В научной группе «Нанофотоника», возглавляемой профессором Л.А. Голованем, активно ведутся исследования в областях лазерного микро- и наноструктурирования твердых тел, спектральной и нелинейно-оптической диагностики полупроводниковых наноструктур.

К наиболее значимым работам научной группы за последние 3 года можно отнести следующие:

Разработка лазерных технологий формирования кремниевых наночастиц для приложений биофотоники

Координатор работ – доцент С.В. Заботнов

Современные технологии микро- и наноструктурирования кремния позволили изменять в широких пределах свойства данного материла и активно использовать его не только в микроэлектронике, но и в других областях науки и техники. В частности, кремниевые наночастицы все чаще и чаще применяются в биомедицине благодаря их низкой токсичности и хорошей способности к биодеградации. Несмотря на достигнутые успехи, получение биосовместимых кремниевых частиц размером менее 100 нм с требуемыми для диагностики и терапии живых организмов свойствами все еще не является до конца решенной задачей. Прогресс в данной области могут обеспечить технологии лазерной абляции и фрагментации кремниевых мишеней в жидкостях. В первом случае происходит вынос вещества под действием мощных лазерных импульсов с поверхностей плоских кремниевых мишеней (подложек кристаллического кремния, слоев пористого кремния или кремниевых нанонитей) с последующей агломерацией в наночастицы, во втором – разбиение теми же лазерными импульсами микрочастиц кремния, находящихся в жидких взвесях, на фрагменты меньшего нанометрового размера. Изменение состава используемых жидкостей и параметров лазерных импульсов позволяет получать кремниевые частицы с требуемыми структурными и оптическими свойствами. Изготавливаемые на кафедре наночастицы могут быть использованы для диагностики биологических тканей методами флуоресцентной визуализации и оптической когерентной томографии, для лечения злокачественных опухолей посредством гипертермии, реализуемой в виде перегрева больной ткани светом.

Изображения (слева) кремниевых наночастиц, полученных методом лазерной фрагментации в воде, и (справа) фантома на основе агарового геля, имитирующего биологическую ткань, с внедренными кремниевыми наночастицами, полученными методом лазерной абляции в жидком азоте и позволяющими визуализировать структурные неоднородности методом оптической когерентной томографии.

Лазерное микро- и наноструктурирование полупроводниковых поверхностей

Координатор работ – научный сотрудник Д.В. Шулейко

Данный вид работ заключается в получении на поверхности тонких слоев аморфного кремния и стеклообразного халькогенида Ge₂Sb₂Te₅ (GST225) областей с нанокристаллами и поверхностными периодическими микро- и наноструктурами (решетками) под действием ультракоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов. Исследования в данной области позволяют решить следующие задачи:

1. За счет формирования в аморфном кремнии нанокристаллических областей и поверхностных решеток с микронными и субмикронными периодами обеспечить высокий срок службы и чувствительность к поляризации падающего света солнечных батарей на основе данного материала.

2. Найти режимы лазерного облучения, позволяющие реализовать на основе исследуемых материалов элементы памяти с изменяемым фазовым состоянием (phase change memory), когда в зависимости от количества действующих на поверхность лазерных импульсов происходят переходы из аморфной фазы в кристаллическую и обратно, обеспечивая таким образом режим перезаписи информации по аналогии с технологией DVD-RW.

3. Увеличить объем записываемой информации в современных технологиях оптического кодирования данных: плотность записи традиционными методами ограничена дифракционным пределом фокусируемого лазерного луча, однако создание внутри облучаемой ячейки (вокселя) области с периодическим рельефом на масштабах меньше длины волны света приводит к возникновению оптической анизотропии и позволяет извлекать при последующем считывании дополнительный объем информации за счет зондирования структурированных областей поляризованным светом.

Изображение в растровом электронном микроскопе поверхностных решеток, сформированных на поверхности GST225 с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.

Нанотехнологии в люминофорах

Координатор работ – доцент В.Б. Зайцев

Другая часть работ нашей кафедры в последние несколько лет была посвящена совместному с факультетом наук о материалах исследованию новых люминофоров на основе полупроводниковых нанопластинок для светодиодов белого свечения.

В настоящее время большая часть мощных светодиодов, излучающих белый свет, строится на основе источника исходного света – мощного полупроводникового светодиода голубого, фиолетового или ультрафиолетового излучения. Рядом с таким мощным светодиодом (или вокруг него) помещают вещества – люминофоры, способные поглощать исходное излучение и испускать фотоны флуоресценции (люминесценции) с энергией, лежащей в широком спектральном диапазоне, так, чтобы суммарное излучение люминофора давало белый свет. В качестве люминофоров оказалось очень перспективным использовать полупроводниковые наночастицы. Дело в том, что длина волны флуоресценции такой наночастицы напрямую связана с её размерами. И, регулируя размер наночастиц в процессе их создания, можно управлять спектром из испускания. Стандартный способ создания люминофора такого типа для белого светодиода – смешать наночастицы красного (Red), зелёного (Green) и голубого (Blue) свечения так, чтобы в итоге получить суммарное белое излучение по схеме RGB. Однако на пути создания белого светодиода таким способом лежит много технических трудностей. Одна из главных проблем состоит в том, что наночастицы с более длинноволновым свечением способны поглощать более коротковолновое излучение. А значит «зеленый» люминофор будет поглощать часть света, испускаемого «синим», а «красный» люминофор будет поглощать часть излучения и «синего», и «зелёного» люминофора. Это приводит к потерям энергии и уменьшению эффективности работы готового устройства. Кроме того, становится трудно правильно подобрать концентрации наночастиц разного размера в смеси так, чтобы получить равномерный белый спектр излучения.

Известно, что у наночастиц помимо узкой спектральной полосы экситонной люминесценции, соответствующей размеру частиц, имеется ещё и излучение в очень широком спектральном диапазоне, которое связывают со «свечением» дефектов кристаллической решётки на поверхности наночастиц. Обычно стараются избавиться от такого «свечения» дефектов, которое отбирает энергию у узкой экситонной полосы люминесценции. Для люминофоров, с которыми мы работали, было предложено наоборот усилить широкую «дефектную» полосу в спектре люминесценции наночастиц, подавив свечение в экситонной полосе с тем, чтобы получить из однотипных наночастиц одинакового размера люминофор, сразу дающий белое свечение. За счет легирования ультратонких (толщина 2–3 нм) нанопластинок селенида кадмия (CdSe) ионами меди удалось решить эту задачу и получить белый люминофор с квантовым выходом фотолюминесценции, достигающим 95%. Объединив такие нанопластинки в полимерной матрице с чипом-излучателем ультрафиолетового света изготовили прототип светоизлучающего устройства (LED) белого света.

Слева спектры поглощения (синие) и флуоресценции (красные) исследованных в нашей лаборатории квази-двумерных нанопластинок CdSe в растворе: без добавки ионов меди (вверху) и после модификации ионами меди (внизу). Врезки – фотографии пробирок с люминесцирующими растворами. Справа спектры люминесценции и фотографии лабораторных моделей светодиодов, полученных комбинированием полупроводникового ультрафиолетового светодиода с люминофором в полимерной матрице до модификации люминофора медью (сверху) и после модификации (внизу).

Финансирование и научная активность сотрудников, студентов и аспирантов

Работы финансируются за счет следующих грантов и договоров:

• грант РНФ № 19-12-00192 “Применение светорассеивающих наночастиц кремния, сформированных методом лазерной абляции, в задачах биофотоники”;

• грант РФФИ № 20-32-00911 “ Фемтосекундная лазерная модификация пленок GST225: формирование поверхностных периодических структур и фазовые переходы при многоимпульсном облучении”;

• договор № 711251/2019 от 15 августа 2019 г. с Министерством науки и высшего образования РФ о поддержке Центра компетенций Национальной технологической инициативы “Центр хранения и анализа больших данных МГУ” в рамках выполнения работ по теме “Новые подходы к проектированию систем считывания для технологии трехмерной оптической памяти с многоуровневым кодированием”.

Регулярно подаются заявки на новые гранты с привлечением студентов и аспирантов.

В лабораториях активно ведутся обновление и модернизация оборудования. В 2021 году закуплены и введены в эксплуатацию:

• лазер Solar LS LQ629, генерирующий мощные импульсы наносекундной длительности с частотой 100 Гц, для изготовления кремниевых наночастиц методами лазерной абляции и фрагментации в жидкостях;

• программно-аппаратный комплекс для сверхбыстрого оптического считывания на основе трансляторов Aerotech, обеспечивающих позиционирование микро- и наноструктурированных носителей информации в пространстве с точностью до 200 нм и скоростями до 30 см/с, цифровой высокоскоростной (2000 кадров в секунду) видеокамеры машинного зрения, непрерывного и наносекундного лазеров.

Лазер Solar LS LQ629		Программно-аппаратный комплекс для сверхбыстрого оптического считывания

Научная группа активно сотрудничает с ведущими научными коллективами, представляющими факультет наук о материалах МГУ, Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”, Национальный исследовательский университет МИЭТ, Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН, Институт прикладной физики РАН и Приволжский исследовательский медицинский университет (г. Нижний Новгород).

Студенты и аспиранты активно участвуют в научной жизни коллектива и представляют свои результаты на конференциях.

Студент Вячеслав Нестеров на конференции Saratov Fall Meeting в Саратовском государственном университете, сентябрь 2021 г.		Аспирант Александр Колчин на конференции UltrafastLight в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, г. Москва, октябрь 2021 г.

Наши избранные статьи

1. D.V. Shuleiko, F.V. Potemkin, I.A. Romanov, I.N. Parhomenko, A.V. Pavlikov, D.E. Presnov, S.V. Zabotnov, A.G. Kazanskii, P.K. Kashkarov “Femtosecond laser pulse modification of amorphous silicon films: control of surface anisotropy” // Laser Physics Letters, 2018, vol. 15, № 5, art. 056001.

2. С.В. Заботнов, Д.А. Куракина, Ф.В. Кашаев, А.В. Скобелкина, А.В. Колчин, Т.П. Каминская, А.В. Хилов, П.Д. Агрба, Е.А. Сергеева, П.К. Кашкаров, М.Ю. Кириллин, Л.А. Головань “Структурные и оптические свойства наночастиц, формируемых методом лазерной абляции пористого кремния в жидкостях; перспективы применения в биофотонике” // Квантовая электроника, 2020, т. 50, № 1, с. 69–75.

3. S.V. Zabotnov, A.V. Skobelkina, E.A. Sergeeva, D.A. Kurakina, A.V. Khilov, F.V. Kashaev, T.P. Kaminskaya, D.E. Presnov, P.D. Agrba, D.V. Shuleiko, P.K. Kashkarov, L.A. Golovan, M.Yu. Kirillin “Nanoparticles produced via laser ablation of porous silicon and silicon nanowires for optical bioimaging” // Sensors, 2020, vol. 20, art. 4874.

4. О.И.Соколовская, С.В.Заботнов, Л.А.Головань, П.К.Кашкаров, Д.А.Куракина, Е.А.Сергеева, М.Ю.Кириллин “Перспективы применения кремниевых наночастиц, полученных методом лазерной абляции, для гипертермии злокачественных опухолей” // Квантовая электроника, 2021, т. 51, № 1, с. 64–72.

5. D. Shuleiko, M. Martyshov, D. Amasev, D. Presnov, S. Zabotnov, L. Golovan, A. Kazanskii, P. Kashkarov “Fabricating femtosecond laser-induced periodic surface structures with electrophysical anisotropy on amorphous silicon” // Nanomaterials, 2021, vol. 11, art. 42.

6. O.I. Sokolovskaya, E.A. Sergeeva, L.A. Golovan, P.K. Kashkarov, A.V. Khilov, D.A. Kurakina, N.Y. Orlinskaya, S.V. Zabotnov, and M.Y. Kirillin “Numerical simulation of enhancement of superficial tumor laser hyperthermia with silicon nanoparticles” // Photonics, 2021, vol. 8, art. 580.

7. S. Zabotnov, A. Kolchin, D. Shuleiko, D. Presnov, T. Kaminskaya, P. Lazarenko, V. Glukhenkaya, T. Kunkel, S. Kozyukhin, P. Kashkarov “Periodic relief fabrication and reversible phase transitions in amorphous Ge₂Sb₂Te₅ thin films upon multi-pulse femtosecond irradiation” // Micro, 2022, vol. 2, pp. 88–99.

8. B.M. Saidzhonov, V.F. Kozlovsky, V.B. Zaytsev, R.B. Vasiliev “Ultrathin CdSe/CdS and CdSe/ZnS core-shell nanoplatelets: The impact of the shell material on the structure and optical properties” // Journal of Luminescence, 2019, vol. 209, pp. 170–178.

9. B.M. Saidzhonov, V.B. Zaytsev, M.V. Berekchiian, R. B. Vasiliev “Highly luminescent copper-doped ultrathin cdse nanoplatelets for white-light generation” // Journal of Luminescence, 2020, vol. 222, art. 117134.

10. B.M. Saidzhonov, V.B. Zaytsev, A.A. Eliseev, A.Y. Grishko, R. B. Vasiliev “Highly luminescent gradient alloy CdSe_1–xS_x nanoplatelets with reduced reabsorption for white-light generation” // ACS Photonics, 2020, vol. 7(11), pp. 3188–3198.

11. B.M. Saidzhonov, V.B. Zaytsev, R. B. Vasiliev “Effect of PMMA polymer matrix on optical properties of CdSe nanoplatelets” // Journal of Luminescence, 2021, vol. 237, art. 118175.