Лазерный мир

Международная группа, сформированная из ученых России, Германии и Франции провела полноценное исследование на стыке материаловедения и фотоники. Научная работа посвящена изучению гибридной наноструктуры, представляющей из себя плазмонную золотую губку (Au), поры который заполнены кристаллическим кремнием (Si). Особенность этого материала заключается в том, что наноструктуры при возбуждении лазером генерирует за счет многофотонного процесса широкополосное излучение, которое перекрывает видимый диапазон спектра и частично ближний ИК диапазон. Использоваться гибридная наноструктура может в широкополосной ближнепольной микроскопии. Результаты исследования и перспективы применения опубликованы в журнале Nanoscale.

Plasmonic nanosponges filled with silicon for enhanced white light emission† Plasmonic nanosponges are a powerful platform for various nanophotonic applications owing to extremely high local field enhancement in metallic nanopores. The filling of the nanopores with high-refractive index semiconductors (e.g. Si, Ge, GaP, etc.) opens up opportunities for the enhancement of nonlinear effects in these materials. However, this task remains challenging due to the lack of knowledge on the integration process of metal and high-index semiconductor components in such nanoobjects. Here, we investigate metal-dielectric nanoparticles fabricated from bilayer Si/Au films by the laser printing technique via a combination of theoretical and experimental methods. We reveal that these hybrid nanoparticles represent the Au sponge-like nanostructure filled with Si nanocrystallites. We also demonstrate that the Au net provides strong near-field enhancement in the Si grains increasing the white light photoluminescence in the hybrid nanostructures compared to uniform Si nanoparticles. These results pave the way for engineering the internal structure of the sponge-like hybrid nanoparticles possessing white light luminescence and control of their optical properties on demand. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/c9nr08952g/unauth#!divAbstract

Плазмонные наногубки являются мощной платформой для различных нанофотонных применений благодаря усилению локального поля в металлических нанопорах. Заполнение нанопор полупроводниками с высоким показателем преломления (например, Si, Ge, GaP и т. д.) открывает возможности для наращивания нелинейных эффектов в этих материалах. Однако эта задача остается сложной из-за отсутствия знаний о процессе интеграции металлических и высокоиндексных полупроводниковых компонентов в такие нанообъекты.

Ученые исследовали метал-диэлектрические наноструктуры, изготовленные методом лазерной абляции двухслойных пленок Si / Au. За счет комбинации теоретических и экспериментальных методов они отметили, что данные гибридные наноструктуры представляют собой губчатую золотую наночастицу, заполненную кристаллическими зернами кремния. Также они выявили, что золотая наногубка обеспечивает усиление ближнего поля в зернах кремния, увеличивая фотолюминесценцию в гибридных наноструктурах по сравнению с объемным кристаллом кремния.

Расчетная структура наночастиц Si / Au с различными концентрациями, диаметрами и скоростями охлаждения золота. Источник: pubs.rsc.org

Эти результаты открывают путь для создания внутренней структуры губчатых гибридных наночастиц, обладающих люминесценцией белого света, и контроля их оптических свойств по требованию.

«Работу над этим проектом начал доктор физико-математических наук Сергей Макаров. Он с командой сделал синтез наноструктуры и отметил, что источником излучения в ней является кремний. Хотя это не прямозонный полупроводник и у него оптические переходы очень несущественные, их квантовая эффективность порядка 10-5, а в данной структуре кремний начинает излучать, и его квантовая эффективность увеличивается на несколько порядков — до 0.1%. Моя часть работы заключалась в том, что я дополнительно проводил измерения нелинейных оптических свойств структуры при предельных мощностях возбуждения, делал численное моделирование для того, чтобы показать, почему данная структура может усиливать излучение на большом диапазоне длины волн, почему мы можем использовать разную длину накачки излучения и как это связано с резонансными свойствами структуры. Коллеги же сделали симуляцию того, как атомы кремния и золота будут распределяться в наномасштабном объеме с разной вариацией степени охлаждения, а также подготовили для нас снимки с пропускного электронного микроскопа, то есть показали реальное изображение наших наноструктур в сечении», — рассказал один из авторов научной статьи, аспирант Университета ИТМО Артем Ларин.

Артём Ларин
Он также добавил, что в перспективе он собирается отправиться в Университет Лотарингии (г. Нанси, Франция) для продолжения исследований, чтобы узнать, как эта структура будет изменяться с точки зрения геометрии при термическом отжиге.

Полученные гибридные наночастицы могут применяться в широкополосной ближнепольной микроскопии. Актуальность исследований подтверждается тем, что в настоящее время широкополосная ближнепольная микроскопия существует, но для нее нужно каждый раз сначала возбуждать излучение в ближнем поле, а потом детектировать его в дальнем поле. Таким образом, с имеющимися подходами ученые могут работать только в очень узком диапазоне длины волны возбуждения, а для того, чтобы ее изменить, им приходится перебирать всю установку. Гибридная наноструктура позволит отказаться от этого и одновременно работать на разных длинах волн. Это может позволить сократить затраты на оборудование и сэкономит время исследователей.

Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/9103/