерывного и наносекундного лазеров.
|
||
Лазер Solar LS LQ629 | Программно-аппаратный комплекс для сверхбыстрого оптического считывания |
Научная группа активно сотрудничает с ведущими научными коллективами, представляющими факультет наук о материалах МГУ, Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”, Национальный исследовательский университет МИЭТ, Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН, Институт прикладной физики РАН и Приволжский исследовательский медицинский университет (г. Нижний Новгород).
Студенты и аспиранты активно участвуют в научной жизни коллектива и представляют свои результаты на конференциях.
Студент Вячеслав Нестеров на конференции Saratov Fall Meeting в Саратовском государственном университете, сентябрь 2021 г. |
|
Аспирант Александр Колчин на конференции UltrafastLight в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, г. Москва, октябрь 2021 г. |
Наши избранные статьи
-
D.V. Shuleiko, F.V. Potemkin, I.A. Romanov, I.N. Parhomenko, A.V. Pavlikov, D.E. Presnov, S.V. Zabotnov, A.G. Kazanskii, P.K. Kashkarov “Femtosecond laser pulse modification of amorphous silicon films: control of surface anisotropy” // Laser Physics Letters, 2018, vol. 15, № 5, art. 056001.
-
С.В. Заботнов, Д.А. Куракина, Ф.В. Кашаев, А.В. Скобелкина, А.В. Колчин, Т.П. Каминская, А.В. Хилов, П.Д. Агрба, Е.А. Сергеева, П.К. Кашкаров, М.Ю. Кириллин, Л.А. Головань “Структурные и оптические свойства наночастиц, формируемых методом лазерной абляции пористого кремния в жидкостях; перспективы применения в биофотонике” // Квантовая электроника, 2020, т. 50, № 1, с. 69–75.
-
S.V. Zabotnov, A.V. Skobelkina, E.A. Sergeeva, D.A. Kurakina, A.V. Khilov, F.V. Kashaev, T.P. Kaminskaya, D.E. Presnov, P.D. Agrba, D.V. Shuleiko, P.K. Kashkarov, L.A. Golovan, M.Yu. Kirillin “Nanoparticles produced via laser ablation of porous silicon and silicon nanowires for optical bioimaging” // Sensors, 2020, vol. 20, art. 4874.
-
О.И.Соколовская, С.В.Заботнов, Л.А.Головань, П.К.Кашкаров, Д.А.Куракина, Е.А.Сергеева, М.Ю.Кириллин “Перспективы применения кремниевых наночастиц, полученных методом лазерной абляции, для гипертермии злокачественных опухолей” // Квантовая электроника, 2021, т. 51, № 1, с. 64–72.
-
D. Shuleiko, M. Martyshov, D. Amasev, D. Presnov, S. Zabotnov, L. Golovan, A. Kazanskii, P. Kashkarov “Fabricating femtosecond laser-induced periodic surface structures with electrophysical anisotropy on amorphous silicon” // Nanomaterials, 2021, vol. 11, art. 42.
-
O.I. Sokolovskaya, E.A. Sergeeva, L.A. Golovan, P.K. Kashkarov, A.V. Khilov, D.A. Kurakina, N.Y. Orlinskaya, S.V. Zabotnov, and M.Y. Kirillin “Numerical simulation of enhancement of superficial tumor laser hyperthermia with silicon nanoparticles” // Photonics, 2021, vol. 8, art. 580.
-
S. Zabotnov, A. Kolchin, D. Shuleiko, D. Presnov, T. Kaminskaya, P. Lazarenko, V. Glukhenkaya, T. Kunkel, S. Kozyukhin, P. Kashkarov “Periodic relief fabrication and reversible phase transitions in amorphous Ge2Sb2Te5 thin films upon multi-pulse femtosecond irradiation” // Micro, 2022, vol. 2, pp. 88–99.
-
B.M. Saidzhonov, V.F. Kozlovsky, V.B. Zaytsev, R.B. Vasiliev “Ultrathin CdSe/CdS and CdSe/ZnS core-shell nanoplatelets: The impact of the shell material on the structure and optical properties” // Journal of Luminescence, 2019, vol. 209, pp. 170–178.
-
B.M. Saidzhonov, V.B. Zaytsev, M.V. Berekchiian, R. B. Vasiliev “Highly luminescent copper-doped ultrathin cdse nanoplatelets for white-light generation” // Journal of Luminescence, 2020, vol. 222, art. 117134.
-
B.M. Saidzhonov, V.B. Zaytsev, A.A. Eliseev, A.Y. Grishko, R. B. Vasiliev “Highly luminescent gradient alloy CdSe1–xSx nanoplatelets with reduced reabsorption for white-light generation” // ACS Photonics, 2020, vol. 7(11), pp. 3188–3198.
-
B.M. Saidzhonov, V.B. Zaytsev, R. B. Vasiliev “Effect of PMMA polymer matrix on optical properties of CdSe nanoplatelets” // Journal of Luminescence, 2021, vol. 237, art. 118175.