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 MaPbBr1,5I1,5. 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
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.