Метаповерхности с нелинейным оптическим откликом на основе дихалькогенидов переходных металлов (этап 2)

Разработка новых типов материалов и активных устройств фотоники на их основе, а также изучение их свойств - является стремительно развивающейся областью физики в последние годы. Возможности манипуляции светом имеет важное значение для создания новых устройств нанофотоники и интегральной оптики. Современные технологии, основанные на возможностях управления светом, являются одним из ключевых факторов для роста экономической эффективности таких базовых отраслей мировой промышленности, как энергетика, наноиндустрия, микроэлектроника, развитие средств коммуникации. Возможности концентрации и манипулирования световой энергии в ближней зоне поля, а также поляризационный и амплитудно-фазовый контроль в дальней зоне рассеяния, представляют огромный практический интерес. Активное развитие получило направление, связанное с созданием диэлектрических метаматериалов, предполагающее использование диэлектрических наночастиц с высоким показателем преломления в качестве «строительных блоков» и имеющих сильный оптический отклик благодаря Ми-резонансам. В настоящее время в основном используются традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний, германий, и др. Управлять положением резонансов возможно, варьируя размеры и форму наночастиц, а также их положение в различных структурах и метаповерхностях. Однако, фиксированное значение диэлектрической проницаемости этих материалов накладывает определенные ограничения на разработку оптических приборов, работающих при строгой селективности резонансных частот. Одним из способов улучшения и расширения функциональных возможностей современных фотонных приборов является использование материалов с анизотропными диэлектрическими свойствами. Такие свойства, например, демонстрируют дихалькогениды переходных металлов (WS2, MoS2, WSe2, MoSe2 и т.д.). Многослойные дихалькогениды переходных металлов имеют диэлектрическую анизотропию за счет своего фундаментального различия между внутрислойной сильной ковалентной связью и слабым межслойным взаимодействием за счет сил Ван дер Ваальса. Диэлектрическая проницаемость вдоль слоев и перпендикулярно слоям может отличаться в несколько раз. При этом дихалькогениды переходных металлов обладают высокими значениями показателя преломления сравнимым или превышающим значения для таких «традиционных» для фотоники материалов, как германий и кремний. Наличие анизотропии в таких системах определяет поляризационную зависимость их оптического отклика и соответствующего распределения ближних электромагнитных полей. Это открывает возможность использовать слоистые материалы для построения резонансных нано-антенн с анизотропными оптическими свойствами, сочетающими резонансы Ми и особенности поведения электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых слоях. Например, высокая концентрация поля при резонансном состоянии может обеспечить сильную связь между режимами Ми-моды наночастицы и ее экситонными резонансами, что, в свою очередь, может привести к возникновению новых оптических эффектов и к расширению прикладных возможностей диэлектрической нанофотоники. Большой интерес представляют нелинейно-оптические свойства двумерных материалов дихалькогенидов переходных металлов. В силу центросимметричного строения кристаллической решетки дихалькогедидов переходных металлов нелинейно-оптические эффекты второго порядка от объемного материала малы. Однако при переходе к монослоям или наночашуйкам с нечетным числом слоев порядок симметрии нарушается и нелинейно-оптические эффекты второго порядка начинают активно проявляться. При этом, характерные значения квадратичных восприимчивостей монослоев могут достигать значений сопоставимых или даже превышающих значения квадратичных восприимчивостей широко известных нелинейно-оптических кристаллов (BBO, KDP, и т.д.) при той же толщине. Особенно интересным является изучение резонансного усиления нелинейно-оптического отклика от нанообъектов и метаповерхностей на основе дихалькогенидов переходных металлов при наличии экситонных и Ми-резонансов. На сегодняшний день исследований резонансного усиления нелинейно-оптического отклика от нанообъектов и метаповерхностей дихалькогенидов переходных металлов крайне мало и, в основном, они представлены аналитическими и численными расчётами.Целью данного проекта является исследование линейного и нелинейного отклика наночастиц и структур на их основе, изготовленных из дихалькогенидов переходных металлов. Размеры, форма и тип материала будут определены на основании теоретического моделирования. Также теоретическое моделирование будет использоваться для трактовки полученных экспериментальных результатов. Кроме того, будет исследовано влияние подложки на оптический отклик изготовленных наночастиц, включая графеновые подложки, поддерживающие распространение поверхностных электромагнитных волн, для высокоэффективного возбуждения и управления поверхностными электромагнитными полями. Планируется изучение линейного и нелинейного оптического отклика как индивидуальных наночастиц, так и периодических массивов состоящих из этих частиц. Часть проекта будет посвящена получению и характеризации гибридных наночастиц, т.е. включающих в себя несколько видов материалов (гетероструктуры полученные на основе слоев нескольких дихалькогенидов и дихалькогениды/металлы). Исследование специфики и особенности таких систем позволит расширить материальную базу нанофотонных устройств. Предлагаемые научные задачи являются абсолютно новыми. Результаты полученные в ходе выполнения проекта будут опубликованы и доложены на ведущих международных научных конференциях. Наиболее значимые результаты проекта будут также представлены на семинарах, в формате пресс-релизов информационных агентств, открытых интервью и научно популярных лекций. Планируется возможность патентования наиболее важных полученных структур, как возможных элементов новых устройств нанофотоники и интегральной оптики.