Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем (провести анализ имеющихся публикаций по тематике проекта)

В настоящее время особый интерес представляет применение различных наноматериалов - металлических наночастиц, фуллеренов, квантовых точек - для создания эффективных нелинейнооптических сред различного фазового состава (коллоидных растворов, полимерных пленок, твердотельных и жидкокристаллических матриц и т.д.) [1-5]. Такие системы могут использоваться для создания устройств обработки оптической информации, нелинейно-оптических затворов и переключателей, нанофотонных интегральных схем [6-7].

Явление фотоиндуцированной оптической нелинейности уже было обнаружено для сферических полупроводниковых нанокристаллов - квантовых точек CdSe/ZnS типа «ядро-оболочка» [8]. Был экспериментально зарегистрирован эффект гигантской оптической нелинейности (n2) в коллоидном растворе квантовых точек в толуоле. Мотивацией этой работы было высокое сечение оптического поглощения нанокристаллами, что должно было обеспечить высокие величины нелинейного оптического отклика. В указанной работе было высказано предположение, что наблюдаемая нелинейность имеет нетепловую природу и может быть связана с процессами переноса электронного возбуждения в нанокристаллах.

Недавно всего нескольким исследовательским группам удалось синтезировать новый тип наночастиц - полупроводниковые коллоидные нанокристаллы планарной геометрии (CdSe, CdS, CdTe, CdSe/CdS, CdSe/CdZnS) [9-12]. Латеральный размер этих наночастиц составляет 30-200 нм, а их толщина не превышает нескольких атомных слоев (3-7 монослоев), что приводит к возникновению эффектов размерного квантования.

В связи с тем, что первая работа по синтезу нанопластин была опубликована в 2008 году [9], на сегодняшний день существует всего лишь порядка 30 публикаций, посвященных их исследованию. Эти объекты представляют огромный интерес вследствие отличия эффектов размерного квантования от наблюдающихся в классических квантовых точках. В самом деле, было показано, что для нанопластин величина стоксовского сдвига составляет единицы мэВ из-за малого энергетического расщепления между «светлым» и «тёмным» экситонными состояниями [13], в то время как для квантовых точек это значение составляет сотни мэВ. Кроме того, нанопластины имеют исключительно узкую полосу люминесценции, обусловленной межзонным переходом (10-20 нм) [11]; времена затухания люминесценции в этом случае составляют порядка 2 нс по сравнению с 10-20 нс для квантовых точек. Это говорит в пользу более высокой квантовой эффективности люминесценции и может быть применено при создании источников света на нанокристаллах такого типа. Результаты успешного применения нанопластин в качестве эмиссионных слоев органических светоизлучающих диодов представлены в работах [15, 16]. Из-за узкого спектра люминесценции и малого стоксового сдвига ожидалось уменьшение порога накачки лазерной генерации; так, в работе [17] показано его уменьшение до 6 мДж/см², а в [18] непосредственно получена лазерная генерация.

Одной из особенностей эффекта размерного квантования для нанокристаллов планарной геометрии является аномально высокое сечение оптического поглощения по сравнению с квантовыми точками. Отсюда следует ожидать, что величина фотоиндуцированной оптической нелинейности должна существенно превысить значения, характерные для квантовых точек [8].

В настоящее время известно всего лишь об одной публикации, посвященной исследованию нелинейно-оптических свойств полупроводниковых нанопластин [19]. В этой работе нанопластины были синтезированы в стекловидной жидкокристаллической матрице и рассматривались именно в рамках системы изотропная матрица-наночастицы. Авторами были получены значения нелинейного показателя преломления и характерных времён релаксации фотоиндуцированной нелинейности; был сделан вывод о тепловом характере нелинейности в этой системе. Однако ввиду специфичности рассматривавшейся матрицы трудно объективно судить об общем характере нелинейности для нанопластин, поскольку, например, в работе [8] было выдвинуто предположение, что для раствора квантовых точек в толуоле такая нелинейность носит нетепловой характер. В свою очередь исследования фотоиндуцированной нелинейности и механизмов ее возникновения для коллоидных растворов нанопластин до сих пор не были проведены. Таким образом, для изучения нелинейных эффектов в коллоидных нанопластинах необходимо сформулировать более общий и комплексный подход к данной проблеме.

Литература

1. Р. А. Ганеев, Н. В. Каманина, И. А. Кулагин, А. И. Ряснянский, Р. И. Тугушев, Т. Б. Усманов, Исследование нелинейно-оптических характеристик различных сред методами z-сканирования и генерации третьей гармоники лазерного излучения // Квант. электрон., Т. 32, Вып. 9, С. 781 (2002).

2. О. Л. Антипов, И. В. Юрасова, Г. А. Домрачев, Оптическая нелинейность фуллерен-содержащих полимерных нанокомпозиций // Квант. Электрон., Т. 32, Вып. 9, С. 776 (2002).

