Интегральная нанофотоника на основе ван-дер-ваальсовых материалов

Проект “Интегральная нанофотоника на основе ван-дер-ваальсовых материалов” направлен на разработку и создание фотонных и нанофотонных волноведущих структур на основе слоистых высокорефрактивных материалов, а также посвящен изучению оптических свойств и распространению излучения в перспективных ван- дер-ваальсовых материалах комплексом теоретических и экспериментальных методов, включая численное моделирование, спектроскопическую эллипсометрию, сканирующую ближнепольную оптическую микроскопию и спектроскоию пропускания и отражения. Особенностями рассматриваемых в Проекте материалов являются их оптические характеристики: высокий показатель преломления и нулевое оптическое поглощение в определенном диапазоне длин волн, а также гигантская оптическая анизотропия, наблюдаемая в случае некоторых дихалькогенидов переходных металлов. Ожидается получение ряда значимых результатов, создающих фундамент для реализации фотонных интегральных элементов на основе ван-дер- ваальсовых материалов, таких как MoTe2, MoSe2, WSe2, Sb2Te3, CdPS3 и др. В рамках первого этапа реализации проекта в 2024-2025 гг. выполнены все запланированные работы. Отработана технология получения высококачественных флейков-кристаллов дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) и других ван-дер-ваальсовых (ВдВ) материалов (MoSe2, WSe2, CdPS3 и др.), методом механической эксфолиации и оптимизированы параметры для получения флейков необходимого размера и толщины. Проведена отработка методики травления кристаллов ДПМ для их последующего структурирования. Исследован синтез и структурные свойства MAX- фазы Ti2AlC для получения максенов из исходного Ti2AlC. Определены оптимальные параметры спекания и установлены необходимые соотношения прекурсоров для получения высокочистого Ti2AlC. Проведено численное моделирование для определения характеристик фотонных планарных волноводов на основе WSe2, MoSe2 и CdPS3, определены значения толщин, соответствующих одномодовому режиму для длин волн 1500 − 1600 нм. Произведена настройка системы сканирующей ближнепольной оптической микроскопии рассеивающего типа (р-СБОМ) для исследования распространения фотонных мод в волноводах на основе флейков ВдВ материалов в ближнем ИК диапазоне, и разработан метод анализа р- СБОМ изображений. С помощью р-СБОМ измерено распространение излучения в планарных волноводах на основе кристаллов WSe2, MoSe2 и CdPS3 в диапазоне длин волн 1500 − 1600 нм, определены эффективные индексы TM-мод, которые продемонстрировали согласие данных р-СБОМ с результатами оптических констант материалов, полученных эллипсометрией. Измерены оптические константы трисульфида кадмия-фосфора (CdPS3) с помощью спектроскопической эллипсометрии и измерения микропропускания отдельных флейков: в диапазоне длин волн 360 − 1700 нм показатель преломления n = 2.5 − 3, коэффициент экстинкции k = 0 (при длине волны >400 нм). Рассчитаны параметры фотонных волноводов на основе CdPS3 в сравнении с волноводами из других материалов с высоким показателем преломления (MoS2, Si, TiO2 и hBN). Показано, что CdPS3 обеспечивает более высокую локализацию поля, по сравнению с Si, TiO2 и MoS2, имея меньшую длину волны порога экстинкции, равную 375 нм. Теоретическими методами рассмотрены эффекты, связанные с нелинейностью оптических свойств в ВдВ материалах. При помощи теории связанных мод исследована задача о влиянии керровской нелинейности на возможность реализации виртуального поглотителя. Получено аналитическое условие для частоты падающего поля, при котором нулевое рассеяние сохраняется в случае нелинейной системы. Исследовано влияние величины нелинейности и добротности резонанса на количество рассеянной энергии в случае неизменной частоты падающего поля, и найдено поглощение в условиях нулевого рассеяния.