Лаборатория "Оптика квантовых наноструктур"

Заведующий лабораторией – Баранов Александр Васильевич Доктор физико-математических наук, профессор кафедры ОФиСЕ НИУ ИТМО.

Предыстория

Лаборатория «Оптика квантовых наноструктур» организована в составе Центра "Информационные Оптические Технологии" СПбГУ ИТМО в 2005 г. Основу лаборатории составляет группа ведущих сотрудников, перешедших на работу в Университет из Государственного оптического институте имени С.И. Вавилова. Среди них – доктора физико-математических наук А.В. Баранов, В.Г. Маслов и А.В. Федоров, которые на протяжении многих лет проводят экспериментальные и теоретические исследования физических процессов, определяющих уникальные оптические свойства наноразмерных объектов.

Результаты этих исследований, посвященные супрамолекулярным системам, углеродным наноструктурам, металлическим и полупроводниковым нанокристаллам (квантовым точкам), получили мировое признание. Сотрудники лаборатории имеют многолетний опыт успешных экспериментальных и теоретических исследований физических свойств полупроводниковых нанокристаллов, выращенных в диэлектрических средах, самоорганизованных и индуцированных напряжением квантовых точек в полупроводниковых гетероструктурах. В тесном сотрудничестве с рядом Университетов Японии, Франции, Германии и Ирландии были выполнены приоритетные экспериментальные и теоретические работы, результаты которых внесли заметный вклад в понимание физических процессов, определяющих оптические свойства квантовых точек и наноструктур на их основе. В частности, резонансными нелинейно-оптическими методами исследовались проявления трехмерного пространственного ограничения в нанокристаллах. В этом направлении были получены новые данные о параметрах электронной и фононной подсистем квантовых точек на основе CdS, CuCl и CuBr, встроенных в диэлектрические матрицы, и развиты адекватные модели электрон-фононного взаимодействия в квантовых точках. Было показано, что существенную роль в формировании электронной и фононной энергетической структуры квантовых точек, а также в динамике их электронных возбуждений играют взаимодействия между квазичастицами. Эффективности этих взаимодействий в наноструктурах и объемных материалах существенно отличаются друг от друга.
Привлечение новых экспериментальных методов и теоретических подходов позволило продемонстрировать, что зависящее от размеров взаимодействие экситонов и продольных оптических фононов контролирует перенормировку энергетического спектра квантовых точек, особенно сильную в условиях колебательного резонанса. Было обнаружено, что внутризонная релаксация носителей в гетероструктурах с самоорганизованными квантовыми точками на основе InAs/GaAs полностью определяется процессами, связанными с одно и многофононными переходами между экситонными состояниями с характерными временами порядка 30 пс. Гетеродинный вариант аккумулированного фотонного эха был использован для изучения динамики экситонов в CuCl квантовых точках, а также для определения механизмов и характерных времен дефазировки фундаментального экситонного перехода. Впервые были продемонстрированы экстремально длинные времена дефазировки (около 1 нс), определяемые временем жизни экситона. Для исследования динамики экситонов в ансамбле квантовых точек впервые было предложено использовать метод когерентного контроля резонансного спонтанного вторичного свечения: резонансного бесфононнго вторичного свечения, вторичного свечения с участием фононов и термализованного вторичного свечения. Был проведен теоретический анализ физических основ этого метода и показана его перспективность для изучения как неоднородно, так и однородно уширенных систем квантовых точек, была продемонстрирована его экспериментальная реализация для вторичного свечения с участием фононов в ансамбле индуцированных напряжением InGaAs/GaAs КТ.
Нами показано, что на энергетический спектр и динамику электронных возбуждений квантовых точек сильное влияние оказывает взаимодействие с элементарными возбуждениями окружающей среды: акустическими фононами матрицы, фононами смачивающего слоя ("wetting layer") и фононами границы раздела квантовая точка/барьерный слой в самоорганизованных квантовых точках или границы ядро/оболочка в нанокристаллах типа CdSe/ZnS.
В результате детальных экспериментальных исследовании спектров фотолюминесценции самоорганизованных InAs/GaAs квантовых точек и их теоретического анализа было показано существование нового эффективного механизма внутризонной релаксации носителей в квантовых точках, встроенных в гетероструктуры с легированными областями. Этот механизм определяется взаимодействием носителей с плазмон-LO-фононными модами подложки на расстояниях вплоть до 100 нм. Создана теоретическая модель соответствующего процесса релаксации и определены его характерные особенности.
На основе обобщенной теории рассеяния была развита модель энергетического спектра акустических фононов системы квантовая точка/матрица, адекватно описывающая экспериментальные спектры межзонного поглощения и излучения квантовых точек с участием акустических фононов системы.
Нами показано, что межзонные оптические переходы в индуцированных напряжением квантовых точках на основе InGaAs/GaAs контролируются продольными и поперечными оптическими фононами элементов гетероструктуры, связанными с электронными возбуждениями квантовых точек через деформационный потенциал.
Впервые был проведен анализ фононной структуры (спектроскопия резонансного микрокомбинационного рассеяния) и параметров люминесценции квантовых точек типа ядро/оболочка (CdSe/ZnS) с изменением толщины оболочки. Он показал, что электронные и фононные параметры ядра в большой степени связаны со структурой оболочки, состоянием границы ядро-оболочка и с локальными механическими напряжениями, возникающими из-за различия постоянных решеток CdSe и ZnS.
Результаты исследований, опубликованные в самых престижных научных журналах и представленные на международных конференциях, широко цитируются научной общественностью. Эксперимент Нами предложены и развиты уникальные методы линейной и нелинейной оптической спектроскопии наноструктур: выжигание стабильных спектральных провалов, усиленне поверхностью резонансное комбинационное и гиперкомбинационное рассеяние света в присутствии наночастиц серебра и золота, спектроскопия резонансного двухфотонного возбуждения люминесценции, спектроскопия обычного и аккумулированного фотонного эха, когерентный контроль вторичного свечения, безапертурная ближнепольная оптическая микроскопия. Помимо перечисленных методов, сотрудники лаборатории являются экспертами в области использования традиционных стационарных и нестационарных оптических методов для анализа физических и структурно-химических параметров нанокристаллов различного типа. Теория Теоретики лаборатории владеют современными методами теоретического анализа влияния пространственного ограничения на энергетическую структуру электронных и колебательных возбуждений в нанокристаллах, на взаимодействие квазичастиц между собой и с внутренними и внешними электрическими полями, а также на динамику квантовых переходов в наноструктурах. Ими созданы адекватные модели резонансных оптических явлений в полупроводниковых квантовых точках, включая процессы резонансного рассеяния и люминесценции при одно- и двухфотонном возбуждении, электрон-колебательного взаимодействия и его влияния на параметры электронной и колебательной подсистем и динамику оптических переходов, а также модели взаимодействия излучения с системами квантовых точек, обосновывающие использование методов когерентного контроля и безапертурной ближнепольной сканирующей оптической микроскопии при изучении энергетической структуры и динамики носителей.

