Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0042

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0042
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Название доклада
Наноструктуры со свойствами управляемой эмиссии на основе флуоресцентных полупроводниковых квантовых точек внедренных в одномерные фотонные кристаллы
Докладчик
Олейников Владимир Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект посвящен созданию высокоэффективных наноструктур со свойствами управляемой эмиссии на основе одномерных фотонных кристаллов, допированных флуоресцентными полупроводниковыми квантовыми точками (КТ). Возможность управления оптическими свойствами фотонных кристаллов является актуальной практической задачей. В качестве одномерных фотонных кристаллов (несущих матриц) должны быть использованы фотоактивные жидкокристаллические (ЖК)-композиты, содержащие фотохромные и хирально-фотохромные соединения, и пористый кремний (ПК). Целью настоящего этапа проекта являлся синтез фотонных структур ЖК/КТ на основе фотоуправляемых и электроуправляемых ЖК матриц, оптимизация структур одномерных фотонных кристаллов, исследование параметров люминесценции КТ в ПК-микрорезонаторах.
Таким образом, были решены следующие задачи:
- разработана методика и произведен синтез высокоэффективных одномерных фотонных кристаллов с контролируемыми оптическими свойствами на основе фотоуправляемых и электроуправляемых полимерных холестерических ЖК-матриц допированных флуоресцентными КТ;
- оптимизированы структуры одномерных фотонных кристаллов с контролируемыми оптическими свойствами и микрорезонаторов с целью получения добротности не ниже 100;
- разработана методика внедрения КТ в ПК микрорезонаторы и определены параметры люминесценкии КТ в микрорезонаторах;
Кроме того, иностранным партнером был выполнен ряд задач по характеризации микрорезонаторов с различным количеством флуоресцентных КТ, микрорезонаторов до и после окисления, изучено фазовое поведения и оптические свойства ЖК-смесей.
Актуальность и новизна исследования
Возможность управления оптическими свойствами флуорофоров, находящихся в составе наногибридных структур открывает перспективы создания новых технологий записи/хранения информации, детектирования следовых количеств вещества и создания миниатюрных систем генерации лазерного излучения. Контроль геометрических параметров фотонных структур и показателя преломления среды позволяет создавать системы с заданными оптическими характеристиками. Применяемые в наших разработках фотоактивные полимерные ЖК-матрицы сочетают в себе способность к самоорганизации и фотохромизм. Кроме того, внедрение в электро- и фотоуправляемые ЖК-матрицы флуоресцентных КТ позволяет создавать материалы, в которых интенсивность и поляризация эмиссии флуоресценции может управляться светом или электрическим полем. Разработки с применением пористого кремния (ПК) обусловлена его уникальными оптическими и фотофизическими свойствами, такими как большая удельная поверхность и его биологическая инертность, что определяет интерес к системам на его основе в области создания оптических сенсоров и биомедицинских приложений. Одной из наиболее важных фундаментальных задач, решение которой возможно с использованием фотонных структур является определение условий для усиления спонтанной эмиссии люминофоров. Результаты, полученные при проведении таких исследований, могут послужить основой для дальнейших разработок миниатюрных систем генерации лазерного излучения нового поколения.
Описание исследования

В ходе проекта была разработана методика синтеза одномерных фотонных кристаллов с фотоуправляемыми оптическими свойствами. Данная методика предназначена для создания и допирования холестерических ЖК-матриц флуоресцентными КТ, модифицированными синтезированными нами сурфактантами ДФТ-6 и ДФТ-11. В основе ЖК-матриц использовались хиральные и фотохромные полимеры. В результате применения методки были получены планарные структуры фотонных кристаллов, подвергнутых далее УФ облучению.

В области получения и оптимизации структур микрорезонаторов были подобраны параметры электро-химического травления. В число возможных изменяемых параметров входят: принципиальная структура микрорезонатора (количество слоев в переднем и заднем брэгговском зеркале структуры и их отношение), токи и времена травления. Подбор данных параметров является сложной многопараметрической задачей, для решения которой должен быть применен метод расчета фотонных структур. Принципиальной задачей в данном случае является решение уравнений Максвелла в области фотонного кристалла для получения распределения электро-магнитных волн в фотонном кристалле и последующего построения спектров отражения и пропускания фотонной структуры. Далее исходя из проведенных расчетов производилось изготовление фотонных кристаллов на основе пористого кремния методом электро-химического травления, а также проводилась их характеризация методом оптической спектроскопии. В результате были рассчитаны и изготовлены фотонные кристаллы, содержащие разное количество слоев переднего и заднего зеркала, разную оптическую толщину слоев и проведена оптимизация структуры.

Структура образцов микрорезоанторов, имеющих оптимизированную структуру, была исследована научной группой иностранного партнера при использовании оборудования Европейской технологической платформы «Полупроводниковые нанокристаллы» Университета города Реймса Шампань – Арденн (Реймс, Франция) с помощью сканирующего электронного микроскопа фирмы Carl Zeiss. Для контроля состояния поверхности проводилось изучение структуры методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (Carl Zeiss), а также ИК-Фурье спектроскопии. Для контроля химического состояния поверхности пористого кремния до и после окисления проводились измерения образцов на ИК-Фурье спектрометре. Образцы микрорезонаторов были изготовлены из высоколегированного кремния p-типа, в котором присутствует большое количество свободных носителей заряда. В результате пропускание таких образцов равно нулю в ИК области и измерение ИК спектров пропускания классическим методом исследования становится невозможным. В таком случае применялось измерение ИК спектров отражения.

Помимо исследовани микрорезоанторов была проведена характеризация фазового поведения предварительно подготовленных ЖК-смесей для создания ЖК-матриц с широким набором различных свойств, таких как изменение полосы селективного отражения света за счет УФ облучения и повышения афинности матрицы к вводимым допантам. Фазовые переходы всех полимеров были охарактеризованы методами поляризационно-оптической микроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии. Образцы ЖК-матриц, допированные флуоресцентными КТ и подвергнутые различным временам УФ-облучения (10 с, 30, 1 мин, 2 мин, 4 мин, 10 мин) были охарактеризованы по оптическим свойствам: поляризационные свойства флуоресцентных нанокристаллов включенных в ЖК-матрицы, зависимость в фактора диссимметрии флуоресценции КТ в ЖК-матрице от времени УФ-облучения, зависимость максимума селективного отражения ЖК-матрицы и положения максимума фактора диссимметрии флуоресценции от длительности УФ-облучения.

Результаты исследования

В ходе данного этапа проекта была разработана методика создания и допирования фотоуправляемых холестерических ЖК-матриц флуоресцентными КТ, модифицированными синтезированными на предыдущем этапе сурфактантами ДФТ-6 и ДФТ-11. Для достижения возможности фотоуправления применялись различные допанты: хиральные, фотохромные, хирально-фтохромные, для которых возможно фотоуправляемое изменение селективного отражения. Пик селективного отражения данной матрицы составляет 450 нм для L-циркулярно поляризованного света. Фотохромный допант приводит к существенному изменению максимума пика селективного отражения до 590 нм. ЖК-матрицы, допированные КТ, обладали отличными параметрами пороговых температур по сравнению с недопированными циклосилоксановыми матрицами. Так, температура просветления изменилась на 10 °С и составила значения 171 (±1)°С, по сравнению с 181 (±1) °С без КТ.

Для оптимизации структур микрорезонаторов были подобраны параметры электро-химического травления. Были рассчитаны и изготовлены фотонные кристаллы, содержащие разное количество слоев переднего и заднего зеркала, разную оптическую толщину слоев и проведена оптимизация структуры. Ширина собственной моды микрорезонатора составляла порядка 4 нм, соответствующие значения добротности ~160, с коэффициентом отражения >95%, максимум отражения находится в районе 590 нм. Структура образцов микрорезоанторов была исследована иностранным партнеров. Отмечена высокая однородность поверхности, несмотря на большое время травления (~10 мин.) не произошло разрушения поверхности структуры. Исследуемые образцы микрорезонаторов имели различное количество слоев переднего и заднего зеркал: количество слоев заднего зеркала превышало количество слоев в переднем в 4 раза. При этом параметры слоев – размеры пор и толщины – оставались неизменными. В случае окисленного кремния толщина стенок пор незначительно увеличилась, что, однако, не привело к закрытию пор и разрушению структуры. На спектрах образцов микрорезонаторов до окисления присутствуют характерные пики в области 615 нм и 1110 нм, соответствующие связям типа Si-Si и Si-O-Si. На спектрах образцов подвергшихся окислению пик, соответствующий связи Si-Si пропадает, что говорит о глубоком и равномерном характере окисления.

Была проведена характеризация фазового поведения предварительно подготовленных ЖК-смесей для создания ЖК-матриц. Фазовые переходы всех полимеров были охарактеризованы методами поляризационно-оптической микроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии. Образцы ЖК-матриц, допированные флуоресцентными КТ и подвергнутые различным временам УФ-облучения (10 с, 30, 1 мин, 2 мин, 4 мин, 10 мин). Оптические свойства подтвердили возможность регулировки оптических свойств посредством облучения.

Практическая значимость исследования
В результате применения разрабатываемых методик получают высокоэффективные одномерные фотонные кристаллы с контролируемыми оптическими свойствами на основе фотоуправляемых полимерных холестерических ЖК-матриц допированных флуоресцентными КТ, которые в дальнейшем могут быть использованы для записи и хранения различной информации. Использование полупроводниковых квантовых точек позволяет создавать высокоэффективные стабильные излучающие фотонные системы с управляемыми свойствами. В частности, результате выполнения данного проекта разрабатывается 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. Кроме того, на основе систем ЖК/КТ могут быть разработаны принципиально новые криптографические системы для скрытого мечения различных объектов. В ходе данной работы будет также разработан второй тип фотонных наноструктур на основе пористого кремния допированного КТ. На базе таких систем может быть создан новый класс сенсоров, чей принцип действия 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). В частности, такая принципиальная 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.