ru en

Источники излучения ближнего ИК диапазона на основе полупроводниковых квантовых нанопластин

  • Дата начала : 18 мая 2022 г.
  • Дата окончания : 31 декабря 2023 г.
  • Руководитель : Федоров Анатолий Валентинович

Проект №19-13-00332-П Российского научного фонда.

Руководитель проекта: проф. А.В. Федоров

 

Проект посвящен решению следующих новых задач:

- Разработка методик синтеза двумерных полупроводниковых гетероструктур ближнего ИК диапазона c оптимизированными морфологическими, структурными и оптическими параметрами на основе нанопластин халькогенидов свинца.

- Теоретическое исследование энергетической релаксации и оптических откликов в полупроводниковых двумерных квантовых гетероструктурах с пассивированной перовскитом поверхностью.

- Исследование химического состава, структуры и морфологии полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур ближнего ИК диапазона c оптимизированными параметрами.

- Исследование оптических откликов и энергетического спектра полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур c оптимизированными параметрами.

- Проведение направленного инжиниринга поверхности полученных двумерных гетероструктур неорганическим перовскитом CsPbI3 для увеличения квантового выхода фотолюминесценции.

- Установление закономерностей динамики носителей заряда, включая процессы релаксации и транспорта, в полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктурах с пассивированной перовскитом поверхностью.

- Изготовление светоизлучающих структур на основе полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур с пассивированной перовскитом поверхностью.

- Определение ключевых операционных параметров полученных светоизлучающих структур на основе полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур с пассивированной перовскитом поверхностью.

2022 год

В соответствии с планом работ на первом этапе выполнения проекта были получены следующие основные результаты:

1.1. Методики синтеза двумерных полупроводниковых гетероструктур ближнего ИК диапазона c оптимизированными морфологическими, структурными и оптическими параметрами на основе нанопластин халькогенидов свинца.

- Были развиты новые и модифицированы существующие методики получения двумерных гетероструктур с оптимизированными параметрами на основе халькогенидов свинца: методика получения гетероструктуры CdSe/CdS ядро/оболочка (основа для катионного обмена); методика получения гетероструктуры CdSe/CdS ядро/крылья (основа для катионного обмена); методика катионного обмена Cd на Pb в гетероструктурах CdSe/CdS ядро/оболочка; методика катионного обмена Cd на Pb в гетероструктурах CdSe/CdS ядро/крылья.

- Лабораторные образцы гетероструктур типа ядро/оболочка и ядро/крылья c оптимизированными морфологическими, структурными и оптическими параметрами на основе халькогенидов свинца с оптическими переходами в ближней ИК области спектра методом горячего впрыска и последующего катионного обмена. Методом горячего впрыска были изготовлены лабораторные образцы гетероструктур CdSe/CdS ядро/оболочка и CdSe/CdS ядро/крылья. Методом катионного обмена Cd на Pb были изготовлены лабораторные образцы гетероструктур PbSe/PbS ядро/оболочка и PbSe/PbS ядро/крылья. 

- Перечень условий (метод синтеза, состав и молярное соотношение реактивов, температура и время реакции) для получения двумерных гетероструктур типа ядро/оболочка и ядро/ корона c оптимизированными морфологическими, структурными и оптическими параметрами, фотолюминесценция которых находится в ближнем ИК диапазоне (1000-1600 нм). Был сформулирован перечень условий для получения гетероструктур PbSe/PbS ядро/оболочка и PbSe/PbS ядро/крылья c оптимизированными параметрами.

- Лабораторные образцы тонких пленок из полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур ближнего ИК диапазона c оптимизированными морфологическими, структурными и оптическими параметрами. Методами вытягивания из раствора, центрифугирования, самоорганизации на границе раздела фаз (метод Ленгмюра-Блоджетт) и осаждения из смешанных растворов (разработан нами на этом этапе выполнения проекта) были изготовлены образцы тонких пленок из гетероструктур PbSe/PbS ядро/оболочка и PbSe/PbS ядро/крылья c оптимизированными параметрами.

- Особенности формирования тонких пленок, полученных различными методами: центрифугированием из раствора, самоорганизацией на границе раздела фаз и вытягиванием из коллоидного раствора. Установлено, что метод вытягивания из раствора является наиболее оптимальным для получения сверхтонких пленок (толщина в несколько монослоев) из гетероструктур PbSe/PbS ядро/оболочка и PbSe/PbS ядро/крылья, а метод центрифугирования из раствора дает хорошие результаты при изготовлении более толстых пленок (80 – 100 нм).

- Результаты анализа методов замены лигандной оболочки в тонких пленках полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур c морфологическими, структурными и оптическими параметрами. В тонких пленках гетероструктур PbSe/PbS ядро/оболочка и PbSe/PbS ядро/крылья была выполнена замена исходных лигандов на меркаптопропионовую кислоту и 1,2-этандитиол. Установлено, что такая замена позволяет получить более однородные пленки.

1.2. Теоретические модели энергетической релаксации и оптических откликов в полупроводниковых двумерных квантовых гетероструктурах с пассивированной перовскитом поверхностью.

- Результаты сравнительного анализа основных механизмов релаксации энергии, включая электрон-фононный и электрон-электронный механизмы, в полупроводниковых многослойных двумерных квантовых гетероструктурах. Поиск информации в базе данных Scopus о механизмах релаксации энергии в полупроводниковых многослойных двумерных квантовых гетероструктурах показал, что такая информация практически отсутствует. Однако, очевидно, что все релаксационные механизмы, характерные для других твердотельных наноструктур, должны проявляться и в многослойных гетероструктурах. В связи с этим был сделан краткий обзор наиболее важных механизмов релаксации энергии в наноструктурах.

