В год подачи данного проекта закончился длительный «темный» (безызлучательный) период в истории нанотрубок дихалькогенидов переходных металлов, синтезируемых и активно изучаемых в течение последних 25 лет. Яркая люминесценция экситонного характера была обнаружена усилиями авторов проекта в одиночных нанотрубках MoS2 и WS2. Кратко содержание предлагаемого проекта можно сформулировать как комплекс исследований, охватывающий задачи от изучения особенностей экситонной люминесценции до получения квантового света из трубчатых структур. По сути, речь идет о проведении цикла исследований, аналогичного выполненному в области оптических исследований углеродных нанотрубок, начиная с открытия в них фотолюминесценции в 2002 г.
Предварительные исследования авторов проекта показали, что ван-дер-ваальсовыe нанотрубки MoS2 и WS2, синтезированные методом химического транспорта, обладают уникальными оптическими свойствами. Несмотря на множество монослоев в стенках нанотрубок, излучение в области прямозонного экситона может доминировать в их спектрах, тогда как в рамках современных представлений в многослойных структурах ожидается лишь слабое излучение непрямозонного экситона (непрямого в импульсном пространстве). Температурные зависимости фотолюминесценции из нанотрубок отличаются неординарным характером: наблюдается полное подавление излучение непрямозонных экситонов при низкой температуре. Эти особенности предполагает сложную структуру спиновых состояний экситонов и сильное влияние взаимодействия с фононами. Возможно также формирование межслойных и междоменных экситонов вследствие хиральности, присущей нанотрубкам, и существования нескольких политипов и доменов в их стенках.
Предлагаемое комплексное исследование посвящено не только прояснению причин отмеченных явлений, которые могут быть свойственны и родственным наноструктурам, таким как нано-роллы, 2D оболочечные структуры, складки 2D слоев и изогнутые наноплателеты. Предполагается расширить наши знания в области оптики и спиновой физики трубчатых структур, процессов релаксации и рекомбинации в сложных многоуровневых системах, взаимосвязи архитектуры нанотрубок и их оптических свойств. Планируемые исследования разбиваются на три блока:
1) Теоретические исследования энергетической и спиновой структуры состояний экситонов в трубчатых структурах, включающей светлые и темные состояния различной природы, процессов релаксации возбуждения и рекомбинации с участием и без участия фононов при наличии конкурирующих каналов.
2) Исследования структурно-морфологических свойств нанотрубок, таких как тип кристаллической упаковки, внутренние напряжения, хиральность, наличие доменов и примесей, по преимуществу методами просвечивающей электронной микроскопии и рамановской микро-спектроскопии.
3) Исследование оптических свойств нанотрубок и родственных наноструктур ультра-современными методами спектроскопии микро-фотолюминесценции с пространственным, временным и поляризационными разрешениями, микро-магнитоспектроскопии, а также корреляционными методиками определения статистики фотонов.
Планируется также сопоставление оптических свойств нанотрубок со свойствами планарных наноструктур и исследование таких фундаментальных оптических свойств как оптическая активность, двулучепреломление, взаимодействие оптических мод и экситонных резонансов. Для расширения номенклатуры исследуемых трубчатых структур будет развита технология нано-роллов, оболочечных структур, складчатых пластинок, формируемых из монослоев слоистых кристаллов дихалькогенидов переходных металлов. Наблюдение узких линий экситонной фотолюминесценции из нанотрубок и родственных структур будет основанием для постановки экспериментов в области квантового света (генерации одиночных фотонов). После детального изучения одиночных нанотрубок и родственных наноструктур планируется исследование массивов трубок и полутрубок, заданным образом ориентированных на профилированных подложках с целью реализации анизотропного и/или когерентного отклика.
В результате выполнения проекта будут расширены наши знания о природе экситонного излучения в нанотрубках дихалькогенидов переходных металлов и развиты физические представления о спиновых состояниях в трубчатых системах, механизмах релаксации возбуждения и рекомбинации в наноструктурах с несколькими экситонными резонансами. В практическом плане ожидается формулирование рекомендаций для создания эффективных источников когерентного и квантового света на основе микро- и нанотрубок, сочетающих свойства излучателя и резонатора. Ожидается также создание оптических фильтров и анизотропных отражателей субмикронной толщины. В целом проект будет способствовать профессиональному росту молодых ученых (8 из 10 членов научного коллектива, из них двое – ответственные исполнители) и получению новых результатов на мировом уровне.
Ожидаемые результаты
Основное значение предполагаемые результаты будут иметь для физики полупроводников, конкретно для оптики и физики спинов нанотрубок и родственных структур. Если учесть, что физика полупроводников определяет прогресс в современных средствах хранения и передачи информации и что имеется тенденция к углубленному пониманию и применению оптических явлений в полупроводниковых наноструктурах, вклад, вносимый предлагаемыми исследованиями, имеет определенное социальное значение.
Основными ожидаемыми результатами будет уникальный набор данных об оптических свойствах, в первую очередь люминесцентных, одиночных нанотрубок дихалькогенидов переходных металлов, полученных ультрасовременными методами микро-фотолюминесцентной спектроскопии, микро-магнитоспектроскопии, корреляционными измерениями, и теория, описывающая структуру спиновых и экситонных состояний, процессы релаксации и рекомбинации с учетом существования конкурирующих каналов в трубчатых системах с несколькими экситонными резонансами разной природы.
Ожидаемые результаты являются новыми на мировом уровне, поскольку люминесцентные свойства нанотрубок дихалькогенидов переходных металлов ранее не изучались и цель систематизации оптических явлений в родственных наноструктурах - полутрубках, оболочках, изогнутых нанопластинах, изготовленных из 2D монослоев, ранее не ставилась. Прогнозируемые результаты, полученные на одиночных наноструктурах с криволинейной поверхностью, будут применены при формировании массивов таких нанообъектов с заданными анизотропными и поляризационными характеристиками. Микро- и нанотрубки дихалькогенидов переходных металлов сами по себе перспективны для создания нанофотонных приборов, которые сочетают излучательные и резонансные свойства.
