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 Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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