Наноразмерные источники света и наноантенны имеют множество применений. На их основе сейчас создаются сверхкомпактные пикселы, с их помощью изучают процессы в живых клетках на молекулярном уровне или, например, передают информацию в компактных оптических схемах. Однако сейчас создание устройств на основе таких наноструктур осложнено тем, что материалы, которые обычно используются для наноантенн, обладают очень низкой эффективностью свечения. Кроме того, необходимо отдельно создавать источники света и наноантенны, а затем размещать их рядом, что является технологически сложной задачей.

Сотрудники Университета ИТМО нашли способ объединить наноантенну и источник света в одной наночастице. Она может генерировать, усиливать и направлять свет.

«Материалом для наших частиц служит органо-неорганический перовскит. Именно он позволил нам сделать такие наноантенны, – комментирует Екатерина Тигунцева, ведущий автор статьи. ‒ При этом способ, который мы придумали для получения наноантенн сравнительно прост. Мы синтезируем перовскитную пленку и формируем из нее наночастицы методом лазерной абляции. Другими словами, мы используем отдельные лазерные импульсы, чтобы перенести частицы перовскита с поверхности пленки на другую подложку. По сравнению с другими методиками получения наночастиц, это не требует много затрат».

В ходе изучения полученных перовскитных наночастиц ученые обнаружили, что их излучение усиливается, если спектр излучения совпадает с Ми-резонансами.

«Эти резонансы названы в честь выдающегося немецкого ученого Густафа Ми, – рассказывает Георгий Зограф, сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО. – Он разработал общую теорию взаимодействия света со субволновыми сферическими объектами. Сейчас активно изучаются Ми-резонансы в диэлектрических и полупроводниковых наночастицах. Перовскит, используемый в нашей работе, ─ тоже полупроводник, эффективность свечения которого существенно превосходит многие материалы. В этой работе нам удалось показать, что совмещение Ми-резонанса перовскитных наночастиц со спектром излучения позволяет получить максимально эффективные субволновые источники света при комнатной температуре».

Кроме того, спектр излучения наночастиц можно менять, варьируя анионы в составе материала.

«Мы обнаружили, что, если использовать другой состав материала при синтезе перовскитной пленки, цвет излучения частиц будет меняться. При этом структура материала и метод синтеза остаются прежними. Не нужно ничего адаптировать и усложнять», – объясняет Екатерина.

«Насколько нам известно, никому раньше не удавалось получить субволновые перовскитные наноантенны с настраиваемым спектром излучения, – добавляет Георгий. ─ Когда мы отправляли статью в журнал, в шутку пообещали коллегам, приготовить выпечку, отражающую суть работы, если статью примут. В итоге публикацию мы отпраздновали разноцветными пирожными в цветах излучения наших наночастиц. Мы назвали их “ПЕРОжкам” – в честь перовскита».

Сейчас ученые продолжают изучение перовскитных наночастиц с использованием других компонентов. Кроме того, в лаборатории разрабатывают новые варианты наноструктур на основе перовскита для совершенствования ультракомпактных оптических приборов и устройств передачи данных.

Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники является частью Международного научного центра нанофотоники и метаматериалов на мегафакультете фотоники, созданном в Университете ИТМО в рамках реализации Проекта по повышению конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров (Проекта 5-100). Мегафакультет решает задачи, отвечающие на глобальные вызовы в таких областях, как телекоммуникации, производство, энергетика, медицина и экология. Одним из ключевых таких вызовов является разработка механизмов интеграции фотоники и электроники в качестве платформы для изготовления недорогих и эффективных систем на кристалле для применения в сфере связи, сенсорики, медицины и энергетики.

Исследования ученых из Международного научного центра нанофотоники и метаматериалов посвящены разработке новой платформы источников оптического сигнала на основе органо-неорганических перовскитных наноантенн для дальнейшей интеграции их в ультракомпактные полностью оптические чипы.

Статья: “Light-Emitting Halide Perovskite Nanoantennas”. E. Y. Tiguntseva, G. P. Zograf et al. Nano Letters Jan. 24, 2018