Наблюдение за ростом кристаллов, XFEL и «зеленая» фотоника – о каких возможностях даже не догадывались ученые

Актуальные разработки в области наноструктур для фотоники и их будущие применения обсудили ученые на конференции-воркшопе Nanostructures for Photonics, которая состоялась на прошлой неделе и собрала более 60 участников из 14 стран. Среди гостей мероприятия были руководители крупных исследовательских лабораторий и международных проектов, в том числе XFEL (рентгеновский лазер на свободных электронах). В комментариях для ITMO.NEWS они рассказали о самых актуальных на сегодня исследованиях в своей области, о будущих практических применениях наноструктур для фотоники, а также о международном научном сотрудничестве в этой области.

Прототип наноструктуры для фотоники. Источник: shutterstock.com

Владимир Дубровский, руководитель международной научной лаборатории физики эпитаксиальных наноструктур Университета ИТМО, руководитель исследовательского проекта для XFEL

Каковы топовые темы, которые обсуждались на конференции?

Прежде всего, это исследования нитевидных нанокристаллов и гетероструктур на их основе, совмещенных с кремнием, то есть выращенных на кремниевой подложке. Второе, и это сегодня очень модная тема, – это проект NanoMAX, реализующиеся в университете Paris-Saclay, в котором Университет ИТМО также участвует. В ходе проекта внутри просвечивающего электронного микроскопа была сделана ростовая камера, в которой мы растим нитевидные нанокристаллы и снимаем об этом кино с атомарным разрешением. То есть мы видим, как появляется решетка кристалла, видим изменения ее параметров, химического состава и других характеристик. Это уникальное оборудование. Я всю жизнь занимаюсь исследованиями в этой области, и, если бы 10 лет назад мне сказали, что такое будет возможно, я бы не поверил. И третья топовая тема конференции – это обсуждение возможностей использования XFEL для исследования полупроводниковых наноструктур для фотоники.

Расскажите, какой проект вы с коллегами подготовили для XFEL?

Сначала расскажу, чем занимается наша международная лаборатория. Мы изучаем полупроводниковые наноструктуры для фотоники. Это разные материалы полупроводниковых соединений, например, арсениды галлия или индия, которые используются в различных устройствах и приборах фотоники: лазерах, светодиодах, в некоторых приборах свч-электроники, фотодетекторах, солнечных элементах и других. Это большой рынок. Мы пытаемся с помощью наноструктур различного типа, например, с помощью полупроводниковых нитевидных нанокристаллов интегрировать оптоэлектронику с кремниевой электронной платформой. Сегодня вся электроника делается на кремнии. Но кремний не излучает эффективный свет, то есть невозможно вырастить лазерные или светодиодные структуры непосредственно на кремнии в силу определенных физических закономерностей. Но если мы сделаем наноструктуру очень маленького размера, например, нитевидные кристаллы, то эти закономерности удастся устранить и на кремнии вырастить те же лазеры. Получается, мы на одной плате получим и электронику, и оптоэлектронику. Это мечта многих, ученые по всему миру этим занимаются уже около 30 лет. Наша лаборатория в том числе сотрудничает с 40 другими лабораториями в 20 странах мира.

Владимир Дубровский
Владимир Дубровский

В XFEL мы начнем работу в октябре. Нам выделено время использования лазера, чтобы мы могли исследовать нитевидные нанокристаллы на предмет динамики быстропротекающих процессов в кристаллической решетке при воздействии на нее очень коротких и высокоэнергетических импульсов когерентного лазерного света. Сейчас мы обсуждаем проект с коллегами, готовим образцы, то есть выращиваем нанокристаллы методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Мы делаем это вместе с коллегами из Испании, Франции. XFEL поможет в оптимизации наноструктур, которые в конечном счете приведут к более эффективным приборам, что называют «зеленой» фотоникой.

Это можно сделать только ресурсами XFEL?

Да, только там мы можем получить необходимые нам физические условия эксперимента. XFEL в более широком смысле – это инструмент не только для исследования полупроводников. В установке настолько мощные поля излучения, что там можно создавать материалы с экстремальной плотностью, которая недоступна на поверхности Земли и бывает лишь в ее ядре. Таким образом, мы можем изучать физику и химию недоступных до этого состояний. То же самое касается быстрых процессов: ведь динамика роста кристаллической решетки невероятно быстрая.

Роберт Фейденхансл, руководитель проекта XFEL (Германия)

Роберт Фейденхансл
Роберт Фейденхансл

Почему вы участвуете в конференции?

Я лично интересуюсь нитевидными наноструктурами, работал в этой области 10 лет, поэтому конференция – это отличная возможность в одном месте узнать, что сейчас актуально в этой сфере, какой прогресс в ней произошел за последние годы. Здесь, на конференции, мне лично интересны темы, связанные с тем, как мы можем манипулировать нитевидными наноструктурами и выращивать их. Потрясающе, что за последние 10 лет исследования в этой области сделали качественный скачок вперед. И уже сейчас мы говорим о многих потенциальных приложениях для разработок в этой области, и это отличный научный задел на будущие годы.

Как вы думаете, за счет чего стал возможен этот скачок?

Это стало возможно благодаря четырем составляющим. Первое – это развитие оборудования. Второе – это прогресс в моделировании процессов, ведь вам нужно знать, как растут нанокристаллы и что при этом происходит. Третье – это разработка ресурсов для характеризации процессов и получаемых материалов, то есть активное использование электронной микроскопии, рентгеновского излучения и других вспомогательных инструментов. И четвертое – это, конечно, осознание потенциальных рыночных применений научным разработкам, что стимулирует дальнейшие исследования.

XFEL работает уже более полугода. Вы можете поделиться какими-либо вдохновляющими результатами работы установки?

Первый эксперимент мы начали в сентябре, я как раз сейчас получил первые результаты работы установки, которые скоро будут подготовлены для научной публикации. Сейчас мы сконцентрированы на работе двух инструментов лазера: для структурной биологии и фемтосекундной химии, можно сказать, сейчас это одно из приоритетных направлений работы для нас. И в этой области у нас уже есть очень хорошие результаты. Так, одна из наших больших целей – это понять особенности движения молекул в разных реакциях, и мы уже сделали первые шаги в этом направлении. Также сейчас уже завершился второй конкурсный отбор на распределение времени работы лазера между научными группами, среди которых также есть проекты по изучению нитевидных наноструктур. Работы по этому конкурсу начнутся в октябре. Третий конкурс будет объявлен уже в середине мая и продлится до конца июня.

Недавно на XFEL провели первый День открытых дверей. Как вы оцениваете мероприятие? Что вы показывали людям?

Это было очень успешное мероприятие. Мы были осторожны с анонсированием, так как боялись, что придет слишком много людей. В итоге наш центр посетили более 2,5 тысяч человек. Мы показали людям некоторые лаборатории, инженерные туннели, провели демонстрационный эксперимент: гости могли увидеть, как работают лазеры, происходят различные магнитные явления. Также у нас были специальные мероприятия для детей. Это очень важно – показывать людям, чем мы занимаемся на XFEL, да и в целом – популяризировать науку.

Реймонд ЛаПьер, руководитель Департамента инженерной физики в Университете МакМастера (Канада)

Реймонд ЛаПьер
Реймонд ЛаПьер

Каковы ваши цели участия в конференции Nanostructures for Photonics?

Здесь присутствуют исследователи в областях, смежных с моей областью. Я сотрудничаю со многими участниками, в том числе с Владимиром Дубровским, с которым мы хотим организовать обмен студентами. Поэтому я также привез сюда своих аспирантов. И конечно, увидеть Санкт-Петербург – это уже достойная причина для приезда.

Расскажите, о чем было ваше выступление на конференции?

Я разрабатываю устройства, которые будут активно использоваться лет через десять – новые фотодетекторы, которые будут более чувствительны и дешевы, это материалы для инфракрасных камер, благодаря которым можно будет детектировать тепло, просто надев очки, а также это ядерные батареи, которые смогут работать без подзарядки до 100 лет. Эти батареи основаны на том, что внутри них есть радиоактивный источник, который создает поток электронов, которые, в свою очередь, «закольцовываются» благодаря тому, что «запутываются» в нитевидных наноструктурах. Также мы разрабатываем элементы для солнечной энергетики. Все эти устройства основаны именно на нитевидных наноструктурах, то есть нитевидных нанокристаллах, которые вы растите на подложке. Фотоны, попадая в такие структуры, попадают как бы в ловушку. Поэтому эти материалы кажутся очень черными, ведь очень мало света отражается от них. Эта особенность позволяет делать очень чувствительные детекторы света и много других практических устройств.

Какие из этих работ наиболее вдохновляли вас в последние годы?

За последние два года мы очень воодушевлены нашей работой в области создания ядерных батареек. На рынке существуют образцы, но они малоэффективные. И что особенно важно, для этих батарей есть много приложений, где обычные источники энергии не справляются со своей задачей. Например, черные ящики в самолетах могут продержаться на современных источниках питания до 30 дней. С ядерным источником питания это будет гораздо более долгий срок. 

Франк Глас, Центр нанотехнологий в университете Paris-Saclay (Франция)

Франк Глас
Франк Глас

Особенность конференции Nanostructures for Photonics в том, что в ней есть уклон в образовательную сторону: в мероприятии активно участвуют студенты, здесь проводятся воркшопы. Также несмотря на то, что участников всего 60 человек, с лекциями из которых выступает только половина, здесь собраны ученые из самых разных областей. Благодаря этому появляются возможности для новых междисциплинарных исследований, хотя большинство ученых и так уже сотрудничают друг с другом. На мой взгляд, участники мероприятия были очень воодушевлены презентацией некоторых результатов работы проекта NanoMAX, благодаря которому мы можем смотреть рост нанокристаллов на атомарном уровне. Это была мечта теоретиков, и это очень красиво.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба