Синтез активированных оптических стёкол в лаборатории кафедры оптоинформационных технологий и материалов Университета ИТМО. Фото: strf.ru

Легирование, лазеры, термообработка: как создают материалы будущего

Оптика и фотоника по праву могут считаться приоритетными технологиями XXI века: их методы широко применяются в разных областях, от передачи информации до медицины. Однако новые технологии невозможны без создания новых материалов, и именно этим занимаются специалисты Университета ИТМО в рамках проекта «Разработка новых квантовых материалов и фотонных устройств на их основе», который реализуется в вузе с 2014 года при поддержке Минобрнауки.

Заведующий кафедрой оптоинформационных технологий и материалов, директор НИИ нанофотоники и оптоинформатики Николай Никоноров рассказывает, что в ходе проекта специалисты Университета ИТМО работают над созданием материалов, которые обладают необычными оптическими и электронными характеристиками. Ученые берут стекла, кристаллы, керамики и стеклокерамики, и меняют их свойства с помощью легирования — добавления примесей. Ими могут быть ионы редкоземельных элементов (лантан, скандий, иттрий и лантаноиды), квантовые точки, наночастицы и так далее.

«Технология такова: мы синтезируем специально активированные стеклообразные матрицы (силикатные, фосфатные, фторидные, боратные, гермататные и т. д.) при температурах 1000 — 1600 градусов и дальше воздействуем на них двумя способами. Первый — это фемтосекундное или пикосекундное лазерное облучение, в результате которого внутри стекла вырастают молекулярные кластеры — некие устойчивые образования с числом нейтральных атомов от единиц до нескольких десятков. Второй — термообработка в широком температурном диапазоне, от 200 до 600 градусов. В результате этого число атомов растёт, и они уже образуют квантовые точки размером 1−5 нм, потом наночастицы размером 5−10 нм, а дальше нанокристаллы размером 10−50 нм», — цитирует Николая Никонорова портал STRF.ru.

Николай Никоноров, руководитель проекта «Разработка новых квантовых материалов и фотонных устройств на их основе». Фото: strf.ru
Николай Никоноров, руководитель проекта «Разработка новых квантовых материалов и фотонных устройств на их основе». Фото: strf.ru

Благодаря этой технологии на первом этапе проекта удалось создать материал, который объединил в себе лучшие эксплуатационные свойства стекла и кристалла. Как из стекла, из него можно вытягивать оптическое волокно, использовать технологии напыления и прессования, при этом он обладает прочностью и теплопроводностью кристалла. Кроме того, ученые смогли управлять не только концентрацией наночастиц и нанокристаллов, но и влиять на их форму и ориентацию. За счет того, что они способны поглощать свет в разных областях спектра, разработчики могут создавать цветные надписи и рисунки внутри объема стекла только с помощью лазерного излучения и термообработки. Этот эффект можно использовать, к примеру, для создания цветных объемных изображений и 3D-фотографии.

Есть и другие разработки. Николай Никоноров отмечает, что исследователи создали новый класс светочувствительных материалов — фототерморефрактивные стекла. Их свойства, к примеру, помогают многократно повышать эффективность лазерной техники.

«У полупроводниковых лазеров очень широкий спектр излучения — 10 нанометров, и он в зависимости от температуры „плавает“ (так называют температурный дрейф длины волны излучения). Если же сделать голограмму на фототерморефрактивном стекле и вставить её в резонатор полупроводникового лазера, то ширина полосы излучения будет значительно уменьшена (до 5 пикометров), а также будет повышена спектральная яркость излучения и температурная стабильность длины волны», — объясняет эксперт.

Отметим, что проект «Разработка новых квантовых материалов и фотонных устройств на их основе» реализуется при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы». Целью проекта является разработка материалов с уникальными электронными и оптическими свойствами. На их основе планируется разрабатывать фотодетекторы, источники излучения, термодетекторы и компоненты оптических телекоммуникационных систем для российской электронной индустрии.

По материалам портала STRF.ru.

Архив по годам:
Пресс-служба