Ежегодно организаторы конкурса награждают студентов за лучшие выпускные квалификационные работы. В этот раз по направлению подготовки «Фотоника и оптоинформатика» первое место заняли Анастасия Ольхова и Артём Орлов. Студенты ИТМО уже не первый раз занимают высокие места на конкурсе по этому направлению: в прошлом году победу также одержали двое молодых ученых факультета фотоники.  

«Наши образовательные программы («Физика наноструктур» и «Физика и технология наноструктур») создавались и наполнялись в соответствии с научной деятельностью международного научно-образовательного центра физики наноструктур. В прошлом году исполнилось десять лет магистерской программе, и за это время мы получили очень хорошие результаты: многие студенты продолжили учиться в аспирантуре ИТМО, кто-то получил позицию постдока в ведущих университетах ― например Мария Мухина, которая окончила магистратуру и аспирантуру ИТМО, а сейчас работает в Гарвардском университете. Также у нас достаточно часто ребята побеждают в конкурсе на стипендию президента РФ», — рассказала руководитель образовательных программ, ведущий профессор факультета фотоники, главный научный сотрудник международного центра физики наноструктур, доктор физ.-мат. наук Анна Орлова.

Несмотря на то, что обе работы победителей конкурса этого года посвящены изучению квантовых точек, они рассматривают их с разных позиций. Подробнее об исследованиях и их результатах Анастасия Ольхова и Артём Орлов рассказали ITMO.NEWS.

Анастасия Ольхова

выпускница магистратуры 2021 года, аспирантка первого курса факультета наноэлектроники

О работe

Я исследовала кинетику люминесценции квантовых точек CuInS2/ZnS. Это трехкомпонентные квантовые точки, которые используются в разных областях фотоники. Прежде всего, квантовые точки CuInS2 изучаются как потенциальные альтернативы токсичным квантовым точкам, содержащим кадмий или свинец. Трехкомпонентные квантовые точки обладают широким спектром фотолюминесценции, положение которого может быть настроено в процессе синтеза квантовых точек при изменении размера, формы частиц, а также ее состава. CuInS2/ZnS имеют высокий коэффициент оптического поглощения и высокую вероятность излучательной рекомбинации, что делает квантовые точки привлекательными для исследований в областях биологии, фотовольтаики и сенсорике. Мы выбрали эти квантовые точки для исследований ввиду недостаточной освещенности процессов, лежащих в основе излучения данных типов нанокристаллов. В частности, в процессе выполнения нашей работы мы хотели исследовать физические причины уширения полосы фотолюминесценции трехкомпонентных квантовых точек.

Почему эта тема

Я пришла в ИТМО из СПбПУ, где занималась алмазоподобными нанопленками, и стала искать лабораторию, в которой работают с наноматериалами. Так я нашла международную лабораторию «Гибридные наноструктуры для биомедицины», и мне понравилось, что в ней занимаются физикой, химией, биологией — проводят передовые исследования на стыке специальностей. Поскольку ей управляет ведущий профессор факультета фотоники, главный научный сотрудник международного центра физики наностуктур и доктор физ.-мат. наук Анна Олеговна Орлова, я выбрала ее в качестве научного руководителя, и она предложила мне эту тематику.

Первый год я занималась немного другим направлением: я исследовала активные формы кислорода, которые генерируются с помощью гибридных наноструктур термически отожженного бутоксида титана и квантовых точек кадмия селена. Но позже мы решили взять трехкомпонентные квантовые точки и сделать работу более фундаментальной с большим количеством исследований. В общем, работа действительно получилась объемная, наверно, это позволило мне победить в конкурсе ВКР.

Результаты и перспективы

Нам было необходимо понять физические причины, приводящие к заметному увеличению ширины полосы люминесценции квантовых точек на основе халькогенидов по сравнению с традиционными квантовыми точками A2B6, к которым относятся хорошо изученные на сегодняшний день CdSe/ZnS квантовые точки. Для этого мы исследовали кинетику люминесценции в зависимости от длины волны регистрируемой люминесценции, среднего расстояния между квантовыми точками, а также от изменения температуры окружающей среды. Уширение полосы фотолюминесценции тройных квантовых точек может быть связано с тем, что в нанокристаллах на основе халькогенидов в дополнению к экситонной люминесценции присутствует дефектная люминесценция.

Полученные нами данные отчетливо показывают, что при уменьшении среднего расстояния между квантовыми точками халькогенидов начинают проявляться эффекты резонансного переноса энергии, приводящие к тушению коротковолновых полос фотолюминесценции. Также мы заметили, что с ростом температуры наблюдается нелинейный спад интенсивности фотолюминесценции, который сопровождается смещением максимума и уширением полосы фотолюминесценции. Такое поведение мы объяснили температурным расширением кристаллической решетки квантовых точек. Это важный вывод, потому что нам экспериментально удалось подтвердить данную теорию об уширении пика фотолюминесценции. От этого мы уже можем двигаться дальше в исследованиях, цель которых― углубить знания о наноразмерных полупроводниках. Впоследствии полученные знания помогут при производстве нового поколения высокоэффективных солнечных элементов, светодиодов, сенсорных элементов и лекарств.

Артём Орлов

выпускник бакалавриата 2021 года, магистрант первого курса факультета фотоники

О работe

Мое исследование посвящено квантовым точкам из повернутого двухслойного графена. Графен — это двумерный материал, представляющий собой слой атомов углерода, упакованных в гексагональную решётку, похожие на пчелиные соты). Он изучался теоретически очень давно ― с середины XX века, но экспериментально лишь сравнительно недавно: Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию в 2010 году за разработку первого метода получения графена. После этого началось активное изучение графена и структур на его основе как с теоретической, так и с экспериментальной части.

Одна из таких структур ― повёрнутый двухслойный графен (два слоя повернуты друг относительно друга). Эта структура, в отличие от графена, проявляет хиральность или, говоря другими словами, оптическую активность: право- и левовращательный свет поглощается по-разному. Уникальность такого материала по сравнению с другими заключается в том, что оптическая активность является особенно сильной по сравнению с толщиной структуры. Нам было интересно исследовать оптические свойства квантовых точек из повернутого двухслойного графена разных геометрических форм.

Почему эта тема

После окончания Президентского физико-математического лицея № 239 я точно понимал, что буду заниматься физикой, так как она меня очень увлекла. Поэтому я поступил в ИТМО на это направление. Я точно знал, что хочу заниматься теорией, поэтому я выбрал в качестве научного руководителя Ивана Дмитриевича Рухленко. С середины второго курса я начал делать совместные курсовые работы с выпускником ИТМО, аспирантом Имперского колледжа Лондона и младшим научным сотрудником международного центра физики наностуктур Никитой Владимировичем Тепляковым. Поскольку Иван Дмитриевич и Никита Владимирович занимаются исследованиями графена, эта тема увлекла и меня. Я хотел делать то, что нравится — заниматься теорией и решать сложные задачи, а тема уже была не столь принципиальна. С конца второго курса я стал изучать этот материал, на третьем курсе перешел на двухслойный графен, а уже в декабре мы развернули полноценное исследование в этом направлении. На основе этой работы и дополнительных исследований я написал ВКР.

Результаты и перспективы

Есть параметр, который показывает степень хиральности структур, то есть то, насколько они по-разному поглощают свет. Он называется фактором диссимметрии. Мы обнаружили, что этот параметр у квантовых точек из повернутого двухслойного графена достигает одной сотой и превышает примерно на два-три порядка фактор диссимметрии экспериментально полученных квантовых точек. Когда квантовые точки из повернутого двухслойного графена будут получены экспериментально, они будут лучше тех, что мы имеем сейчас, в том числе полупроводниковых и скрученных квантовых точек.

«Наноструктуры из повернутого двухслойного графена, описанные в ВКР Артема, имеют множество потенциальных приложений в области создания новых функциональных устройств и материалов. Эти приложения обусловлены их уникальными оптическими, электронными и фотоэлектрическими свойствами, вызванными эффектом квантового ограничения. В работе Артема показано, что электронные и оптические свойства квантовых точек из повернутого двухслойного графена можно менять, варьируя не только размер и форму точек, но также и угол поворота слоев графена. Это делает такие точки чрезвычайно привлекательной материальной базой для хиральной нанофотоники. Кроме этого, графеновые квантовые точки могут применяться для биовизуализации, биосенсинга, терапии рака, адресной доставки лекарств, а также в фотодетекторах и солнечных элементах. Так, в частности, высокая диспергируемость в органических и водных растворителях, хорошая термо- и фотостабильность, а также цитосовместимость точек позволяют использовать их в качестве зондов для маркировки раковых клеток, а фототермические и фотодинамические свойства (выделение тепла и генерация активных форм кислорода при облучении) обеспечивают их высокую терапевтическую активность при лечении рака», — резюмировал научный руководитель Иван Рухленко.

Сейчас мы продолжаем заниматься хиральностью, это наша основная тема, но мы развиваем ее в контексте других структур. Наша главная идея исследования заключается в нахождении оптимальной среды, в которой возможна эффективная передача информации между оптическими сигналами. Так мы хотим сделать свой вклад для переходу к полностью оптическим вычислениям. Электронные устройства для обработки более медленные, чем оптические, но для работы последних необходима среда из-за того, что фотоны не взаимодействуют друг с другом в вакууме. За полгода с помощью расчетов мы поняли, что в одной системе не сможем получить такой эффект, поэтому сейчас мы перешли к анализу другой системы.