Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники создана в рамках открытого конкурса «Мегагрант» Российской Федерации

Больше новостей в нашем Твиттере

Научные направления лаборатории

1. Разработка методов создания кремниевых,  диэлектрических и гибридных наноструктур

 

Цель исследования:

Исследование направлено на изучение эффектов, происходящих при воздействии мощных фемтосекундных лазерных импульсов на кремний и другие диэлектрики и полупроводники. Целью работы является понимание нелинейных взаимодействий и возможности создания разнообразных наноструктур с использованием лазерных импульсов.

 

Результаты исследования:

• Формирование кремниевых наноструктур: Установлено, что использование лазерных импульсов позволяет создавать разнообразные кремниевые наноструктуры.
• Прецизионная лазерная перестройка диаграммы направленности наноантенн: Экспериментально и теоретически продемонстрирована возможность прецизионной лазерной перестройки диаграммы направленности гибридной наноантенны (металло-диэлектрической), что открывает новые перспективы для оптической записи цветовой информации.
• Методы создания диэлектрических и гибридных наноструктур: Разработаны методы высокопроизводительного создания диэлектрических и гибридных наноструктур для нанофотоники.
• Оптимизация метода лазерной печати наночастиц: Применен и оптимизирован метод лазерной печати наночастиц для получения кристаллических кремниевых наночастиц из аморфных пленок.
• Создание субволновых источников белого света: Лазерная печать золото-кремниевых наночастиц позволяет создавать субволновые источники белого света.
• Развитие ближнепольного микроскопа: Разработан белосветный ближнепольный микроскоп, превосходящий в скорости сканирования коммерчески доступные микроскопы.
• Перовскитная нанофотоника: Инициировано новое направление в исследованиях – перовскитная нанофотоника, где галогенидные перовскиты используются для развития платформы генерации, передачи и модуляции оптического сигнала.

Ценность результатов для науки:

• Понимание нелинейных взаимодействий: Результаты исследования расширяют знание о нелинейных взаимодействиях мощных лазерных импульсов с материалами, что имеет применение в области фотоники и оптики.
• Новые методы создания наноструктур: Разработанные методы создания диэлектрических и гибридных наноструктур предоставляют новые инструменты для нанофотоники и современных лазерных технологий.
• Технологические инновации: Оптимизированный метод лазерной печати наночастиц, создание субволновых источников света, а также белосветного ближнепольного микроскопа представляют собой технологические инновации с потенциалом в различных областях науки и промышленности.
• Новые перспективы в оптической записи: Возможность прецизионной лазерной перестройки диаграммы направленности наноантенн открывает новые перспективы в области оптической записи цветовой информации.
• Перовскитная нанофотоника: Инициирование направления перовскитной нанофотоники может привести к разработке новых материалов и устройств с высокой эффективностью в генерации и модуляции оптических сигналов.

 

2. Синтез нитевидных нанокристаллов и исследование их свойств

 

Цель исследования:

Целью проекта является разработка простого метода синтеза высококачественных нитевидных нанокристаллов на наноструктурированных подложках и исследование их потенциала для создания лазерных генераторов с использованием электрической накачки. Также проводятся исследования по созданию наноструктур CsPbBr1.5I1.5 на основе тонких пленок и нитевидных нанокристаллов перовскита через химический парообразный анионный обмен.

 

Результаты исследования:

• Метод синтеза нитевидных нанокристаллов: Разработан простой метод синтеза высококачественных нитевидных нанокристаллов на наноструктурированных подложках.
• Лазерные генераторы: Установлено, что полученные наноструктуры подходят для создания лазерных генераторов, что открывает перспективы для реализации лазерной генерации с использованием электрической накачки.
• Процедура химического парообразного анионного обмена: Проведены исследования по применению процедуры химического парообразного анионного обмена к тонким пленкам и нитевидным нанокристаллам перовскита.
• Создание наноструктур CsPbBr1.5I1.5: Определено, что процедура обмена приводит к созданию наноструктур CsPbBr1.5I1.5 на основе смеси галогенидов перовскита.
• Фотолюминесцентные свойства: Осуществлено изучение фотолюминесцентных свойств полученных структур с целью определения их потенциала для использования в перовскитных фотонных структурах и устройствах.

 

Ценность результатов для науки:

• Новый метод синтеза нанокристаллов: Разработанный метод синтеза высококачественных нитевидных нанокристаллов представляет собой новый подход к получению структур с потенциалом для использования в лазерных генераторах.
• Перспективы лазерной генерации с электрической накачкой: Установлено, что наноструктуры, полученные в результате исследования, могут использоваться для создания лазерных генераторов с использованием электрической накачки, что открывает перспективы в области оптоэлектроники.
• Развитие перовскитных фотонных структур: Исследования по созданию наноструктур CsPbBr1.5I1.5 и изучению их фотолюминесцентных свойств вносят вклад в развитие перовскитных фотонных структур, имеющих потенциал в солнечных элементах, светоизлучающих диодах и других устройствах.

 

3. Развитие направления нанолазеров, в том числе с использованием резонансных мод Ми

Цель исследования:

Цель проекта заключается в разработке методов химического синтеза и лазерной абляции для создания оптически резонансных органо-неорганических нано- и микроструктур. В рамках этой цели также стремятся достичь лазерирования с оптической накачкой при высоком коэффициенте усиления, генерации терагерцового излучения и сверхбыстрой модуляции оптического сигнала.

 

Результаты исследования:

• Лазерирование с оптической накачкой: С использованием методов химического синтеза и лазерной абляции удалось достичь лазерирования с оптической накачкой при высоком коэффициенте усиления.
• Генерация терагерцового излучения: Наноструктурированные пленки из органо-неорганических материалов позволили впервые достичь усиления генерации терагерцового излучения.
• Сверхбыстрая модуляция оптического сигнала: Удалось добиться сверхбыстрой модуляции оптического сигнала в резонансных наночастицах из органо-неорганических материалов с выраженными экситонными состояниями при комнатной температуре.
• Нанолазеры на основе резонансных мод Ми: Развивается направление использования резонансных мод Ми низкого порядка для создания компактных нанолазеров, способных работать при комнатных температурах.
• Самый компактный полупроводниковый лазер: Продемонстрирован самый компактный в мире полупроводниковый лазер (кубоид размером 310 нм) с оптической накачкой, работающий при комнатной температуре в видимом диапазоне (длина волны излучения около 530 нм).

 

Ценность результатов для науки:

• Технологические методы: Разработанные методы химического синтеза и лазерной абляции представляют новые технологические подходы к созданию оптически резонансных структур с высоким коэффициентом усиления.
• Новые возможности для лазерной генерации: Результаты исследования открывают новые перспективы для лазерной генерации с использованием электрической накачки и генерации терагерцового излучения.
• Экситонные состояния при комнатной температуре: Достижение выраженных экситонных состояний при комнатной температуре в резонансных наночастицах органо-неорганических материалов предоставляет новые возможности для оптических устройств и приложений.
• Компактные нанолазеры: Развитие направления использования резонансных мод Ми для создания компактных нанолазеров при комнатных температурах открывает новые возможности для интеграции лазерных устройств в микро- и наносистемы.

4. Интеграция перовскитных микрокристаллов с нановолокнами на основе фосфида галлия

Цель исследования:

Цель проекта заключается в разработке интегрированной платформы, функционирующей в видимом диапазоне, которая объединяет перовскитный источник света с оптическими нановолноводами из полупроводников III−V. Основное внимание уделяется созданию гибридной структуры с высокой эффективностью связи, низкими волноводными потерями и возможностью широкополосной настройки длины волны излучения.

 

Результаты исследования:

• Платформа для видимого света: Разработана платформа, объединяющая перовскитный источник света с оптическими нановолноводами из полупроводников III−V, работающая в видимом диапазоне.
• Гибридная структура: Создана гибридная структура, основанная на высококачественных нитевидных нанокристаллах из непрямозонного полупроводника – фосфида галлия (GaP), встроенных в микропластины CsPbBr3.
• Эффективная интегральная схема для видимого света: Разработана высокоуниверсальная и эффективная интегральная схема для видимого света, предоставляющая перестраиваемые встроенные источники света.

 

Ценность результатов для науки:

• Интегрированная платформа для фотоники: Разработанная платформа представляет собой важный шаг в области интегрированной фотоники, обеспечивая сочетание различных источников света с оптическими нановолноводами.
• Гибридная структура с низкими потерями: Созданная гибридная структура объединяет высококачественные нитевидные нанокристаллы с непрямозонным полупроводником и перовскитными микропластинами, что обеспечивает эффективность связи и низкие волноводные потери.
• Широкополосная настройка длины волны: Возможность широкополосной настройки длины волны излучения в интегральной схеме предоставляет гибкость для различных приложений в области оптики и светотехники.
• Универсальная интегральная схема для видимого света: Разработанная интегральная схема с перестраиваемыми источниками света представляет собой универсальное решение для создания сложных оптических устройств в видимом диапазоне.

 

5. Методы нанесения композитных слоев на различные подложки

 

Цель исследования:

Цель проекта заключается в разработке методов нанесения композитных слоев на различные подложки, включая гибкие и наноструктурированные основы, с целью создания функциональных покрытий для различных оптоэлектронных устройств.

Результаты исследования:

• Методы интеграции галогенидных перовскитов: Разработаны методы интеграции галогенидных перовскитов с металлоорганическими каркасами, гиперболическими метаматериалами и гибкими основами.
• Оптоэлектронные устройства на гибких подложках: Созданы различные оптоэлектронные устройства, такие как электрохимические ячейки и фотодетекторы, на гибких полимерных основах PET с использованием стабильных углеродных электродов (углеродных нанотрубок).
• Полупрозрачные углеродные устройства: Применение гибких подложек вместе с полупрозрачными электродами из углеродных нанотрубок позволяет создавать полупрозрачные углеродные устройства, которые эффективно функционируют на поверхности гнущихся или прозрачных поверхностей.

Ценность результатов для науки:

• Развитие методов нанесения композитных слоев: Разработанные методы нанесения композитных слоев представляют значимый вклад в область нанотехнологий и создания функциональных материалов для оптоэлектронных устройств.
• Интеграция перовскитов с различными материалами: Интеграция галогенидных перовскитов с металлоорганическими каркасами, гиперболическими метаматериалами и гибкими основами открывает новые перспективы для создания усовершенствованных и многофункциональных материалов.
• Разработка оптоэлектронных устройств на гибких подложках: Созданные оптоэлектронные устройства на гибких подложках имеют потенциал для применения в различных областях, включая электрохимические ячейки и фотодетекторы на гибких поверхностях.
• Полупрозрачные углеродные устройства: Разработка полупрозрачных углеродных устройств открывает новые возможности для создания эффективных устройств, которые могут быть использованы на поверхностях с различными оптическими характеристиками.

 

6. Светоизлучающие оптоэлектронные устройства с электрохимическими ячейками

Цель исследования:

Целью данного проекта было разработать светоизлучающие оптоэлектронные устройства, в частности, электрохимические ячейки, и более глубоко изучить их механизм работы при приложенном электрическом смещении.

Результаты исследования:

• Pin-структура в активном слое: Разработана конструкция устройства с pin-структурой внутри активного слоя CsPbBr3:PEO:LiPF6, без необходимости в использовании транспортных слоев.
• Механизм работы при электрическом смещении: При приложенном электрическом поле дрейф анионов (Br- и PF6-) и катионов (Li+ и Cs+) приводит к образованию легирования p- и n-типа и формированию p-i-n-перехода. Это обеспечивает улучшенный перенос заряда и эффективное функционирование устройства.
• Светоизлучающие перовскитные ячейки: Были собраны эффективные светоизлучающие перовскитные ячейки, использующие описанный механизм работы при электрическом смещении.

Ценность результатов для науки:

• Инновационная конструкция устройства: Разработанная pin-структура внутри активного слоя представляет собой инновационный подход, исключающий необходимость в транспортных слоях и улучшающий производительность устройства.
• Понимание механизма работы: Детальное описание механизма работы светоизлучающих перовскитных ячеек при электрическом смещении вносит важный вклад в понимание физических процессов в этих устройствах.
• Эффективные светоизлучающие ячейки: Полученные результаты об эффективных светоизлучающих перовскитных ячейках предоставляют практический вклад в развитие светоизлучающих перовскитных устройств и их применение в оптотехнике.

 

7. Многофункциональные устройства на основе галогенидных перовскитов

Цель исследования:

Цель проекта заключается в создании многофункциональных устройств на основе галогенидных перовскитов, способных выполнять несколько функций одновременно, таких как фотодетектирование, лазерная генерация, зарядка от света и другие.

 

Результаты исследования:

• Светоизлучающий солнечный элемент на основе галогенидного перовскита: Разработан светоизлучающий солнечный элемент, который может переключаться между режимами благодаря управляемой ионной миграции внутри активного слоя.
• Смешанный анион: Присутствие органических катионов MA+ или FA+ с ненулевым дипольным моментом в составе перовскита позволяет формировать дипольный слой на границе перовскита и электронный транспортный слой.
• Переключение между режимами: Механизм управляемой ионной миграции и формирования дипольного слоя позволяет устройству переключаться из режима работы солнечного элемента в режим светодиода и обратно.

 

Ценность результатов для науки:

• Многофункциональные устройства: Созданный светоизлучающий солнечный элемент представляет собой пример многофункционального устройства, способного выполнять различные функции, такие как генерация энергии, фотодетектирование и светодиодное освещение.
• Управляемая ионная миграция: Механизм управляемой ионной миграции внутри активного слоя представляет новый способ управления функциональностью перовскитных устройств, открывая перспективы для создания более эффективных и гибких устройств.
• Переключение режимов работы: Возможность переключения устройства между режимами работы солнечного элемента и светодиода в зависимости от условий предоставляет новые возможности для оптимизации энергетической эффективности и функциональности устройств на основе перовскитов.

 

8. Оптимизация солнечных элементов на основе галогенидных перовскитов

Цель исследования:

Цель данного направления исследований заключалась в повышении эффективности солнечных элементов на основе галогенидных перовскитов.

 

Результаты исследования:

• Наноструктурирование слоя галогенидного перовскита: Исследования показали, что наноструктурирование слоя галогенидного перовскита с использованием внедрения наночастиц, таких как наночастицы кремния, приводит к приданию им свойств метаповерхности и метаматериалов, что способствует улучшению эффективности солнечных элементов.
• Интеграция кремниевых наноантенн в перовскитные устройства: Разработана концепция интеграции кремниевых наноантенн в перовскитные оптоэлектронные устройства, что повысило эффективность солнечного элемента до 21%.
• Синтез высокоэффективных перовскитных солнечных элементов: Синтезированы высокоэффективные перовскитные солнечные элементы с эффективностью до 19.4%, используя оптимизированный галогенидный перовскит MAPbI3 и оптимизированную архитектуру устройства с транспортными слоями PTAA и PCBM.
• Оптимизация архитектуры с использованием антиотражающих покрытий: Проведена оптимизация архитектуры солнечных элементов с использованием антиотражающих покрытий, что привело к достижению эффективности фотоэлектрического преобразования на уровне 29.6%.
• Применение углеродных наноматериалов: Исследовано применение углеродных наноматериалов, таких как фуллерены и углеродные нанотрубки, в качестве альтернативы металлическому электроду. Показано, что совместное использование углеродных наноматериалов с ионной жидкостью позволяет компенсировать высокое сопротивление и использовать их в качестве электродов.

 

Ценность результатов для науки:

• Улучшение эффективности солнечных элементов: Результаты исследования приводят к улучшению эффективности солнечных элементов, что имеет важное значение для развития возобновляемой энергетики.
• Новые концепции интеграции: Концепции интеграции кремниевых наноантенн и применение углеродных наноматериалов представляют новые подходы к созданию многофункциональных и эффективных перовскитных устройств.
• Оптимизация архитектуры с использованием антиотражающих покрытий: Оптимизация архитектуры с антиотражающими покрытиями вносит вклад в разработку более эффективных солнечных элементов с высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования.
• Применение углеродных наноматериалов в электродах: Исследование применения углеродных наноматериалов в электродах расширяет возможности использования этих материалов в солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах.

 

9. Оптимизация тандемных устройств на основе галогенидных перовскитов

Цель исследования:

Цель проекта заключалась в разработке и исследовании тандемных солнечных элементов с использованием перовскита и кремния, создании светоизлучающих устройств на основе электрохимических ячеек, а также синтезе углеродных наноточек для создания LED/PV сенсора.

 

Результаты исследования:

• Тандемные солнечные элементы: Используя верхнюю ячейку из перовскита MAPbI3 и нижнюю из кремниевого гетероструктурного солнечного элемента, была продемонстрирована эффективность фотоэлектрического преобразования на уровне 24.62%. Четырехтерминальная схема включения была предпочтительной для параллельного соединения солнечных элементов.
• Светоизлучающие устройства: Созданы светоизлучающие устройства на основе электрохимических ячеек с архитектурой ITO/CsPbBr3:PEO:LiTFSi/MWCNT. Устройства демонстрировали полупрозрачность на уровне 50% и яркость более 1600 кд/м2. Эмиссионный слой обладал прозрачностью 80%, что способствовало эффективному затенению кремниевого гетероструктурного солнечного элемента.
• Гибкий светодиодный тандем: Используя органические соединения на основе комплексов платины, разработан прототип гибкого светодиодного тандема с эксимероподобным излучением. Это излучение могло изменять цвет от красно-розового до белого в зависимости от приложенного электрического напряжения.
• Синтез углеродных наноточек: Разработан метод синтеза углеродных наноточек, обеспечивающий получение белой фотолюминесценции со сплошным спектром от 450 до 1600 нм.
• LED/PV сенсор: Изготовлены органические светодиоды и фотодиоды для создания LED/PV сенсора. Предложенный сенсор позволяет контролировать жизненно важные параметры человека, такие как степень сатурации крови, с использованием одного светодиода с заданной длиной волны и фотодетектора.

 

Ценность результатов для науки:

• Тандемные солнечные элементы: Представленные результаты способствуют развитию тандемных солнечных элементов с высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования.
• Светоизлучающие устройства: Созданные светоизлучающие устройства предоставляют новые возможности в области электрохимических ячеек и могут использоваться в пульсометрах и других устройствах.
• Гибкий светодиодный тандем: Разработанный гибкий светодиодный тандем с эксимероподобным излучением представляет интерес для различных приложений, требующих изменения цвета света.
• Синтез углеродных наноточек: Метод синтеза углеродных наноточек может быть важным вкладом в область создания материалов с заданными фотоэлектрическими свойствами.
• LED/PV сенсор: Разработанный LED/PV сенсор может иметь перспективное применение в медицинских устройствах для наблюдения за здоровьем человека.

 

Защиты коллектива лаборатории

Кандидатские работы

17.12.2020, к.ф.-м.н. Зограф Георгий Петрович “Спектроскопия усиленного и термочувствительного комбинационного рассеяния оптически резонансных полупроводниковых наночастиц”

21.12.2020, к.т.н. Ляшенко Татьяна Геннадьевна “Подавление фото- и электроиндуцированной фазовой нестабильности в свинцово-галогенидных перовскитах для разработки светоизлучающих устройств” 

30.06.2021, к.ф.-м.н. Аль-Наима Хади Карим Шамхи “Конфигурирование индикатрисы рассеяния наноструктур, поддерживающих возбуждение мультипольных моментов высоких порядков”

20.12.2021, к.ф.-м.н. Берестенников Александр Сергеевич “Оптические резонансы в наноструктурах для модифицирования радиационной рекомбинации в галогенидных перовскитах” 

15.12.2021, к.ф.-м.н. Фурасова Александра Дмитриевна “Резонансные полупроводниковые наноструктуры для увеличения эффективности перовскитных солнечных элементов”

09.12.2022, к.ф.-м.н. Маркина Дарья Игоревна “Спектрально перестраиваемая лазерная генерация в свинцово-галогенидных перовскитных нитевидных микро- и нанокристаллах” 

30.08.2023,  к.ф.-м.н. Машарин Михаил Алексеевич “Стабилизация p-i-n структуры в солнечных элементах на основе смешанных галогенидных перовскитов”

27.11.2023, к.ф.-м.н. Тонкаев Павел Андреевич “Управление скоростью и интенсивностью излучательной рекомбинации в структурах на основе галогенидных перовскитов” 

23.11.2023, к.т.н. Верхоглядов Григорий Андреевич “Исследование ионной миграции в органо-неорганических перовскитах для реализации солнечных элементов и светодиодов” 

Магистерские работы

Вячеслав Королев “Усиление ТГц излучения тонких пленок MAPbI3 за счет наноимпринтной литографии”

Артем Полушкин “Прямая лазерная запись для создания перовскитных микродисковых лазеров”

Гречанинова Евгения Вадимовна “Усиление сверхфлуоресценции в Ми-резонансных сверхрешетках на основе нанокристаллов CsPbBr3”

Бодяго Елена Васильевна “Research and development of semitransparent light-emitting electrochemical cells with multi-walled carbon nanotubes as an electrode / Исследование и разработка полупрозрачных светоизлучающих электрохимических ячеек с многостенными углеродными нанотрубками в качестве электродов”

Бакалаврские работы

Салихова Ралина Рифкатовна “Исследование эффективности фотолюминесценции перовскит-полимерных материалов”

Образцова Анна Александровна “Светоулавливание в перовскитных солнечных элементах за счет наноструктурирования”

Глебов Никита Вячеславович “Управление дисперсией экситон-поляритонов в фотонно-кристаллических волноводах, изготовленных методом атомно-силовой литографии пленок квазидвумерного перовскита (PEA)2PbI4”

Рябов Даниил Романович “Нелинейный оптический нагрев диэлектрической наночастицы с использованием термооптической бистабильности / Nonlinear Optical Heating of all-Dielectric SuperCavity: Efficient Light-to-Heat Conversion through Giant Thermorefractive Bistability”

 

Ежегодный PeroFest

 

Члены лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, а также участники Летней Школы (2017)

 

Члены лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники с ведущим ученым Анваром Захидовым на конференции MOST (2024)