Международное сотрудничество российских и китайских исследователей привело к созданию нового уникального двумерного материала, обладающего потенциалом стать основой для оптоэлектронных устройств и новых фотонных технологий ближайшего будущего. В ходе этого исследования учеными был разработан и апробирован эффективный метод расчета оптических характеристик широкого спектра материалов на основе углеродных нанотрубок. Результаты работы были опубликованы в научном журнале physica status solidi (pss) Rapid Research Letters (pss RRL). Популярность 2D-наноматериалов значительно возросла после открытия Андреем Геймом и Константином Новоселовым графена — монослоя из атомов углерода. Углеродные нанотрубки, являющиеся одной из производных форм графена, стали фундаментальными структурными элементами современной оптоэлектроники и фотоники. Особое научное значение представляют 2D-материалы с анизотропным оптическим откликом.
Это значит, что такие материалы обладают двумя различными показателями преломления при перпендикулярном и параллельном падении луча света. «Анизотропия в плоскости позволяет создавать новые поляризационно-чувствительные фотоприемники, а также самые разные электрооптическое преобразование поляризации, переключаемые нанолазеры, анизотропные волноводы, управление на предельной глубине, поляритонную канализацию, топологические особенности и многие другие интригующие явления. Для этого нанотрубки в материале должны лежать параллельно друг другу. Однако такие крупномасштабные образцы до сих пор никто не выращивал», — рассказал Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ.
Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и Пекинской национальной лаборатории молекулярных наук Пекинского университета синтезировали монослой одинаково ориентированных одностенных углеродных нанотрубок и изучили его.
«Выровненные углеродные нанотрубки — материал уникальный, поскольку выровнять все нанотрубки вдоль определенного направления — довольно сложная задача. В большинстве случаев получаются нанотрубки со случайным распределением, часто в виде переплетенных между собой массивов», — добавил Георгий Ермолаев, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и первый автор статьи.
Ученым удалось синтезировать уникальный монослой нанотрубок, расположенных упорядоченно. Оказалось, что кварцевая подложка способствует выравниванию одностенных углеродных нанотрубок во время их роста. В результате 90% синтезированных углеродных нанотрубок оказались выровнены по краю подложки.
Затем физики провели исследование свойств нового материала. Полученный монослой изучался с помощью сканирующей электронной микроскопии для определения его морфологии. Также с помощью атомно-силовой микроскопии ученые определяли топографию полученных образцов. Итоговые данные подтвердили, что толщина материала соответствует толщине монослоя (2,1 нм) и нанотрубки расположены упорядоченно.
Результаты исследования показали, что монослой выровненных углеродных нанотрубок обладает двумя разными показателями преломления и коэффициентами поглощения при падении света вдоль и перпендикулярно нанотрубкам. Высокий показатель двулучепреломления Δn=0,2 определяется разностью показателей преломления при параллельном и перпендикулярном падении луча света, а высокий показатель дихроизма Δk=0,4 задается разностью коэффициентов экстинкции, характеризующих поглощение. Эти ненулевые значения говорят как раз о том, что материал обладает высокой анизотропией. Кроме того, оптический отклик с увеличением слоев аналогичен отклику от монослоя.
«В этом отношении монослой выровненных одностенных углеродных нанотрубок является идеальным кандидатом для формирования анизотропной монослойной пленки с сантиметровым масштабом, требуемым для большинства применений», — прокомментировал Георгий Ермолаев.
Более того, ученые показали, что оптический отклик выровненных анизотропных одностенных нанотрубок можно описать в рамках модели эффективной среды с использованием параметров графена. Предложенная модель позволяет не только интерпретировать оптические константы монослоя, но и определять коэффициент заполнения углеродных нанотрубок.
«Фактический коэффициент заполнения — это, по сути, концентрация углерода в пленке выровненных углеродных нанотрубок. Оказалось, что этот параметр можно использовать для мгновенной оценки оптических свойств любых углеродных нанотрубок — как выровненных, так и со случайным распределением. Более того, мы обнаружили, что коэффициент заполнения показывает, насколько близки оптические свойства нанотрубок к свойствам графена», — пояснил Александр Чернов.
В результате исследования была разработана быстрая и эффективная бесконтактная методика определения оптических свойств любых углеродных наноматериалов.
