Новый метод конструирования нанообъектов поможет создавать более сложные оптические устройства и материалы

Ученые Университета ИТМО разработали новый подход для конструирования нанообъектов, позволяющий изучить и спрогнозировать, как деформации и дефекты кристаллической структуры влияют на оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов. Модель позволяет вычислять как линейные, так и нелинейные оптические свойства нанообъектов различной формы — свитков, стержней, пластин и других. Разработанный подход может быть использован для создания оптических материалов и устройств с новыми функциональными возможностями — для доставки лекарств, для разработок в таких областях, как биосенсинг и спинтроника. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters и использованы в статье для журнала ACS Nano.

В последние годы резко возрос интерес к созданию новых устройств и инструментов, основанных на применении полупроводниковых нанокристаллов, активно использующихся в биологии, медицине, электронике и многих других сферах. Причиной стремительного проникновения полупроводниковых нанокристаллов в разнообразные области науки и технологий являются их уникальные оптические характеристики. Сейчас с помощью изменений химического состава и морфологии ученые могут легко модифицировать оптический отклик полупроводниковых нанокристаллов.

Существует еще один мощный инструмент для изменения оптического отклика полупроводниковых нанокристаллов — это искажение их кристаллической структуры. В своей работе группа исследователей из лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур» Университета ИТМО под руководством Ивана Рухленко предложила теоретическое описание новой методики для изучения оптических свойств полупроводниковых нанокристаллов с дефектами кристаллической структуры. Авторы исследования рассмотрели наноструктуры различных форм, а также разработали общие методики для вычисления их линейных и нелинейных оптических свойств.

«Фундаментальное значение работы заключается в том, что в ней предлагается новый метод конструирования полупроводниковых нанообъектов. Как известно, нанообъекты могут использоваться как отдельные квантовые структуры, так и для сборки более сложных квантовых суперструктур. В нашей работе мы как раз моделируем свойства отдельного наноблока. Мы делаем это на уровне кристаллической решетки и формы одновременно. Специальным образом подбирая форму и добавляя дефекты и деформации кристаллической решетки наноблока, мы можем существенным образом изменить его свойства и усилить желаемые оптические эффекты. Такой подход, в частности, позволяет делать оптически активными наноблоки, которые изначально таковыми не являлись. Структурирование таких наноблоков будет в дальнейшем способствовать созданию оптических устройств нового поколения», — комментирует Анвар Баймуратов, автор статьи, опубликованной в журнале Nano Letters, сотрудник лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур».

Путем разработанного геометрического преобразования можно «виртуально» развернуть наносвиток в нанопластинку, находящуюся в искривленном пространстве, и рассчитать оптические свойства такого нанообъекта.
Путем разработанного геометрического преобразования можно «виртуально» развернуть наносвиток в нанопластинку, находящуюся в искривленном пространстве, и рассчитать оптические свойства такого нанообъекта.

Разработанный теоретический подход получил развитие в другой работе исследователей, посвященной исследованию полупроводниковых наносвитков. Наносвиток представляет собой нанопластинку, которая вследствие определенного механического воздействия приобрела вид многослойной трубки. Уникальность таких объектов заключается именно в такой структуре: в отличие от нанопластинок, наносвитки занимают относительно небольшой объем, сохраняя при этом большую площадь контактной поверхности нанопластинок. Все это позволяет им эффективно взаимодействовать с другими нанообъектами, в том числе и с молекулами.

В статье, опубликованной в журнале ACS Nano, группа исследователей Университета ИТМО разработала новый метод геометрического преобразования, который позволяет «развернуть» наносвиток в нанопластину и рассчитать оптические свойства нанопластинки в искривленном пространстве.

«Этот метод аналогичен тому методу, который используется, например, в общей теории относительности Эйнштейна. Пользуясь данным преобразованием, мы смогли рассчитать оптические свойства такой нанопластинки в искривленном пространстве, тем самым описав оптический отклик наносвитка, — рассказывает Никита Тепляков, автор работы в ACS Nano, сотрудник лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур». — На текущий момент такие объекты исследуются исключительно экспериментально. Сейчас в научной среде преимущественно ставится вопрос о химической характеризации свойств наносвитков или о разработке новых методов их получения, но теоретическим описанием свойств готовых наносвитков ранее не занимались. Мы своей работой заполняем этот пробел».

Иван Рухленко и Никита Тепляков
Иван Рухленко и Никита Тепляков

Благодаря своей большой контактной поверхности, наносвитки могут применяться в медицине, химии — как катализаторы для химических реакций, средства для захвата и переноса молекул, а также для сенсинга молекул и определения молекулярного состава среды. Кроме того, поскольку наносвитки являются хиральными объектами (хиральность — свойство объекта не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением), еще одним перспективным применением таких объектов является спинтроника, которая, в отличие от устройств традиционной электроники, предполагает перенос энергии или информации не с помощью электрического тока, а при помощи тока спинов. Наносвитки также позволяют исследовать перенос спина в хиральных молекулах, отмечает Никита Тепляков.

В будущем исследователи планируют развить разработанный теоретический подход для изучения оптических свойств полупроводниковых нанокристаллов с дефектами кристаллической структуры в работе с наносвитками гораздо больших размеров, а также для других объектов — наностержней и нанопластин разной формы.

Статья: A. S. Baimuratov, T. P. Pereziabova, W. Zhu, M. Yu. Leonov, A. V. Baranov, A. V. Fedorov, and I. D. Rukhlenko, Optical Anisotropy of Topologically Distorted Semiconductor Nanocrystals, Nano Lett., Article ASAP, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02203 (2017).

Статья: N. V. Tepliakov, A. S. Baimuratov, I. A. Vovk, M. Yu. Leonov, A. V. Baranov, A. V. Fedorov, and I. D. Rukhlenko, Chiral Optical Properties of Tapered Semiconductor Nanoscrolls, ACS Nano, 11 (7), 7508–7515 (2017).

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба