• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
29 марта
ФизТех
1 077

В МФТИ изучили материалы, которые позволят создать ультратонкие линзы и сверхчувствительные приемники

4.8

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.

В МФТИ изучили материалы, которые позволят создать ультратонкие линзы и сверхчувствительные приемники / ©Getty images

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.

Дихалькогениды переходных металлов / ©Пресс-служба МФТИ

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 10:00
РНФ

Группа ученых из России и Германии математически описала ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться.

Вчера, 16:09
Сергей Янкин

При помощи численного моделирования электромагнитных, механических и акустических процессов компания Tectonic Audio Labs создала современный динамик со сбалансированным излучателем (технология balanced mode radiator, или BMR). Динамик был использован в гарнитуре виртуальной реальности (VR) для корпорации Valve и теперь считается золотым стандартом для VR-аудио.

Позавчера, 10:02
Сергей Васильев

Распространяясь в популяциях крупных жвачных животных, паразиты незаметно оказывают мощное влияние на целые экосистемы, позволяя растительности спокойно развиваться и процветать.

20 мая
Мария Азарова

Ученые предупреждают: поскольку вес современных комбайнов и прочей сельхозтехники сегодня приближается к весу самых крупных животных, когда-либо бродивших по Земле, возникает парадокс уплотнения грунта.

Вчера, 10:00
РНФ

Группа ученых из России и Германии математически описала ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться.

Позавчера, 10:02
Сергей Васильев

Распространяясь в популяциях крупных жвачных животных, паразиты незаметно оказывают мощное влияние на целые экосистемы, позволяя растительности спокойно развиваться и процветать.

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

28 апреля
Мария Азарова

Авторы нового исследования составили таблицу ожидаемой продолжительностью жизни для собак 18 чистокровных пород и метисов. Кроме того, они узнали, кто живет дольше — суки или кобели, кастрированные или нет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: