В 2018 году в Физтех-школе электроники, фотоники и молекулярной физики появилось две новых лаборатории, созданных совместно с Российской академией наук. Едва открывшись, новые лаборатории МФТИ уже приступили к работе, которая во многом будет дополнять деятельность в стенах академических институтов, давая студентам Физтеха поучаствовать в передовой науке, не выходя из кампуса.
Лаборатория наноуглеродных материалов
Создана в 2018 году совместно с Институтом общей физики им. А.М. Прохорова РАН
Руководитель: Елена Образцова, к. ф.-м. н., заведующая лабораторией спектроскопии наноматериалов ИОФ РАН
«Изначально наша лаборатория работала в области оптической спектроскопии различных форм наноуглерода, — рассказывает Елена Образцова. — Позже мы стали заниматься синтезом и разработкой применений объектов наших исследований: углеродных нанотрубок и графена. Мы одними из первых в России начали синтезировать одностенные углеродные нанотрубки в 1997 году. В 2006 году мы научились синтезировать и графен. Это направление развивает сотрудник лаборатории Максим Рыбин. На сегодняшний день наш графен достаточно чистый и структурно-совершенный. В нем меньше дефектов и складок, чем у образцов, синтезированных в других российских группах».
В лаборатории сейчас три основных направления работ. Первое — это применение нанотрубок и графена в лазерах. Оказывается, они могут быть сверхбыстрыми модуляторами световых пучков. Если в резонатор лазера любого типа, генерирующего непрерывное излучение, поместить пленку из нанотрубок — насыщающийся поглотитель, то на выходе можно сформировать цуг фемтосекундных импульсов. Такие поглотители работают в очень широком спектральном диапазоне.
«Наша группа начала этим заниматься в 2004 году и была второй в мире, кто смог реализовать этот механизм на одностенных углеродных нанотрубках. С тех пор потребность в таких элементах очень возросла. Нанотрубки мы подбираем так, чтобы они поглощали излучение на рабочей длине волны лазера. И для многих длин волн, от 0,9 до 2,1 микрона, нами сделаны такие поглотители и реализован режим самосинхронизации мод в лазерах. Минимальная длительность импульса достигла 100 фемтосекунд», — уточняет Елена Образцова.
Каждая нанотрубка имеет свою электронную структуру и спектр поглощения, которые определяются ее геометрией: диаметром и углом спирального закручивания вокруг оси. Более того, нанотрубки в зависимости от того, как они свернуты, могут быть металлами или полупроводниками. Разделение металлических и полупроводниковых нанотрубок — чисто химическая задача. И сотрудница лаборатории Валентина Ерёмина — единственный на сегодня специалист в России, освоивший процесс масштабного разделения нанотрубок методом водно-полимерных фаз.
Второе применение нанотрубок, над которым работают в лаборатории, — создание проводящих прозрачных электродов для солнечных батарей и для GaN-светодиодов. Здесь собираются делать GaN-диоды с верхним прозрачным электродом в виде пленки из нанотрубок.
GaN-светодиоды, которые излучают в фиолетовой и UV-области, могут, например, заменить опасные для здоровья человека ртутные лампы. Пленки из нанотрубок хорошо подходят для таких задач, так как прозрачны и проводят ток. Однако они обладают заметной резистивностью, что приводит к тепловым потерям в таком электроде. В ходе исследований было обнаружено, что понизить резистивность можно при помощи допирования нанотрубок различными примесями, повышая электронную или дырочную проводимость материала.
Установка для измерения изменения массы образца и тепловых эффектов
«Мы помещаем нанотрубки в камеру, где испаряется вещество, которым хотим их допировать. Молекулы проникают внутрь трубки, в результате в ней возникают цепочки и даже кристаллы из инородных атомов. Электроны нанотрубки переходят на них, или наоборот — они отдают электроны трубке. Такой процесс называется переносом заряда. Оказывается, что за счет допирования у нанотрубок резистивность падает на порядок. При этом ее исходная высокая прозрачность даже возрастает на несколько процентов. Таким образом мы получаем проводящий прозрачный электрод», — говорит Елена Образцова.
В этой сфере остается еще большое поле для исследований. Сотрудниками лаборатории осуществлено легирование нанотрубок p-типа, реализация допирования n-типа пока находится в разработке. В дальнейшем же предполагается создавать p-n-переходы с помощью послойного нанесения нанотрубок с различным типом допирования. На основе последних можно будет делать миниатюрные микроэлектронные элементы, например, транзисторы. Над этим успешно работает сотрудник лаборатории Александр Тонких. Полученные параметры пленок из заполненных углеродных нанотрубок сегодня сравнимы с параметрами оксида индия-олова — наиболее популярного в оптоэлектронике материала для проводящих прозрачных электродов.
Другое достоинство пленок из нанотрубок — гибкость, что позволяет использовать их при создании гибкой электроники. В планах лаборатории стоит создание гибких приборов на основе пленок из нанотрубок с применением печатных технологий. В первую очередь, речь будет идти о матрицах детекторов для систем терагерцового видения и, возможно, о химических сенсорах. Здесь исследования проводятся под руководством заместителя заведующего лабораторией Георгия Фёдорова.
Третье направление работы — создание композитов. Нанотрубки обладают множеством достоинств: они прочные, оптически прозрачные, термостойкие и т. д. Но если взять комок из нанотрубок, никаких описанных качеств не будет. «Для проявления всех полезных свойств нанотрубок необходимо ввести их в полимерные матрицы. И мы планируем делать композиты с хорошими механическими и оптическими свойствами», — заключает Елена Образцова.
Лаборатория фотоники квантово-размерных структур
Создана в 2018 году совместно с Институтом проблем химической физики РАН
Руководитель: Владимир Разумов, член-корр. РАН, д. ф.-м. н., профессор, заведующий лабораторией фотоники наноразмерных структур ИПХФ РАН
Люминофоры обладают свойством излучать свет при разных воздействиях на них: например, электрическом или радиационном. Сегодня люминофоры окружают нас повсюду. Фактически их существует два типа. В первом случае люминесцирующим веществом может быть атом с определенным спектром излучения, который можно подобрать в зависимости от того, в какой области нужно получить излучение. Люминофор в таком случае представляет собой матрицу, в которую внедрены эти атомы. Эта матрица поглощает свет, а излучают его уже люминесцирующие атомы.
Сотрудник лаборатории Иван Шуклов рядом с установкой по синтезу квантовых точек
Второй класс люминофоров, который стал активно изучаться в середине прошлого века, — это молекулярные люминофоры. В этом случае излучающим элементом является не атом, а сложным образом устроенная молекула. И в зависимости от ее структуры можно получить излучение с определенными свойствами. Создание таких молекул осуществляется путем химического дизайна, поскольку они должны обладать не только люминесцентными, но и заданными эксплуатационными свойствами.
Около 35 лет назад учеными из Государственного оптического института был открыт новый класс люминофоров, в которых спектральные свойства формируются не за счет выбора атомных структур или химического дизайна каких-то сложных люминофорных молекул, а за счет «квантово-размерного эффекта».
«Если вы берете массивный полупроводник, у него есть валентная зона, зона проводимости и запрещенная зона, которая определяет длину волны люминесценции. У разных полупроводников разная запрещенная зона и свой спектр излучения. Суть этого эффекта состоит в следующем. При поглощении фотона в полупроводнике возникают две квазичастицы: электрон и дырка. Если полупроводник пространственно ограничен, то энергетические уровни этих квазичастиц, как учит квантовая механика, являются дискретными. Пока размер полупроводника является макроскопическим, расстояние между уровнями является настолько малым, что они фактически образуют сплошной спектр и дискретность явно не проявляется. При уменьшении же размера полупроводника до нескольких нанометров, расстояние между энергетическими уровнями становится существенным. Поскольку расстояние между уровнями напрямую связано со спектрами поглощения и люминесценции, то оказывается, что последние для полупроводниковых наночастиц оказываются размерно зависимыми», — рассказывает руководитель лаборатории Владимир Разумов.
Однако долгое время этот тип люминофоров не использовался из-за сложности синтеза. Лишь в 1993 году группа американских ученых придумала простой способ их получения методом коллоидного синтеза. Он позволяет получать так называемые коллоидные квантовые точки — полупроводниковые наночастицы с очень узким распределением по размеру.
Области их применения широки. На основе квантовых точек делают солнечные батареи и светоизлучающие системы, такие как активные жидкокристаллические дисплеи. Также на их основе возможно создание фотодетекторов в инфракрасной области, среди которых наиболее распространенными являются полупроводниковые фотоэлектрические структуры. У них сплошная энергетическая зона, и при поглощении света избыток энергии переходит в тепло, что и становится источником теплового шума.
Образцы смеси квантовых точек
«В случае с квантовыми точками сплошных зон нет, и возможно реализовать ситуацию, при которой избыточной тепловой энергии некуда сброситься. Таким образом вы уходите от теплового шума и множите количество носителей заряда, — поясняет Владимир Разумов. — К тому же, в отличие от классических полупроводниковых детекторов, которые чувствительны в широком диапазоне, в случае квантовых точек мы можем выделить узкую зону чувствительности. За счет этого повышается отношение сигнала к шуму. В моей лаборатории в Черноголовке мы 10 лет работаем над получением квантовых точек, разработкой методов синтеза, исследованием их свойств. Задел сделан большой. На Физтехе мы будем заниматься синтезом и характеризацией квантовых точек и их пленок, постараемся показать принцип работы этих объектов в качестве составных частей фотодетекторов и экранов».