3. А.И. Ряснянский, B. Palpant, S. Debrus, U. Pal, А.Л. Степанов, Нелинейные оптические свойства наночастиц золота, диспергированных в различных оптически прозрачных матрицах // ФТТ, Т. 51, Вып. 1, С. 52 (2009).

4. M. Falconieri and G. Salvetti, E. Cattaruzza, F. Gonella,a) G. Mattei, P. Mazzoldi, and M. Piovesan, G. Battaglin and R. Polloni, Large third-order optical nonlinearity of nanocluster-doped glass formed by ion implantation of copper and nickel in silica // Appl. Phys. Lett., V. 73, P. 288 (1998).

5. J. P. Huanga, K. W. Yub // Appl. Phys. Lett., V. 87, P. 071103 (2005).

6. Moeller G. and Coe-Sullivan S. // Quantum-Dots Light-Emitting Devices for Displays, Information Displays, 2006. V. 2. P. 1-6.

7. Ohtsu M., Kobayashi K., Kawazoe T. et al // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. Тanophotonics: Design, Fabrication, and Operation of Nanometric Devices Using Optical Near Fields., V. 8, No. 4, P. 839 (2002).

8. А.Г. Витухновский , А.А. Исаев , В.С. Лебедев, Светоиндуцированная нелинейность квантовых точек CdSe/ZnS миллисекундным временем релаксации // Российские нанотехнологии, Т. 11-12, Вып. 3, С. 110 (2008).

9. Ithurria, S. & Dubertret, B. Quasi 2D colloidal CdSe platelets with thicknesses controlled at the atomic level // J. Am. Chem. Soc., V. 130, No. 49, P. 16504 (2008).

10. A.W. Achtstein, A. Shliwa, A. Prudnikau, M. Hardzei, M.V. Artemyev, C. Thomsen, U.Woggon, Electronic Structure and Exciton−Phonon Interaction in Two-Dimensional Colloidal CdSe Nanosheets // Nano Lett., V.12, No.6, P.3151 (2012).

11. B. Mahler, B. Nadal, C. Bouet, G. Patriahe, B. Dubertret, Core/Shell Colloidal Semiconductor Nanoplatelets // J.Am. Chem. Soc., V. 134, No. 45, P. 18591 (2012).

12. М.С. Соколикова, Р.Б. Васильев, А.М. Гаськов, Синтез квазидвумерных коллоидных наночастиц селенида кадмия и формирование сульфидного монослоя на их поверхности // Ж. неорг. химии, Т. 59, Вып. 5, С. 577 (2014).

13. L. Biadala, F. Liu, M.D. Tessier, D.R. Yakovlev, B. Dubertret, M. Bayer, Recombination Dynamics of Band Edge Excitons in Quasi-Two-Dimensional CdSe Nanoplatelets // Nano Lett. V. 14, No. 3, P. 1134 (2014).

14. M.D. Tessier , C. Javaux , I. Maksimovic , V. Loriette , and B. Dubertret, Spectroscopy of Single CdSe Nanoplatelets // ACS Nano, V. 6, No. 8, P. 6751 (2012).

15. Z. Chen, B. Nadal, B. Mahler, H. Aubin, and B. Dubertret, Quasi-2D Colloidal Semiconductor Nanoplatelets for Narrow Electroluminescence // Adv. Funt. Mater., V. 24, No. 3, P. 295 (2014).

16. А.А. Ващенко, А.Г. Витухновский, В.С. Лебедев, А.С. Селюков, Р.Б. Васильев, М.С. Соколикова, Органический светоизлучающий диод на основе плоского слоя полупроводниковых нанопластинок CdSe в качестве эмиттера // Письма в ЖЭТФ, Т. 100, Вып. 2, С. 94 (2014).

17. C. She, I. Fedin, D.S. Dolzhnikov, A. Demortiere, R.D. Schaller, M. Pelton, D.V. Talapin, Low-Threshold Stimulated Emission Using Colloidal Quantum Wells // Nano Lett., V. 14, No. 5, P. 2772 (2014).

18. B. Guzelturk, Y. Kelestemur, M. Olutas, S. Delikanli, and H.V. Demir, Amplified Spontaneous Emission and Lasing in Colloidal Nanoplatelets // ACS Nano, V. 8, No. 7, P. 6599 (2014).

19. Lyashchova, D. Fedorenko, Yu. Garbovskiy, G. Klimusheva, T. Mirnaya, and V. Asaula, Strong thermal optical nonlinearity caused by CdSe nanoparticles synthesised in smectic ionic liquid crystal // Liq. Cryst., V. 40, No. 10, P. 1377 (2013).

Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту: полученные ранее результаты (с оценкой степени оригинальности), разработанные методы (с оценкой степени новизны), список основных не более 10 публикаций коллектива за последние 5 лет

Для выполнения проекта создан коллектив, объединяющий специалистов в области физики процессов люминесценции, оптики, спектроскопии. Основные участники коллектива исполнителей имеют опыт совместной работы. Так, при проведении работ коллективом получены результаты, соответствующие отечественному и мировому уровню исследований. Можно отметить исследования экситонных процессов в нанотетраподах [1] и квантовых точках [2,3], создание и исследование эффективных органических диодов на основе нанопластин [4], изучение влияния поверхностных и дефектных состояний на люминесценцию полупроводниковых нанокристаллов [5,6]. Важно и то, что кроме исследования люминесцентных характеристик тонкопленочных структур на основе органических материалов и квантовых точек коллектив обладает технологическими возможностями изготовления опытных образцов. Кроме того, члены коллектива обладают опытом исследования оптической нелинейности в коллоидных растворах наночастиц [7,8], ориентационной оптической нелинейности в жидких кристаллах [9,10].

Коллектив Заявителя проекта имеет многолетний опыт работ в области молекулярной люминесценции и исследований органических, металлоорганических соединений, а также полупроводниковых нанокристаллов. В коллективе за последние 3 года защищено три кандидатских диссертации по темам, близким к заявленной, а также большое количество магистерских и бакалаврских дипломов (МФТИ, МИФИ, МГУ).

Литература

1. A.G. Vitukhnovsky, A.S. Shul’ga, S.A. Ambrozevich, E.M. Khokhlov, R.B. Vasiliev, D.N. Dirin, V.I. Yudson. Effect of branching of tetrapod-shaped CdTe/CdSe nanocrystal heteroctructures on their luminescence. Phys. Lett. A 373 2287 (2009).

2. Ambrozevich S.A., Gorelik V.S., Dirin D.N., Vasiliev R.B., Vitukhnovsky A.G., and Voinov Yu. Optical properties of 3D photonic crystals filled with CdSe/CdS Quantum Dots. Journal of Russian Laser Research 20(4) (2009) 384.

3. А.Г. Витухновский, А.Ю. Переверзев, В.В. Федянин, С.А. Амброзевич, Р.Б. Васильев, Д.Н. Дирин. Корреляция межфотонных интервалов мерцающей люминесценции одиночных нанокристаллов CdSe/CdS. Письма в ЖЭТФ, 96:1 (2012), 18-21.

4. А.А. Ващенко, А.Г. Витухновский, В.С. Лебедев, А.С. Селюков, Р.Б. Васильев, М.С. Соколикова, Органический светоизлучающий диод на основе плоского слоя полупроводниковых нанопластинок CdSe в качестве эмиттера // Письма в ЖЭТФ, Т.100, Вып.2 С.94 (2014).

5. A.V. Katsaba, S.A. Ambrozevich, A.G. Vitukhnovsky, V.V. Fedyanin, A.N. Lobanov, V.S. Krivobok, R.B. Vasiliev, I.G. Samatov, Surface states effect on photoluminescence of CdS colloidal nanocrystals // J. App. Phys., V. 113, P. 184306 (2013).

6. А.В. Кацаба, В.В. Федянин, С.А. Амброзевич, А.Г. Витухновский, А.Н. Лобанов, А.С. Селюков, Р.Б. Васильев, И.Г. Саматов, П.Н. Брунков Характеризация дефектов в коллоидных нанокристаллах CdSe модифицированным методом термостимулированной люминесценции // Физика и техника полупроводников 2013, том 47, вып. 10, стр. 1339-1343.

7. Исаев А.А. Интерференционное распространение лазерных пучков в коллоидах квантовых точек, Инженерная физика 2013, №8, 41-50.

8. A. Isaev, Cumulative electronic non-linearity of CdSe/ZnS quantum dots.Journal of Physics D: Applied Physics, 46(21), 215301 (2013).

9. E.A. Babayan, I.A. Budagovsky, S.A. Shvetsov, M.P. Smayev, A.S. Zolot’ko, N.I. Boiko, and M.I. Barnik, "Light- and electric-field-induced first-order orientation transitions in a dendrimer-doped nematic liquid crystal", Phys. Rev. E, 82, no. 6, 061705 (2010).

10. И.А. Будаговский, А.С. Золотько, В.Н. Очкин, М.П. Смаев, С.А. Швецов, А.Ю. Бобровский, Н.И. Бойко, В.П. Шибаев, М.И. Барник, "Ориентационная оптическая нелинейность нематических жидких кристаллов, индуцированная высокомолекулярными азосодержащими соединениями", Высокомолекулярные соединения, Серия А, 53, № 8, с. 1337-1348 (2011).