Нанокристаллы сульфидов активно используются в электрохимических батареях, квантовых вычислениях, фотонике, оптоэлектронике, фотогальванике, а также в нелинейной оптике. Тонкие пленки на основе нанокристаллов широкозонных полупроводников Ag₉GaS₆, AgInS₂ и CuGaS₂ обладают интересными оптическим свойствами, такими как двойное лучепреломление и нелинейное оптическое поглощение (когда процесс поглощения света материалов зависит от интенсивности излучения).
Получение однородных тонких пленок на основе коллоидных нанокристаллов (30–80 нм) — технически сложная задача. В этом процессе необходимо учесть равномерное распределение наночастиц по площади, предотвратить слипание молекул, расположенных на поверхности нанокристаллов и получение однородной толщины. До настоящего времени их нелинейно-оптические свойства практически не изучались. Это первое исследование нелинейных оптических свойств таких пленок сульфидных нанокристаллов.
Исследователи из МФТИ синтезировали нанокристаллы в коллоидных растворах с последующим послойным нанесением на стекло для формирования пленок. Они использовали новый реагент — раствор серы в децене-1 для подготовки коллоидных нанокристаллов. После синтеза их коллеги из Узбекистанского университета охарактеризовали полученные материалы с помощью спектроскопических методов. Статья опубликована в журнале Physica Scripta.
«Для получения нанокристаллов мы разработали прекурсор серы, состоящий из доступных продуктов отечественной химической промышленности и являющийся ключевым реагентом в синтезе. Использование этого прекурсора позволило существенно упростить синтез коллоидных нанокристаллов, т. к. он обладает устойчивостью к окислению на воздухе и может храниться длительное время без потери реакционной способности», — рассказал Владимир Лим, сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ.
В результате были получены сульфидные нанокристаллы с размерами 9 нм (Ag₉GaS₆), 17 × 8,3 нм (AgInS₂) и 14,5 нм (CuGaS₂) и с ширинами запрещенных зон 2,49 эВ, 1,66 эВ и 2,56 эВ соответственно. Такие размеры и ширины запрещенных зон идеально подходят для эффективного управления нелинейными свойствами материалов. Эксперимент показал, что пленки обладают усиленными нелинейно-оптическими свойствами за счет локального поля (усиления электромагнитного поля внутри пленки из-за близкого расположения нанокристаллов) и квантового ограничения (увеличения ширины запрещенной зоны в малых частицах).
Ученые обнаружили, что при облучении фемтосекундным лазером пленок Ag₉GaS₆ и CuGaS₂ с низкой интенсивностью доминирует трехфотонное поглощение (поглощение трех фотонов одновременно), которое при росте интенсивности переходит в насыщаемое поглощение (уменьшение поглощения из-за насыщения энергетических уровней). В случае AgInS₂ при 515 нм наблюдалось насыщаемое поглощение, а при 1030 нм трехфотонное поглощение отсутствовало. Для 515 нм импульсов в Ag₉GaS₆ было зарегистрировано двухфотонное поглощение (поглощение двух фотонов одновременно) с последующим переходом в насыщаемое. Эти значения говорят о возможности создания устройств на основе таких пленок с контролируемым откликом на интенсивность света, что в 2–10 раз эффективнее аналогов в коллоидах для лазерных устройств.
«Ключевыми результатами нашего исследования можно назвать — успешное создание тонких пленок регулируемой толщины на основе полученных нами материалов, а также определение их нелинейно-оптических характеристик методом Z-сканирования, таких как коэффициенты двух- и трехфотонного поглощений и интенсивность насыщаемости. Полученные нами характеристики позволят лучше оценить потенциальные возможности для применения этих коллоидных нанокристаллов в нелинейной оптике», — поделился Иван Шуклов, старший научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ.
Усиленный эффект насыщаемого поглощения в тонких пленках на основе нанокристаллов позволяет использовать их в качестве пассивных модуляторов добротности для создания импульсных лазерных пучков. Этот эффект делает их перспективными в качестве модовых синхронизаторов для генерации сверхкоротких лазерных пучков. Варьируя размер и морфологию нанокристаллов, можно менять разрешенный спектральный диапазон, при котором свет будет легко проходить через пленку и, наоборот, отсекать потенциально опасные на высоких интенсивностях длины волн. Это позволит использовать синтезированные пленки в ограничителях для защиты глаз и чувствительных приборов от мощного излучения.
Тонкие пленки из нанокристаллов Ag₉GaS₆, AgInS₂ и CuGaS₂ являются перспективными материалами для Q-переключателей, модовых синхронизаторов и генераторов высоких гармоник. Это первое исследование таких свойств в пленках, открывающее путь к их практическому применению в ИК-диапазоне.