Данный Проект направлен на разработку и исследование преобразователей инфракрасного (ИК) излучения в видимый диапазон за счет генерации второй гармоники (ГВГ) в наноструктурах кремния и гибридных наноструктур кремния/оксида кремния, перенесённых в пленки прозрачной силиконовой резины (полидиметилсилоксана, ПДМС). Кубическая симметрия кристалла кремния характеризуется почти нулевой ГВГ, однако на поверхности кристалла кремния симметрия нарушается и эффективность ГВГ возрастает. В геометрии структур с пониженной размерностью с высоким отношением поверхности к объему (например, в нитевидных нанокристаллах или мезопористых наночастицах) вклад нелинейного оптического отклика от поверхности кремния может преобладать над сигналом объемного материала, что позволяет создавать структуры с высокой эффективностью генерации второй гармоники. Таким образом, массивы кремниевых наноструктур являются перспективными для исследования оптических нелинейных свойств, а также материальной платформой для создания приборных структур с выраженным нелинейным оптическим откликом.
Массивы упорядоченных вертикальных ННК будут сформированы с использованием подхода “сверху-вниз”, а именно методом травления подложек кристаллического кремния в индуктивно-связанной плазме с использованием микросферной маски, определяющей диаметр ННК и период их расположения. Гибридные частицы SiO2/Si и мезопористые кремниевые наночастицы будут синтезированы темплатным методом на основе сферических мезопористых частиц кремнезема путем термического разложения моносилана в порах SiO2 (получение SiO2/Si) и последующего селективного удаления кремнезема методом жидкостного травления (получение мезопористых наночастиц Si). Для увеличения оптического отклика массивы наноструктур будут перенесены в среду с низком значением показателя оптического преломления, в данной работе предполагается использовать ПДМС. Нелинейные оптические свойства кремниевых наноструктур в матрице ПДМС будут изучены в оптической системе, содержащей импульсный фемтосекундный ИК лазер, перестраиваемый в диапазоне длин волн 800-1600 нм, и спектрометр видимого диапазона. ГВГ от кремниевых наноструктур будет изучена во всём видимом диапазоне, а также исследована зависимость мощности сигнала от морфологии наноструктур, свойств обработанной поверхности кремния, мощности накачки и влияния матрицы ПДМС на оптические свойства ННК и их поверхности. Будут оптимизированы методы создания образцов пленок кремниевых наночастиц/ПДМС для достижения максимального значения сигнала ГВГ, для чего будет также проведено углублённое теоретическое исследование свойств наночастиц кремния. Ожидается, что управление локализацией оптических мод в наночастицах за счет возбуждения резонансов Ми или резонансов Фабри-Перо и использования эффекта генерации второй гармоники индуцированной электрическим полем (сокр. англ. EFISH) как на длине волны возбуждающего света, так и на длине волны нелинейного отклика, позволит существенным образом увеличить эффективность ГВГ. Особое внимание в Проекте будет уделено вопросам масштабирования методов создания образцов большой площади, что будет способствовать их дальнейшему практическому применению.
Успешное решение поставленных в проекте задач обеспечит технологический задел для создания интегрированных оптоэлектронных платформ на кремнии. За счет использовании силиконовых материалов пленки с инкапсулированными наночастицами будут обладать существенной механической гибкостью, а также растяжимостью, что существенно расширяет их функциональные свойства, а также область применения.
