Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники

1. Создание перовскитных нанолазеров на основе нитевидных нанокристаллов

Неорганические лазеры на основе галоидных перовскитов, демонстрирующие стимулированное излучение в широком спектральном диапазоне при комнатной температуре и низких порогах лазерной генерации, стали мощными инструментами для  современных приложений оптоэлектроники и нанофотоники, таких как фотонные интегральные схемы или оптические сенсоры. 

В нашей лаборатории был разработан новый подход к изготовлению высококачественных нанолазеров состава CsPbBr3 путем быстрого осаждения из раствора прекурсоров перовскита в диметилсульфоксиде, распыляемого на гидрофобные субстраты в условиях окружающей среды. Для получаемых нанолазеров характерны низкие пороги генерации вынужденного излучения (~15 мкДж/см2) и высокие добротности лазерных мод (Q ~ 1000-6000). Предполагается, что такие рекордные характеристики лазеров связаны с их монокристаллической структурой, низкой концентрацией дефектных состояний и улучшенной отражательной способностью боковых торцов.

Публикации: 

1. Anatoly P Pushkarev, Viacheslav I Korolev, Daria I Markina, Filipp E Komissarenko, Arnas Naujokaitis, Audrius Drabavicius, Vidas Pakstas, Marius Franckevicius, Soslan A Khubezhov, Denis A Sannikov, Anton V Zasedatelev, Pavlos G Lagoudakis, Anvar A Zakhidov, Sergey V Makarov, "A Few-Minute Synthesis of CsPbBr₃ Nanolasers with a High Quality Factor by Spraying at Ambient Conditions" ACS applied materials & interfaces 11 (1), 1040-1048 (2018) 

2. Markina, D. I., Tiguntseva, E. Y., Pushkarev, A. P., Samsonov, M. A., Vengris, M., Munkhbat, B., ... & Makarov, S. V. (2020). Photophysical properties of halide perovskite CsPb (Br1-xIx) 3 thin films and nanowires. Journal of Luminescence, 220, 116985.

3. Markina, D. I., Pushkarev, A. P., Shishkin, I. I., Komissarenko, F. E., Berestennikov, A. S., Pavluchenko, A. S., ... & Makarov, S. V. (2020). Perovskite nanowire lasers on low-refractive-index conductive substrate for high-Q and low-threshold operation. Nanophotonics, 1.

4. Trofimov, P., Pushkarev, A. P., Sinev, I. S., Fedorov, V. V., Bruyère, S., Bolshakov, A., ... & Makarov, S. V. (2020). Perovskite–gallium phosphide platform for reconfigurable visible-light nanophotonic chip. ACS nano, 14(7), 8126-8134.

5. Polushkin, A. S., Tiguntseva, E. Y., Pushkarev, A. P., & Makarov, S. V. (2020). Single-particle perovskite lasers: from material properties to cavity design. Nanophotonics, 9(3), 599-610.

 

2. Перовскитные резонансные наночастицы

Лаборатория занимается изучением усиления различных эффектов в перовскитах за счёт создания наноструктур поддерживающих резонансы Ми. Одним из таких эффектов является оптическое охлаждение, которое было продемонстрированное на галогенидных перовскитах. В наших исследованиях было показана возможность усиления этого эффекта за счёт создания резонансной наночастицы.

Публикации:

1. Tonkaev P.A., Zograf G.P., Makarov S.V. Optical cooling of lead halide perovskite nanoparticles enhanced by Mie resonances//Nanoscale, 2019, Vol. 11, No. 38, pp. 17800-17806

2. Tiguntseva, E. Y., Zograf, G. P., Komissarenko, F. E., Zuev, D. A., Zakhidov, A. A., Makarov, S. V., & Kivshar, Y. S. (2018). Light-emitting halide perovskite nanoantennas. Nano Letters, 18(2), 1185-1190.

3. Tiguntseva, E. Y., Baranov, D. G., Pushkarev, A. P., Munkhbat, B., Komissarenko, F., Franckevicius, M., ... & Makarov, S. V. (2018). Tunable hybrid Fano resonances in halide perovskite nanoparticles. Nano letters, 18(9), 5522-5529.

4. Tiguntseva, E., Koshelev, K., Furasova, A., Tonkaev, P., Mikhailovskii, V., Ushakova, E. V., ... & Makarov, S. V. (2020). Room-Temperature Lasing from Mie-Resonant Non-Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano.

5. Makarov, S., Furasova, A., Tiguntseva, E., Hemmetter, A., Berestennikov, A., Pushkarev, A., ... & Kivshar, Y. (2019). Halide?Perovskite Resonant Nanophotonics. Advanced optical materials, 7(1), 1800784.

3. Нелинейные оптические свойства в резонансных перовсктиных структурах

Перовскиты являются перспективными материалами для реализации резонансных оптических структур на основе нелинейных эффектов, таких как: многофотонное поглощение, генерация второй гармоники, сверхбыстрая оптика и др. Более того, в некоторых перовскитах наблюдается  большое Раби-расщепление, что позволяет реализовать в них сильную и слабую связь свет-вещество при комнатной температуре. Такая связь способна усиливать нелинейные эффекты на несколько порядков, что делает данный материал ещё перспективнее для применения в этой области. 

Для реализации такой связи в нашей лаборатории реализуются резонансные решеточные структуры методами наноимпринта и литографии. Данные структуры, в отличии от популярных геометрий с брэгговскими резонаторами являются более компактными и менее затратными. Оптические моды, реализованные в такой структуре могут быть связаны с экситонными модами, и эта связь исследуется в нашей лаборатории сейчас. Более того,  в дальнейших исследованиях планируется реализовать подобные структуры в планарной геометрии с элементами ввода и вывода излучения, что является более перспективным для дальнейшего использования в в оптических чипах.

 

4. Создание и исследования наноструктурированных перовскитных материалов для задач оптоэлектроники и фотовольтаики.

Одним из направлений является фемтосекундная проекционная литография для высокопроизводительного нано- и микроструктурирования перовскитных пленок. Проводимое облучение плёнки коротким лазером импульсом позволяет влиять на дефекты и морфологию плёнок. Такое воздействие может улучшить оптоэлекрические свойства материала и может быть использовано для создания более эффективных устройств.

Публикации:

1. Zhizhchenko A.Y., Tonkaev P.A., Gets D., Larin A.O., Zuev D.A., Starikov S.V., Pustovalov E.V., Zakharenko A.M., Kulinich S.A., Juodkazis S., Kuchmizhak A.A., Makarov S.V. Light-Emitting Nanophotonic Designs Enabled by Ultrafast Laser Processing of Halide Perovskites//Small, 2020, Vol. 16, No. 19, pp. 2000410

2. Tonkaev P.A., Zhizhchenko A.Y., Gets D.S., Larin A.O., Zuev D.A., Zakharenko A., Kuchmizhak A., Makarov S.V. Defects and morphology contribution to photoluminescence of CH3NH3PbI3 nanostructured by femtosecond laser pulses//Solid State Phenomena, 2020, Vol. 312, pp. 179-184

3. Multifold emission enhancement in nanoimprinted hybrid perovskite metasurfaces" SV Makarov, V Milichko, EV Ushakova, M Omelyanovich, AC Pasaran, R Haroldson, B Balachandran, H Wang, W Hu, Yu S Kivshar, AA Zakhidov ACS Photonics 4 (4), 728-735 (2017) 

4. Resonant silicon nanoparticles for enhancement of light absorption and photoluminescence from hybrid perovskite films and metasurfaces" E Tiguntseva, A Chebykin, A Ishteev, R Haroldson, B Balachandran, E Ushakova, F Komissarenko, H Wang, V Milichko, A Tsypkin, D Zuev, W Hu, S Makarov, A Zakhidov Nanoscale 9, 12486-1249