Российские ученые заставили наноантенны излучать фотоны

Физики из ИТМО заставили перовскитные наноантенны излучать в диапазоне от 530 до 770 нанометров. Такие наноантенны сравнительно легки и дешевы в производстве, а длину волны их излучения можно изменять, контролируя химический состав. Статья опубликована в Nano Letters.

Нанофотоника изучает такие источники фотонов, размеры которых сравнимы с длиной излучаемой волны (длина волны видимого света меняется от 450 до 700 нанометров). Чаще всего ученые используют в качестве таких излучателей отдельные молекулы, квантовые точки или наночастицы с активными дефектами. Однако такие источники не очень эффективны, поскольку излучают ненаправленно, то есть во все стороны. Чтобы исправить это, необходимо использовать наноантенны, которые усилят и перенаправят излучение в нужную сторону. На данный момент ученые разработали несколько различных типов наноантенн, например, плазмонные или диэлектрические антенны.

С другой стороны, если заставить излучать сами наноантенны, дополнительно усиливать и фокусировать излучение не придется. Проблема заключается в том, что совместить источник излучения и резонатор в одном и том же месте не так-то просто. Тем не менее, некоторые диэлектрики, например, арсенид или нитрид галлия (GaAs и GaN), могут излучать свет благодаря прямым переходам электронов между различными зонами, и одновременно с этим обладают достаточно большим коэффициентом преломления, чтобы испытывать резонанс Ми и усиливать излучение в видимом диапазоне. Резонанс Ми — это увеличение интенсивности рассеянного на сферической частице излучения для определенных длин волн, сравнимых с размерами частицы. К сожалению, изготавливать такие неорганические наноантенны слишком дорого, и это ограничивает их практическое применение.

Группа физиков под руководством Сергея Макарова и Юрия Кившара описала и изготовила гибридные (organic−inorganic) перовскитные наночастицы, которые могут излучать при комнатной температуре благодаря переходам между различными экситонными состояниями. В то же время, в таких частицах возникает электрический и магнитный резонансы Ми, что позволяет им усиливать излучение. Предложенные гибридные наночастицы принадлежат семейству MAPbX₃, где MA — это метиламмоний CH₃NH₃, а X — это анион иода I, брома Br или хлора Cl. Изготавливать такие частицы сравнительно просто и дешево, а цвет излучения можно контролировать, заменяя анионы, входящие в состав наночастиц.

Исследуемые наночастицы ученые изготовили с помощью лазерной печати. Для этого они поместили на небольшом расстоянии от кремниевой подложки перовскитную пленку, полученную осаждением раствора иодида метиламмония MAI, иодида свинца PbI₂ и вспомогательного вещества (мокрая химия), а затем облучили ее вспышками фемтосекундного иттербиевого (Yb³⁺) лазера. В результате на подложке образовались наночастицы MAPbI₃ размером от 50 до 500 нанометров, форма частиц была близка к сферической.

Затем физики исследовали оптические свойства изготовленных наночастиц, облучая их линейно поляризованным светом галогеновой лампы и наблюдая, как они рассеивают падающий свет. В результате ученым удалось разглядеть магнитнодипольный и магнитоквадрупольный резонансы Ми, которые в сумме давали резкий рост интенсивности рассеянного света для длин волн порядка тысячи нанометров. Как и ожидалось, резонансные частоты уменьшались при увеличении диаметра частиц, причем экспериментальная зависимость в целом совпадала с теоретическими предсказаниями (смотри рисунок).

После этого ученые заставили наноантенны излучать, возбуждая их лазером. Оказалось, что когда длина волны экситонной линии излучения совпадает с магнитоквадрупольным резонансом частицы, излучение существенно усиливается — примерно в пять раз по сравнению с более мелкими частицами и почти в два раза по сравнению с перовскитной пленкой.

Наконец, исследователи изучили, как резонансная частота наночастиц зависит от их химического состава. Для этого они тем же самым способом изготовили и исследовали наночастицы MAPbBr₃ и MaPbBr_1,5I_1,5. Оказалось, что при увеличении концентрации брома резонансы все больше и больше сдвигаются в сторону коротковолнового излучения. Проще говоря, чем больше брома в наночастице, тем «синее» излучаемый ей свет. По словам ученых, это связано с уменьшением энергетического зазора, который связан с коэффициентом преломления материала наночастиц (закон Мосса).

В прошлом году ученые из Австралийского национального университета создали наноантенны, которые преобразуют инфракрасный свет в видимый. В посвященной разработке статье исследователи отмечают, что соединить антенны и прозрачный материал было непросто. Примечательно, что в число соавторов статьи входит Юрий Кившар, руководитель нового исследования физиков из ИТМО.

Дмитрий Трунин