Лаборатория «Оптика квантовых наноструктур» - настоящее время

Исследования физических процессов, определяющих оптические свойства точек, были продолжены и после создания лаборатории. В частности, с использованием спектроскопии микрокомбинационного рассеяния было продемонстрировано сильное влияние локальных напряжений и химического состава на параметры фононных и электронных возбуждений в многослойных и однослойных системах Ge/Si квантовых точек, самоорганизованных на поверхности Si. Оказалось, что эти факторы приводят к изменениям параметров электронной зонной структуры и фононных возбуждений, сопоставимым с эффектами пространственного ограничения. Была теоретически проанализирована динамика внутризонных переходов в квантовых точках прямозонных и непрямозонных полупроводников, встроенных в многослойные гетероструктуры. Была развита теория фотофизического выжигания спектральных провалов в неоднородно уширенном контуре поглощения точек в условиях колебательного резонанса и дано теоретическое описание процесса резонансной фотолюминесценции квантовых точек.
В настоящее время основной акцент в работе лаборатории сделан на исследовании физических процессов в полупроводниковых нанокристаллах, выращенных в жидких растворах методом высокотемпературного металлоорганического синтеза (горячей инжекции). Полученные таким образом нанокристаллы (эффективные люминофоры) могут быть использованы в качестве элементарных «строительных блоков» для создания: люминесцентных меток и сверхчувствительных сенсоров, элементов солнечных батарей, элементов информационно-телекоммуникационной фотоники, светодиодных матриц, гибких дисплеев и других элементов «гибкой электроники». В сотрудничестве с исследовательскими группами Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Реймского университета (Франция) и Белорусского государственного университета, проведены работы по модификации синтеза CdSe/ZnS квантовых точек. Разработаны и запатентованы методы модификации их поверхности слоем молекул для получения положительно и отрицательно заряженных водорастворимых нанокристаллов. Проведены работы по созданию люминесцентных маркеров на основе изолированных квантовых точек и полимерных наносфер, с внедренными квантовыми точками, продемонстрированы самоорганизованные структуры нанокристаллов, которые могут применяться при создании элементов солнечных батарей, элементов информационно-телекоммуникационной фотоники, светодиодных и фотодиодных матриц. Основными направлениями научных исследований лаборатории в настоящее являются:

  • Физические процессы, определяющие корреляцию между топологическими и структурно-химическими параметрами полупроводниковых квантовых точек, люминесцирующими в видимом и инфракрасном диапазоне спектра, и их оптическими свойствами.
  • Динамика квантовых переходов в полупроводниковых квантовых точках и их системах: физические основы формирования электронных и фононных энергетических спектров, энергетическая и фазовая релаксация электронной подсистемы квантовых точек и ансамблей квантовых точек.
  • Физика процессов самоорганизации полупроводниковых и диэлектрических наночастиц на фазовых границах раздела сред. Образование упорядоченных одно-, двух- и трехмерных наноструктур с оптическими и электрическими параметрами, необходимыми для создания перспективных элементов и устройств нанофотоники.
  • Процессы образования и фотофизические свойства гибридных наноструктур, содержащих полупроводниковые квантовые точки и органические молекулы, механизмы взаимодействия квантовых точек с органическими молекулами и ионами металлов в матрицах разного типа. Реализация люминесцентных сенсоров на основе гибридных наноструктур.
  • Физические основы создания люминесцентных маркеров с использованием эффективно люминесцирующих квантовых точек в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Научно-исследовательские работы в этих направлениях проводились и ведутся сотрудниками лаборатории в рамках 5 Проектов, поддержанных грантами РФФИ, и 10 Проектов Министерства образования и науки Российской Федерации, а также по контрактам с различными частными и государственными организациями, включая ФГУП Гознак и Государственный Эрмитаж. Часть сотрудников лаборатории являются членами Ведущей научной школы Российской федерации НШ-3398.2008.2. В 2008 году научная школа выиграла грант Президента Российской Федерации на выполнение НИР: «Исследование влияния процессов переноса заряда и энергии в металлических, полупроводниковых и молекулярных наноструктурах на их оптические, энергетические и фотоэлектронные характеристики». Лаборатория в составе ЦИОТ входит в Научно-образовательный центр «Физика наноструктур». В 2009 году НОЦ стал победителем конкурса Федерального агентства по науке и инновациям в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы: «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области физики конденсированных сред, физического материаловедения». По результатам конкурса был заключен государственный контракт сроком на три года на выполнение НИР «Фотоиндуцированный перенос заряда и энергии на поверхности и в объеме конденсированных сред». В настоящее время лаборатория имеет технические возможности для успешного проведения исследований по всем указанным выше направлениям. Имеются кондиционированные и обеспыленные помещения с современным технологическим и аналитическим оборудованием, в том числе и специализированным для проведения оптических исследований наноструктурированных объектов и единичных наноструктур с высоким пространственным разрешением. Следует отметить уникальные исследовательские стенды на основе: - конфокального люминесцентного сканирующего микроспектрометра LSM-710 (Германия); - лазерного сканирующего люминесцентного микроскопа для измерения времен затухания люминесценции MicroTime100 (Германия); - микрорамановского спектрометра inVia Renishaw (Великобритания); - мультимодового зондового сканирующего микроскопа Solver–Р47BIO (Россия); - спектрофотометра Shimadzu UV3600 (170-3300 нм) (Япония); - флуориметра Cary Eclipse (400-900 нм) (США); - многоканального спектрофотометра/флюориметра StellarNet ИК (0.9-1.7 мкм) (США).

Основой кадровой политики лаборатории является привлечение аспирантов и студентов магистратуры Университета для участия в проведении научных исследований с использованием самого современного экспериментального оборудования. В настоящее время под руководством сотрудников лаборатории научные работы выполняют 2 аспиранта и 6 студентов, и мы надеемся, что в ближайшем будущем часть из них войдет в постоянный состав лаборатории.

Для получения опыта студенты имеют возможность участвовать в конкурсе на прохождение летней исследовательской практики в лабораториях Университета Тринити Колледж, Ирландия. В результате, за последние три года 5 студентов, выигравшие конкурс, получили опыт работы с оборудованием, аналогичным нашему, в лабораториях Ирландии и в настоящее время проводят самостоятельные научные исследования. Немаловажным также является то обстоятельство, что за выполнение научной работы аспиранты и студенты получают заработную плату в размере, сравнимом с обычным приработком.