Вопрос создания функциональных материалов для управления светом в наномасштабе является сегодня одной из важнейших задач современной фотоники. Эти технологии со временем планируется использовать для производства оптических транзисторов, которые могут совершить переворот в портативной микроэлектронике, заметно снизив энергопотребление устройств и увеличив скорость обмена данными. Однако для создания полноценных образцов подобной техники необходимо решить ряд как теоретических, так и практических задач, в том числе — создать технологию дешевого и надежного производства материалов для управления светом на наноуровне.
Международная группа ученых из России, Франции и Голландии, в которую входят исследователи из Университета ИТМО, провела серию экспериментов по созданию «умных» материалов для нанофотоники на основе метал-органических каркасов — «мягких» кристаллических соединений на основе органических и неорганических строительных блоков. Благодаря своему сложному составу они обладают высокой структурной иерархией, при этом задействуют большое разнообразие химических связей, которыми можно управлять с помощью внешних факторов — таких, как давление, температура и свет. Именно это и позволяет использовать каркасы для создания новых, сложноорганизованных, а стало быть, уникальных функциональных материалов.
Для работы ученые выбрали мягкие метал-органические каркасы со взаимно проросшей структурой, создавать новые материалы они решили с помощью светового излучения. Ранее такой способ использовали лишь для плавления неорганических материалов в чисто фундаментальных целях.
Расплавить без тепла
Ставя перед собой задачу создать новые оптически активные наноструктуры, ученые воздействовали на мягкие каркасы фемтосекундными лазерными импульсами. Неожиданно стало очевидно, что свет не только позволяет модифицировать материал — при достаточно интенсивном инфракрасном излучении каркас начал плавиться, в результате чего формировались наночастицы с целым набором оптических свойств. При этом плавление светом происходило за миллиардные доли секунды, еще до того, как обычное тепло было способно разрушить каркас.
«Мы наблюдали за поведением каркасов при увеличении интенсивности излучения: сначала обнаружили проявление нелинейно оптических процессов, затем, немного увеличив интенсивность, мы заметили, что происходит мгновенное плавление каркаса, сопровождающееся взрывом и появлением наночастиц с новой внутренней структурой и, соответственно, свойствами. Все это происходит очень быстро, за фемтосекунды, и за это время создается нечто уникальное, что нельзя найти в природе», — рассказывает Никита Кулаченков, соавтор исследования, младший научный сотрудник физико-технического факультета.
Полученные наночастицы затем были проанализированы международным консорциумом при участии ученых из Нидерландов и Франции в рамках международных проектов ФЦП и РНФ.
«Любопытно то, что эти частицы проявляли два нелинейных оптических эффекта одновременно. Во-первых, они преобразовывали частоты падающего когерентного излучения. Проще говоря, когда на эти частицы светит луч ИК-спектра с длиной волны около 1000 нанометров, то на выходе мы видим излучение уже с длиной волны около 500 нанометров, что соответствует желто-зеленому видимому спектру. Второй эффект — преобразование одной длины волны в широкий спектр, то есть наблюдается люминесценция. Также мы увидели, что при рассеянии белого света на таких структурах происходит селекция рассеянных длин волн, что приводит к колорированию наблюдаемых в микроскоп наночастиц», — продолжает Кулаченков.
Значение открытия
Ученым удалось не только создать наночастицы с такими свойствами при помощи фемтосекундного лазера, но и полностью описать все необходимые условия для направленного синтеза новых видов сложноорганизованных наноструктур из метал-органических каркасов.
«В процессе эксперимента мы выяснили, что для создания таких структур подходят не все метал-органические каркасы, как мы предполагали изначально, — рассказывает Валентин Миличко, руководитель проекта и соруководитель российско-французской лаборатории. — Принципиальное значение несут как молекулярная масса отдельных строительных блоков (чем больше, тем лучше), так и делокализация валентных электронов по всей структуре. Полученные наноструктуры биосовместимы и потенциально биодеградируемы. Это позволит их применить в “зеленых” технологиях, в частности в “зеленой” энергетике».
Из этих структур благодаря комбинации их свойств и состава можно в будущем сделать оптически активные элементы для нанофотоники. С помощью этих частиц можно преломлять свет, усиливать его на определенных длинах волн, менять его частоту. Таким образом может осуществляться практически полный спектр управления светом.
«Наноструктуры, полученные из метал-органических каркасов, обычно используются для катализа, а также в литий-ионных аккумуляторах. Их получение очень дорого и сложно. Мы же предлагаем принципиально новый, простой, быстрый и сравнительно дешевый способ с использованием обычного индустриального лазера, при этом эти же структуры могут быть использованы и в оптике», — добавляет Валентин Миличко.
Статья: Nikita K. Kulachenkov Stéphanie Bruyere Sergey A. Sapchenko Yuri A. Mezenov Dapeng Sun Andrei A. Krasilin Alexandre Nominé Jaâfar Ghanbaja Thierry Belmonte Vladimir P. Fedin Evgeny A. Pidko Valentin A. Milichko, "Ultrafast Melting of Metal–Organic Frameworks for Advanced Nanophotonics", Advanced Functional Materials. 2019, 10.1002/adfm.201908292
