Дизайн и фабрикация метаструктур из пост-графеновых материалов для элементов плоской оптики

Проектирование и разработка современных оптических наноматериалов является одним из ключевых направлений в части внедрения новых и усовершенствования имеющихся технологий производства оптоэлектронных устройств, телекоммуникационных систем и интерфейсов. Особое место здесь занимает разработка элементной базы плоской оптики, –функциональных оптических устройств субволновой толщины, используемых для преобразования электромагнитного излучения. Базовыми методами создания подобных устройств являются электронно-лучевая литография, химическое травление, структурирование ионным пучком. Вместе с тем, значительные перспективы по созданию отдельных сложноструктурированных строительных блоков, а также готовых оптических элементов на их основе, связаны с использованием доступных и бюджетных лазерных методов. К таким методам относится лазерная абляция/фрагментация в жидкости и лазерный перенос. Особое значение эти методы приобретают в том случае, когда основой для производства наноструктур являются новые оптические среды на примере Ван-дер-Вааальсовых (ВдВ) материалов. Обладая высоким показателем преломления, гигантской оптической анизотропией, большим квантовым выходом, подобные материалы должны в перспективе потеснить традиционный кремний, являющийся лидером фотонных технологий в настоящее время. Яркими представителями ВдВ-материалов являются, но не ограничиваются ими, дихалькогениды переходных металлов на примере MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2. Эти материалы хорошо зарекомендовали себя и уже широко используются в микроэлектронике, солнечной энергетике, как катализаторы химических реакций, но реализация их потенциала в нанофотонике является вопросом будущего. В рамках настоящего проекта будет развит комплексный теоретико-экспериментальный подход к проектированию и созданию ВдВ-метаповерхностей методами лазерного переноса с пленок-доноров с нанесенными слоями дихалькогенидов переходных металлов. Ключевой особенностью проектируемых в настоящем проекте метаповерхностей станет использование метаатомов различной формы из сферических наночастиц и состоящих из анизоторпных ВдВ-материалов в качестве строительных блоков решетки. В фундаментальном плане, необходимость в создании строительных блоков сложной формы и химического состава продиктована необходимостью в дополнительных степенях свободы для реализации би- и анизотропного отклика, реализации мультипольного каплинга для формирования собственных мод решетки. Речь идет о захваченных и запертых модах метаповерхностей, которые приводят, во-первых, к локализации энергии падающей волны в плоскости метаповерхности и, во-вторых, появлению ярких особенностей в спектрах отражения и пропускания метаповерхности. В рамках настоящего проекта исследования будут сфокусированы на возможностях реализации ярких решеточных резонансов для мультиполей высших, в т.ч. октупольных, порядков в метаповерхностях из ВдВ-материалов и возможностях их использования в приложениях. Другая задача в рамках проекта будет связана с методом фемтосекундной лазерной абляции/фрагментации для получения сферических наночастиц из растворов ВдВ- материалов. Ключевой особенностью запланированных исследований должно стать освоение техники фабрикации сложноструктурированных наночастиц, состоящих из поликристаллического ядра и всего нескольких слоев сферически-симметричной оболочки дихалькогенида переходного металла. Оригинальная идея связана с возможностью реализации положительной обратной связи в такой системе за счет перекрытия возбуждаемого в ядре резонанса Ми и экситонного резонанса в малослойной оболочке из дихалькогенида переходного металла, в которой реализуются прямозонные переходы с возможностью интенсивной фотолюминесценции. Успешная реализация запланированных исследований позволит впервые реализовать функциональные Ми-нанолазерные устройства с низким порогом генерации, малыми потерями и возможностью их использования в качестве истинных источников однофотонных состояний.