- Для последующего моделирования релаксационных процессов и оптических откликов были развиты две модели энергетического спектра и волновых функций многослойных гетероструктур на основе квантовых нанопластин: модель независимых нанопластин (МНН) и модель связанных нанопластин (МСН).

- Теоретические модели релаксационных процессов в двумерных многослойных квантовых гетероструктурах. В рамках МНН было проведено моделирование внутризонной энергетической релаксации при радиационных переходах для гетероструктуры ядро/оболочка с произвольным числом, образующих ее нанопластин.

- Теоретические модели оптических откликов (спектры поглощения и люминесценции, кинетика люминесценции) в двумерных многослойных квантовых гетероструктурах. В рамках МНН было проведено моделирование спектров поглощения и люминесценции, а также кинетики люминесценции гетероструктуры ядро/оболочка с произвольным числом, образующих ее нанопластин. В рамках МСН было проведено моделирование внутризонного поглощения света для трехслойной гетероструктуры ядро/оболочка.

- При выполнении первого этапа проекта в соавторстве с исследователями из Турции и Австралии было проведено теоретическое моделирование метаповерхности для направленного переноса энергии в среднем ИК-диапазоне. Исполнителем проекта И.Д. Рухленко был аналитически и численно рассчитан, а также проанализирован закон дисперсии поверхностных фононных поляритонов в плоскопараллельной двумерной гибридной структуре α-MoO3-SiC.

1.3. Параметры геометрии и морфологии синтезированных полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур c оптимизированными параметрами.

- Результаты исследования морфологии, кристаллической структуры и химического состава полученных полупроводниковых двумерных гетероструктур c оптимизированными морфологическими, структурными и оптическими параметрами, выполненного методами электронной и атомно-силовой микроскопии и рамановской спектроскопии. Были проведены исследования гетероструктур PbSe/PbS ядро/оболочка и PbSe/PbS ядро/крылья. Кроме того, методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии был проведен анализ пленок из этих гетероструктур на кремниевых подложках.

1.4. Закономерности изменения оптических откликов и энергетической структуры полупроводниковых двумерных квантовых гетероструктур c оптимизированными параметрами в зависимости от химического состава и геометрических параметров.

- Результаты исследования оптических откликов и энергетического спектра полупроводниковых квантовых двумерных гетероструктур c оптимизированными параметрами, включая спектральные и кинетические параметры фотолюминесценции, квантовый выход, времена затухания фотолюминесценции, ширины полос фотолюминесценции и их температурного сдвига, полученные методами абсорбционной и фотолюминесцентной спектроскопии.

1.5. Исследование оптических свойств нанопластин CsPbBr3, легированных ионами Cd2+

Исследованы оптические свойства нанопластин со структурой перовскита химического состава Сd2+:CsPbBr3. Продемонстрированно, что в зависимости от выбора прекурсора ионов Сd2+ и используемых лигандов можно легировать нанопластины CsPbBr3 и/или пассивировать их поверхность. Такая модификация нанопластин приводит к сдвигу полос поглощения и ФЛ, изменению КВ ФЛ, динамики ФЛ и эффективности ФЛ при двухфотонном возбуждением.

1.6. Исследование оптических свойств и фотопроводимости нанопластин HgTe

- Исследована фотопроводимость полупроводниковых нанопластин HgTe с лигандами 1,2-этандитиола и тетрабутиламмония йодида. Показано, что выбор лигандов является ключевым фактором для достижения высокой чувствительности.

- Предложен новый наноматериал для ближней инфракрасной области спектра, который представляет собой нанопластины HgTe:Pb.  Новый материал исследован методами оптической спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии.

- Исследована фотопроводимость тонких пленок из нанопластин HgTe:Pb. Показано, что легирование нанопластинок HgTe свинцом приводит к существенному увеличению проводимости пленок.

 

Публикации в журналах, индексируемых в Web of Sciense и Scopus:

I.D. Skurlov, A.V. Sokolova, D.A. Tatarinov, P.S. Parfenov, D.A. Kurshanov, A.O. Ismagilov, A.V. Koroleva, D.V. Danilov, E.V. Zhizhin, S.V. Mikushev, A.N. Tcypkin, A.V. Fedorov, A.P. Litvin, Engineering the Optical Properties of CsPbBr3 Nanoplatelets through Cd2+ Doping // Materials – 2022 15, 7676. https://doi.org/10.3390/ma15217676. IF 3.748, Q1.

A.V. Sokolova, I.D. Skurlov, A.A. Babaev, P.S. Perfenov, M.A. Miropoltsev, D.V. Danilov, M.A. Baranov, I.E. Kolesnikov, A.V. Koroleva, E.V. Zhizhin, A.P. Litvin, A.V. Fedorov, S.A. Cherevkov, Near-Infrared Emission of HgTe Nanoplatelets Tuned by Pb-Doping // Nanomaterials – 2022 12, 4198. https://doi.org/10.3390/nano12234198. IF 5.719, Q1.

V. Ercaglar, H. Hajian, I.D. Rukhlenko, E. Ozbay, a-MoO3–SiC metasurface for mid-IR directional propagation of phonon polaritons and passive daytime radiative cooling // Applied Physics Letters – 2022 121, 182201. https://doi.org/10.1063/5.0128110. IF 3.971, Q1.

П.С. Парфенов, Я.В. Гриневич, А.В. Соколова, А.А. Бабаев, И.Д. Скурлов, С.А. Черевков, И.Е. Колесников, А.П. Литвин, Влияние лигандов на фотопроводимость нанопластин HgTe // Оптика и спектроскопия – 2022 130, 1755. https://doi.org/10.21883/OS.2022.11.53785.3871-22. IF 0.891.   

Отдельная ссылка: https://nanostructures.ifmo.ru/ru/87819/page/22023/

Информация © 2015-2024 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий