Ученые из Института квантовых технологий МФТИ с коллегами синтезировали серию сульфидных нанокристаллов с использованием нового отечественного прекурсора и изготовили тонкие пленки на их основе.
Это первое исследование оптических свойств таких пленок, что открывает новые возможности для создания компактных модовых синхронизаторов, Q-переключателей, оптических ограничителей для лазеров и генераторов высоких гармоник в ИК-диапазоне. Статья опубликована в журнале Physica Scripta.
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.
«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.
📖 Статья опубликована в журнале Physica Scripta.
_____________________________________________________
Научная статья: Ganeev R. A. and Buriyev Y. A. and Kim V. V. and Isroilov A. A. and Kamalov Sh. R. and Eshchanov B. K. and Lim V. V. and Shalagin A. Yu. and Vershinina O. V. and Shuklov I. A. and Ivanov V. V.; Nonlinear optical absorption of thin films containing Ag₉GaS₆, AgInS₂, and CuGaS₂ nanocrystals; Physica Scripta; V(100), 2025; DOI: 10.1088/1402-4896/ae2978
Институт квантовых технологий МФТИ (ИКТ) выполняет исследования полного цикла от поисковых НИР до ОКТР по разработке технологий и оборудования в направлениях: квантовые системы, наноэлектроника, разработка приборов для научных исследований и технологии гибридной микроэлектроники.
ИКТ стоит у истоков создания открытого в 2025 году Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники», который занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники». Его участниками совместно с МФТИ стали ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступили такие техногиганты и ключевые промышленные компании, как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
Автор: Татьяна Катаева
#новостиЗАнауку #НЦМУ_микроэлектроники
