Регистрация / Вход
Прислать материал

Наноструктуры со свойствами управляемой эмиссии на основе флуоресцентных полупроводниковых квантовых точек внедренных в одномерные фотонные кристаллы

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
квантовые точки (кт), одномерные фотонные кристаллы, пористый кремний, холестерические жидкие кристаллы (жк), вынужденная эмиссия, наногибридные структуры, оптическая микроскопия (ом), сканирующая зондовая микроскопия (сзм), ультра-микротомия (умт)

Цель проекта:
Проект посвящен созданию высокоэффективных наноструктур со свойствами управляемой эмиссии на основе одномерных фотонных кристаллов нового поколения, допированных флуоресцентными полупроводниковыми КТ. Фундаментальной задачей проекта является создание, изучение и понимание фотофизических основ функционирования таких структур. Целью проекта является создание новых наногибридных структур с возможностью стимулирования вынужденного излучения флуорофоров (квантовых точек), что может стать основой создания миниатюрных систем генерации лазерного излучения и высокоэффективных устройств отображения, записи и хранения информации нового поколения. Решение задач включает в себя всесторонние исследования формируемых наноструктур, что предполагает использование уникальной инструментальной базы и необходимость кооперации с ведущими зарубежными коллективами, работающими в сходном направлении. Это обусловило необходимость совместного выполнения проекта с научной группой Реймского Универститета, Франция, при котором инструментарий и опыт работы специалистов высокого уровня дополняют друг друга, обусловливая целостность совместного проекта.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения настоящего проекта будут получены следующие результаты:

1. Будут разработаны принципы создания фотонных структур, основанных на жидкокристаллических (ЖК) матрицах с введенными в них флуоресцентными квантовыми точками (КТ). Оптические (флуоресцентные) свойства разработанных функциональных наноструктур будут иметь возможность их управления посредством УФ-облучения и/или электрического поля. Наноструктуры будут обладать высокой светимостью, что подразумевает высокую яркость КТ и создание метода их введения в ЖК матрицу с высокой концентрацией.
В частности, будут:
- разработаны методы приготовления электро- и фотоактивных полимерных ЖК-матриц, допированных фотохромными и хирально-фотохромными соединениями;
- разработаны методы синтеза специализированных модификаторов поверхности КТ, обладающих высоким сродством к материалу ЖК-матрицы;
- разработаны методы внедрения функционализированных КТ в объем ЖК-матрицы с целью достижения максимально возможной гомогенной растворимости нанокристаллов в материале матрицы и образования их упорядоченных структур;
- разработаны методы характеризации объемной морфологии гибридных материалов типа ЖК-матрица/КТ и их оптических свойств. Разрабатываемая методика позволит анализировать поляризационно-оптические изображения и спектральные параметры возбуждения и испускания флуоресценции в исследуемых системах, а также определять оптимальные параметры допирования ЖК-матриц флуоресцентными КТ для создания эффективных фотонных структур.

2. Будут разработаны принципы создания высокоэффективных фотонных структур на основе микрорезонаторов на базе пористого кремния, допированного флуоресцентными КТ, а также исследовано влияние типа поверхностных лигандов КТ, морфологии и параметров отжига фотонных структур на эффективность внедрения нанокристаллов в объем наноструктурировнного пористого кремния.
В частности, по этому направлению будут:
- разработаны методы изготовления одномерных фотонных кристаллов на базе пористого кремния типа Береговских зеркал и микрорезонаторов с различным положением запрещенной фотонной зоны;
- разработаны методы внедрения КТ в объем ПК матрицы с целью достижения максимально однородного распределения КТ и спектром люминесценции с шириной на полувысоте не более 10 нм
- разработаны методы характеризации объемной морфологии гибридных материалов типа ПК/КТ.

3. Будет разработана методика исследования поведения КТ в фотонных структурах обоих типов при высоких интенсивностях оптического возбуждения.
Для этого будут:
- изготовлен стенда для исследования люминесцентных свойств и поведения фотонных структур при высоких уровнях оптического возбуждения до 107 Вт/см2
- характеризована фотолюминесценции КТ в фотонных структурах обоих типов под действием мощного импульсного лазерного излучения нано-, пико- и фемтосекундной длительности;
- определены оптимальные параметры модуляции спонтанной эмиссии и стимулирования вынужденного излучения КТ в фотонных структурах обоих типов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Многофункциональные жидкокристаллические (ЖК) полимеры и их композиции с жидкими кристаллами в последнее время привлекают особый интерес в индустриальной сфере, поскольку такие системы способны кардинально изменять свою структуру и свойства под действием внешних полей и различного рода воздействий, таких как электромагнитное излучение, магнитное или электрическое поле, механическое воздействие, нагрев. Указанные обстоятельства делают особенно привлекательным использование подобных ЖК-структур в качестве несущей матрицы для разработки оптических элементов отображения информации. Использование в качестве излучающих допантов люминофоров нового поколения, полупроводниковых квантовых точек позволит создавать высокоэффективные стабильные излучающие фотонные системы с управляемыми свойствами. В результате выполнения данного проекта будет разработан экспериментальный подход к созданию высокоэффективных фотонных структур со свойствами управляемой эмиссии на основе электро- и фотоуправляемых ЖК композитов, содержащих фотохромные и хирально-фотохромные соединения, допированных флуоресцентными полупроводниковыми КТ. Данные фотонные наноструктуры предназначены прежде всего для использования в качестве эмиттеров в дисплейных технологиях, что связано с их высокой квантовой эффективностью, яркостью, узкой полосой испускания, и возможностью перестройки цвета. Указанные свойства систем ЖК/КТ делают их привлекательными для создания дисплеев больших площадей, мобильных телефонов и цифровых камер. Кроме того, на основе систем ЖК/КТ могут быть разработаны принципиально новые криптографические системы для скрытого мечения различных объектов (ценные бумаги, денежные знаки, предметы искусства). Скрытность и возможность кодированного мечения также открывает новые перспективы в применении новых материалов и потенциальную возможность коммерциализации нового материала. Кроме того, разрабатываемые фотонные структуры ЖК/КТ могут быть использованы как однофотонные источники для фотоники, оптоэлектроники и для развития нанофотонных систем, способных к низко пороговой генерации.
Принцип действия второго типа наноструктур, разрабатываемых в рамках данной работы, основан на изменении показателя преломления внутри или на поверхности пористой структуры, что впоследствии приводит к сдвигу спектра отражения и изменению спектра люминесценции внедренного люминофора (КТ). Такая схема может быть реализована в задачах детектирования веществ в газовой фазе. Системы на основе одномерных фотонных кристаллов ПК/ЖК могут найти широкое применение в биомедицинских приложениях благодаря биологической инертности кремния. Биосенсоры на основе фотонных кристаллов из кремния обладают достаточно высокой чувствительностью и возможностью селективного обнаружения веществ за счет функционализации поверхности кремния.
В долгосрочной перспективе, развитие сенсорных технологий с использованием одномерных фотонных кристаллов позволит создать портативный высокочувствительный флуоресцентный сенсор, представляющий собой планшет с фотонным одномерным фотонным кристаллом в каждой лунке, в котором будет происходить анализ. Данная система будет обладать значительно более высокой чувствительностью вследствие усиления сигнала флуорофора на определенной длине волны и направленности его излучения.
Разработка оригинальна. Научная коллаборация Российского и Французского коллективов является мировым лидером в этой области. Ожидаемые результаты содержат технологический потенциал, способный обеспечить скачек в развитии новых нанокомпозитных функционализованных материалов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные в рамках выполнения настоящего проекта научно-технические результаты в области создания фотонных наноструктур ПК/КТ могут быть использованы в задачах создания современных оптоэлектронных и сенсорных приборов. В частности устройства на основе пористого кремния могут быть использованы в рамках биомедицинских приложений как в качестве законченного сенсорного элемента, так и в качестве отдельного элемента сложных измерительных приборов и комплексов. Таким образом, потребителями результатов данной проекта могут являться научные и индустриальные организации, работающие в области создания современных высокоэффективных дисплейных технологий, средств защиты ценных бумаг, нанофотоники и наноэлектроники, сенсоров и аналитического оборудования, современного биологического приборостроения, а также организации, работающие в области исследования свойств и контроля качества широкого класса функционализированных нанокомпозитных материалов.
Взаимный интерес к реализации результатов проекта со стороны Российских и Французских участников позволит быстрее продвинуть разработанные структуры, как в Европе, так и в России, что важно как с точки зрения быстейшего внедрения результатов, так и с точки зрения развития научно-технического комплекса России по приоритетным направлениям.


Текущие результаты проекта:
В результате выполнения проекта в 2015 году:
(1) Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы. Проанализированы современные тенденции создания функционализированных нанокомпозитных материалов. Подтверждена правильность концепции проекта.
(2). Проведены патентные исследований в результате которых показана оригинальность разрабатываемых продуктов интеллектуальной собственности.
(3) Синтезированы специализированные модификаторы поверхности КТ, обладающие высоким сродством к материалу ЖК-матрицы
4-фенилфениловый эфир 4-(6-меркаптогексилокси)бензойной кислоты (БФБ-6) и
п-(ω-меркаптоундеканокси)-бензойной кислоты п-фенил-фениловый эфир (БФБ-11).
Синтезировано по 100 мг соединений. Разработана методика замещения исходного сурфактанта (триоктилфосфин оксид) КТ синтезированными соединениями, обеспечивающими повышение растворимости КТ в ЖК матрице.
(4) Методом электрохимического травления изготовлены микрорезонаторы на основе ПК с различным положением фотонной запрещенной зоны. Микрорезонаторы характеризованы методами оптической спектроскопии. Структурно изготовленные МР состоят из двух брэгговских зеркал, образованных чередованием слоев высокой и низкой пористости, межу которыми расположен специальный дефектный слой удвоенной толщины (полость МР). Варьирование положения запрещенной фотонной зоны и собственной моды МР осуществлялось за счет изменения толщины пористых слоев, образующих брэгговские зеркала, и полость МР. Положение максимума запрещенной фотонной зоны МР находилось в диапазоне 450-700 нм.
(5) Методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) охарактеризованы микрорезонаторы на основе пористого кремния.
Полученные СЭМ-изображения поверхности и скола образцов МР показали, что типичный размер пор МР находится в диапазоне 10-100 нм, толщина отдельный слоев пористого кремния, образующих структуру МР, составляет ~100 нм, а сами слои имеют высокую однородность.
(6) Разработана процедура контроля поверхностной модификации КТ и оценки степени замещения с использованием ИК-спектроскопии путем сопоставления сигналов алифатических и ароматических групп сурафактанта и замещающих соединений. Охарактеризованы образцы КТ, модифицированные соединениями БФБ-6 и БФБ-11.