«Далее мы планируем использовать нанотрубки для создания материалов с желаемыми оптическими свойствами. То есть, меняя направление каждой нанотрубки, можно задавать свойства пленки углеродных нанотрубок и тем самым добиваться оптимальных параметров для того или иного применения, например, для создания сверхчувствительных сенсоров», — добавил Александр Чернов.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2021-606).
Для любознательных
Двумерные материалы (2D-материалы) давно перешагнули рамки теоретической физики и стали фундаментом для создания оптических и электронных систем нового поколения. После открытия графена в 2004 году исследователи обнаружили целый класс двумерных структур с уникальными оптическими и электронными свойствами, которые способны перевернуть индустрию телекоммуникаций, вычислительной техники и сенсорики.
Ниже представлена подробная научно-популярная статья, раскрывающая потенциал 2D-материалов в оптоэлектронике и фотонике, а также ключевые достижения ученых в мире и России.
Свет в двух измерениях: Как 2D-материалы меняют будущее фотоники и оптоэлектроники
Введение: За пределами кремния и объемных кристаллов
Современная кремниевая микроэлектроника вплотную приблизилась к своим физическим пределам. На смену классическим трехмерным полупроводникам приходят двумерные (2D) материалы — кристаллы толщиной всего в один или несколько атомов.
В отличие от классических материалов, в 2D-структурах электроны зажаты в плоскости толщиной менее нанометра. Это приводит к проявлению квантово-размерных эффектов: электроны и фотоны начинают взаимодействовать с беспрецедентной эффективностью. Для оптоэлектроники (устройств, связывающих свет и электричество) и фотоники (технологий управления световыми сигналами) это означает возможность создания сверхбыстрых, гибких и энергоэффективных компонентов, которые невозможно реализовать на кремнии.
Семейство 2D-материалов для работы со светом
Вопреки расхожему мнению, графен — далеко не единственный двумерный материал. Для фотоники сформировалась целая экосистема 2D-кристаллов с различными свойствами:
- Графен: Не имеет запрещенной зоны, из-за чего поглощает свет в колоссальном диапазоне — от ультрафиолетового до терагерцевого и инфракрасного излучения. Идеален для сверхбыстрых фотодетекторов и модуляторов света.
- Дихалькогениды переходных металлов (ДПМ / TMDC): Такие соединения, как дисульфид молибдена (\(MoS_{2}\)) или диселенид вольфрама (\(WSe_{2}\)). В двумерном состоянии они превращаются в полупроводники с прямой запрещенной зоной, что заставляет их эффективно излучать свет при подаче тока. Это основа для нанолазеров и гибких светодиодов.
- Гексагональный нитрид бора (h-BN): «Белый графен» — идеальный двумерный диэлектрик с широкой запрещенной зоной. Используется как защитный слой и изолятор в нанооптике.
- Черный фосфор (фосфорен): Обладает регулируемой запрещенной зоной, которая идеально перекрывает ближний и средний ИК-диапазоны — важнейшие частоты для волоконно-оптической связи и тепловизоров.
Мировые тренды и успехи зарубежной науки
Мировая индустрия фотоники нацелена на интеграцию 2D-материалов в существующие кремниевые платформы (так называемая кремниевая фотоника) и создание устройств квантовой связи.
| Технологическое направление | Ключевые мировые достижения | Лидирующие центры |
|---|---|---|
| Кремниевая фотоника + 2D | Интеграция графеновых модуляторов в стандартные кремниевые волноводы, что позволило передавать данные со скоростью свыше 100 Гбит/с на один оптический канал. | Graphene Flagship (ЕС), Манчестерский университет (Великобритания), MIT (США) |
| Источники одиночных фотонов | Использование дефектов в слоях моноатомного \(h-BN\) и \(WSe_{2}\) для генерации одиночных фотонов при комнатной температуре — критический элемент для квантового шифрования. | Университет Сиднея (Австралия), Стэнфордский университет (США) |
| Перовскит-2D гетероструктуры | Создание гибридных солнечных элементов и фотодиодов с рекордным внешним квантовым выходом за счет быстрого разделения зарядов на границе слоев. | Сингапурский национальный университет (NUS), EPFL (Швейцария) |
Российские прорывы: На передовой двумерной фотоники
Россия традиционно обладает сильнейшей в мире школой физики полупроводников и оптики. Отечественные ученые сегодня создают передовые устройства на стыке двумерных материалов и нанофотоники.
1. Терагерцовая фотоника и детекторы нового типа
Исследователи из МФТИ (Лаборатория двухмерных материалов для оптоэлектроники) и ФТИ им. А.Ф. Иоффе занимают лидирующие позиции в разработке высокочувствительных детекторов терагерцевого и инфракрасного излучения на основе графена и ДПМ. Ими созданы фототранзисторы, способные фиксировать сверхслабые сигналы, что крайне важно для систем сканирования безопасности, медицинской томографии и систем связи будущего (6G).
2. Управление светом через поляритоны
Ученые из Университета ИТМО (Новый физтех) активно работают в области поляритоники. Они используют двумерные полупроводники, интегрированные в оптические микрорезонаторы. Комбинируя экситоны (квантовые квазичастицы в 2D-материалах) и фотоны света, они создают гибридные частицы — экситон-поляритоны. Это позволяет управлять световыми пучками с помощью других световых пучков, открывая путь к созданию оптических транзисторов — основы для полностью световых (фотонных) компьютеров.
3. Наноразмерные лазеры
Специалисты из НИЯУ МИФИ, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Сколтеха ведут разработки в области двумерных нанолазеров (спазеров). Используя монослои дисульфида вольфрама (\(WS_{2}\)), ученые создают миниатюрные источники когерентного излучения, размеры которых в сотни раз меньше длины волны испускаемого ими света.
Варианты применения 2D-материалов в фотонике
Широкий спектр свойств двумерных кристаллов позволяет использовать их в самых разных сферах — от медицины до космической связи.
1. Высокоскоростной интернет и оптическая связь
В современных дата-центрах данные между серверами переносятся светом по оптоволокну, но обрабатываются кремниевыми микросхемами в виде электрических сигналов. Перевод электричества в свет (модуляция) — узкое горлышко системы. Модуляторы на основе графена способны переключать световые сигналы на частотах в сотни гигагерц, потребляя при этом в разы меньше энергии, чем традиционные кристаллы ниобата лития.
2. Квантовые вычисления и криптография
Безопасная квантовая связь требует отправки строго одного фотона за раз. Монослои ДПМ и гексагонального нитрида бора содержат так называемые «точечные дефекты» в кристаллической решетке. При лазерном облучении такой дефект работает как идеальная «квантовая точка», испуская ровно один фотон. Это делает 2D-материалы ключевой платформой для создания компактных чипов квантового шифрования.
3. Ночное видение и «умные» камеры
Традиционные матрицы инфракрасных камер (например, на основе теллурида кадмия-ртути) очень дороги в производстве и часто требуют охлаждения жидким азотом. Фотодетекторы на основе черного фосфора или скрученного двухслойного графена могут эффективно улавливать ИК-излучение при комнатной температуре. Это позволит интегрировать недорогие системы ночного видения в беспилотные автомобили, смартфоны и медицинские диагностические гаджеты.
4. Гибкая и прозрачная оптоэлектроника
Поскольку 2D-материалы имеют атомную толщину, они невероятно прочны на разрыв и могут изгибаться без потери свойств. Создание гетероструктур (сендвичей из разных 2D-слоев) позволяет делать полностью прозрачные солнечные панели, которые можно наносить на окна зданий, или гибкие дисплеи, где каждый пиксель совмещен со своим светодиодом и фотоприемником на атомарном уровне.
Заключение
Двумерные материалы для фотоники и оптоэлектроники прошли путь от фундаментального открытия до стадии активного инженерного освоения. Главный вызов сегодняшнего дня — научиться выращивать эти материалы в промышленных масштабах (на подложках диаметром 300 мм) с минимальным количеством дефектов.
Объединяя усилия физиков-теоретиков, химиков-синтетиков и инженеров-микроэлектронщиков, мировое сообщество, в котором российская наука играет одну из ведущих ролей, стремительно приближает эру «световых» технологий, где скорость обработки информации будет ограничена лишь фундаментальной константой — скоростью света.
Автор: Ирина Усик
Источник: https://scientificrussia.ru/
