В МФТИ изучили материалы, которые позволят создать ультратонкие линзы и сверхчувствительные приемники
Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами из других вузов и научных институтов изучили оптические свойства двумерных соединений серы с платиной и оловом. Исследованные материалы имеют высокий показатель преломления, который позволяет создавать на их основе ультратонкие линзы, биосенсоры, транзисторы, фотодетекторы и сверхчувствительные приемники, а гигантская анизотропия соединений платины — преодолеть дифракционный предел.
Работы опубликованы в журнале Nanomaterials (1 и 2). Эра двумерных материалов началась с исследований стабильного графена в 2004 году выпускниками Физтеха Андреем Геймом и Константином Новоселовым. С тех пор было открыто более 5000 двумерных соединений, свойства многих из них до сих пор не изучены.
Одним из перспективных классов монослойных соединений, применяющихся в оптических устройствах, являются дихалькогениды переходных металлов, химическая формула — MX2 (М — металл и Х — халькоген: сера, селен или теллур). Благодаря их уникальным оптическим и электронным свойствам: гигантской анизотропии, высокому показателю преломления, высокой мобильности носителей заряда, связанным экситонам — они произвели революцию в оптоэлектронике.
Сейчас дихалькогениды переходных металлов используются в фотодетекторах, полевых транзисторах, линзах и так далее. Наиболее известные материалы в этой группе — соединения с молибденом и вольфрамом, однако они имеют относительно низкую стабильность в нормальных условиях, а их область применимости ограничена видимым диапазоном света.
Физики из МФТИ изучили две группы дихалькогенидов: соединения с платиной (PtS2, PtSe2) и оловом (SnS2, SnSe2). Эти материалы выделяются широко настраиваемой полосой пропускания (от видимого до ИК-диапазона), высоким показателем преломления и механической стабильностью.
Для исследования использовались атомарно тонкие образцы порядка 5 нм (10 слоев). Наибольший практический интерес для нанофотоники представляют оптические константы: показатель преломления n, отвечающий за распространение света, и показатель поглощения света k. Константы определялись методом спектроскопической эллипсометрии (оптический метод, основанный на изменении поляризации света при взаимодействии с образцом) в широком диапазоне частот от ультрафиолетовых до средних инфракрасных длин волн (от 245 до 3300 нм).
Ученые выяснили, что для соединений с платиной PtS2 и PtSe2 характерен высокий показатель преломления (n ~ 4) и ненулевой показатель поглощения (k > 0) на всем диапазоне исследуемых частот. Материалы с такими характеристиками требуются для фотодетекторов.
Дополнительные квантово-механические расчеты показали согласие с экспериментом. Более того: для платиновых дихалькогенидов теория предсказала гигантскую оптическую анизотропию (если светить на кристалл с разных сторон, то свет будет отражаться по-разному). Гигантская анизотропия позволяет «сжимать» в несколько раз длину волны света (и даже преодолеть дифракционный предел), что существенно увеличивает разрешающую способность приборов. Работа 2021 года этой же группы ученых, посвященная гигантской анизотропии дихалькогенидов, была опубликована в Nature Communications.
Для проверки потенциальной применимости пленки PtS2 и PtSe2 использовали в качестве функционального слоя в специальном биосенсоре, работающем на явлении поверхностного плазмонного резонанса. Это явление возникает при взаимодействии фотонов со свободными электронами в металле. Если на поверхность металла поместить биомолекулы, резонанс сдвигается, так что появляется возможность определить концентрацию исследуемых биомолекул.
После добавления PtS2 и PtSe2 чувствительность биосенсора увеличилась на 60 и 30 процентов соответственно. Рост чувствительности происходит благодаря высокому показателю поглощения, позволяющему «собрать» свет, и наличию поглощения света, «убирающего шумы». Подобные биосенсоры активно применяются в фармакологии.
В том же диапазоне от ультрафиолетовых до средних инфракрасных длин волн ученые определили оптические константы SnS2 и SnSe2.. Соединения с оловом имеют чуть меньший показатель преломления, чем платиновые: порядка 3, но при этом их показатель поглощения света на большей части исследуемого спектра — нулевой, что позволяет их использовать для изготовления плоских линз. По своим характеристикам SnS2 оказался между классическими материалами, использующимися в оптике видимого диапазона, Si, GaP и TiO2. При этом SnS2 имеет показатель преломления выше, чем у TiO2, и прозрачен в большем диапазоне, чем Si и GaP.
Перспективы использования дихалькогенидов в нанофотонике прокомментировал первый автор работ, сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ Георгий Ермолаев: «В мире известно около 5000 двумерных материалов. Получается так, что новые атомарно тонкие материалы сначала используются в различных оптических девайсах, а уже потом исследуются свойства этих соединений. Мы исследовали оптические свойства дихалькогенидов платины и олова в широком диапазоне частот.
Для платиновых соединений мы обнаружили, что они хорошо поглощают свет, а значит, подходят для задач приема, собирания света и детектирования. Соединения олова имеют высокий показатель преломления, но не поглощают. На их основе можно делать оптические элементы, которые не теряют свет, например плоские линзы. SnS2 имеет высокий показатель преломления в видимом диапазоне света, таких материалов известно мало.
Сейчас мы набираем базу двумерных материалов, в частности, дихалькогенидов, исследуем их свойства, чтобы затем использовать машинное обучение и уже автоматически искать соединения с желаемыми характеристиками. Например, это поможет найти материал с самой большой анизотропией». В работе, кроме сотрудников Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, принимали участие ученые из НИИ автоматики имени Н. Л. Духова, Университета Минуфия ( Египет), МГУ имени М. В. Ломоносова, МИФИ и Инновационного центра Сколково.
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Больше половины студентов регулярно читают учебные тексты под музыку, хотя многие научные работы утверждают, что это вредит пониманию текста. Исследователи из Университета Эдит Коуэн выяснили, что эта привычка определяется не когнитивными способностями вроде силы внимания, а тем, насколько важную роль музыка играет в жизни конкретного человека.
Сверхпроводимость очень чувствительна к внутренней организации материала, в котором проявляется. Чтобы уговорить эту «птицу счастья» стабильно работать, физики тщательно следят практически за каждым атомом в сверхпроводниках и всеми воздействиями электромагнитных полей. Ученые могут контролировать хаотичные процессы в материалах, но могут их и использовать.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно