29.03.2022
Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами из других вузов
и научных институтов изучили оптические свойства двумерных соединений серы с
платиной и оловом. Исследованные материалы имеют высокий показатель
преломления, который позволяет создавать на их основе ультратонкие линзы,
биосенсоры, транзисторы, фотодетекторы и сверхчувствительные приемники, а
гигантская анизотропия соединений платины — преодолеть дифракционный предел.
Работы опубликованы в журнале Nanomaterials (1 и 2).
Эра двумерных материалов началась с исследований стабильного графена в 2004
году выпускниками Физтеха Андреем Геймом и Константином Новосёловым. С тех пор
было открыто более 5000 двумерных соединений, свойства многих из них до сих пор
не изучены.
Одним из перспективных классов монослойных соединений, применяющихся в
оптических устройствах, являются дихалькогениды переходных металлов, химическая
формула — MX 2 (М — металл и Х — халькоген: сера, селен или теллур). Благодаря их
уникальным оптическим и электронным свойствам: гигантской анизотропии, высокому
показателю преломления, высокой мобильности носителей заряда, связанным
экситонам — они произвели революцию в оптоэлектронике. Сейчас дихалькогениды
переходных металлов используются в фотодетекторах, полевых транзисторах, линзах
и т. д. Наиболее известными материалами в этой группе являются соединения с
молибденом и вольфрамом, однако они имеют относительно низкую стабильность в
нормальных условиях, а их область применимости ограничена видимым диапазоном
света.
Физики из МФТИ изучили две группы дихалькогенидов: соединения с платиной (PtS 2 ,
PtSe 2 ) и оловом (SnS 2 , SnSe 2 ). Эти материалы выделяются широко настраиваемой
полосой пропускания (от видимого до ИК-диапазона), высоким показателем
преломления и механической стабильностью.
Для исследования использовались атомарно тонкие образцы порядка 5 нм (10 слоев).
Наибольший практический интерес для нанофотоники представляют оптические
константы: показатель преломления n, отвечающий за распространение света, и
показатель поглощения света k. Константы определялись методом
спектроскопической эллипсометрии (оптический метод, основанный на изменении
поляризации света при взаимодействии с образцом) в широком диапазоне частот от
ультрафиолетовых до средних инфракрасных длин волн (от 245 до 3300 нм).
Ученые выяснили, что для соединений с платиной PtS 2 и PtSe 2 характерен высокий
показатель преломления (n ~ 4) и ненулевой показатель поглощения (k > 0) на всем
диапазоне исследуемых частот. Материалы с такими характеристиками требуются для
фотодетекторов.
Дополнительные квантовомеханические расчеты показали согласие с экспериментом.
Более того: для платиновых дихалькогенидов теория предсказала гигантскую
оптическую анизотропию (если светить на кристалл с разных сторон, то свет будет
отражаться по-разному). Гигантская анизотропия позволяет «сжимать» в несколько
раз длину волны света (и даже преодолеть дифракционный предел), что существенно
увеличивает разрешающую способность приборов. Работа 2021 года этой же группы
ученых, посвященная гигантской анизотропии дихалькогенидов, была опубликована в
Nature Communications.
Для проверки потенциальной применимости пленки PtS 2 и PtSe 2 использовали в
качестве функционального слоя в специальном биосенсоре, работающем на явлении
поверхностного плазмонного резонанса. Это явление возникает при взаимодействии
фотонов со свободными электронами в металле. Если на поверхность металла
поместить биомолекулы, резонанс сдвигается, так что появляется возможность
определить концентрацию исследуемых биомолекул. После добавления PtS 2 и PtSe 2
чувствительность биосенсора увеличилась на 60% и 30% соответственно. Рост
чувствительности происходит благодаря высокому показателю поглощения,
позволяющему «собрать» свет, и наличию поглощения света, «убирающего шумы».
Подобные биосенсоры активно применяются в фармакологии.
В том же диапазоне от ультрафиолетовых до средних инфракрасных длин волн
ученые определили оптические константы SnS 2 и SnSe 2. Соединения с оловом имеют
чуть меньший показатель преломления, чем платиновые: порядка 3, но при этом их
показатель поглощения света на большей части исследуемого спектра — нулевой, что
позволяет их использовать для изготовления плоских линз. По своим характеристикам
SnS 2 оказался между классическими материалами, использующимися в оптике
видимого диапазона, Si, GaP и TiO 2 . При этом SnS 2 имеет показатель преломления
выше, чем у TiO 2 , и прозрачен в большем диапазоне, чем Si и GaP.
Перспективы использования дихалькогенидов в нанофотонике прокомментировал
первый автор работ, сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств
МФТИ Георгий Ермолаев:
«В мире известно около 5000 двумерных материалов. Получается так, что новые атомарно тонкие материалы сначала используются в различных оптических девайсах, а уже потом исследуются свойства этих соединений. Мы исследовали оптические свойства дихалькогенидов платины и олова в широком диапазоне частот. Для платиновых соединений мы обнаружили, что они хорошо поглощают свет, а значит, подходят для задач приема, собирания света и детектирования. Соединения олова имеют высокий показатель преломления, но не поглощают. На их основе можно делать оптические элементы, которые не теряют свет, например плоские линзы. SnS 2 имеет высокий показатель преломления в видимом диапазоне света, таких материалов известно мало. Сейчас мы набираем базу двумерных материалов, в частности, дихалькогенидов, исследуем их свойства, чтобы затем использовать машинное обучение и уже автоматически искать соединения с желаемыми характеристиками. Например, это поможет найти материал с самой большой анизотропией».
В работе, кроме сотрудников Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ,
принимали участие ученые из НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, Университета
Минуфия ( Египет), МГУ им. М. В. Ломоносова, МИФИ и Инновационного центра
Сколково.
Пресс-служба МФТИ
Нет комментариев