该项目的目标是 建立功能纳米材料光子学实验室 (Laboratory of Functional Photonic Nanomaterials)。实验室的核心重点是开发新型纳米材料和纳米光子设计，以研制出可在室温下工作的可见光波段纳米和微米激光器。这些激光器需具备超紧凑尺寸、超快调制模式、低激射阈值，支持连续光泵浦或电泵浦，能够控制所产生辐射的偏振和空间特性，并与波导系统集成。
实现上述激光器的每一项特性都是一项独立任务，它们共同构成了一个相互关联的研究循环链，包括设备架构的理论开发、高质量样品的制备、初步实验、理论模型的完善和工艺优化，以及对具有所需参数的最优化设计进行实验实现。
主要任务包括开发新的理论模型和合成新的纳米材料，随后对获得的样品进行多阶段表征，并将其与其他纳米光子设计进行集成。经过一系列循环后，项目将达成目标——即研制出具有所需性能的纳米和微米激光器。
拟议研究的关键成果将包括：
预计该项目取得的科学成果将在高影响力期刊上发表，并将在俄罗斯经济的高科技领域得到应用。
协议编号：075-15-2021-589，项目名称：“基于新型纳米材料和先进光学架构的纳米激光器与微型激光器”。
论文答辩：
实现上述激光器的每一项特性都是一项独立任务，它们共同构成了一个相互关联的研究循环链，包括设备架构的理论开发、高质量样品的制备、初步实验、理论模型的完善和工艺优化，以及对具有所需参数的最优化设计进行实验实现。
目标与任务
主要任务包括开发新的理论模型和合成新的纳米材料，随后对获得的样品进行多阶段表征，并将其与其他纳米光子设计进行集成。经过一系列循环后，项目将达成目标——即研制出具有所需性能的纳米和微米激光器。
拟议研究的关键成果将包括：
- 研制出具有创纪录光增益系数、超快光学响应以及高导电性和高导热性的纳米材料。
- 支持高品质因数光学共振和室温可见光波段激光激射的新型超紧凑纳米谐振器。
- 与波导系统（包括拓扑保护系统）集成的纳米和微米激光器，适用于可见光和近红外波段。
- 通过优化的激子非线性实现纳米和微米激光器的超快调制。
预计该项目取得的科学成果将在高影响力期刊上发表，并将在俄罗斯经济的高科技领域得到应用。
协议编号：075-15-2021-589，项目名称：“基于新型纳米材料和先进光学架构的纳米激光器与微型激光器”。
科学成果
- 制备了ABX3型材料（其中X为卤素）以及II-VI族半导体的纳米晶体和纳米结构样品。包括纳米线的合成，以及用于进一步纳米结构化的纳米晶体薄膜合成。
- 开发了基于单个半导体纳米颗粒的纳米谐振器理论模型，该模型最适合室温下的激光产生。计算了品质因数与基底材料及形貌的依赖关系。
- 开发了一种纳米谐振器理论模型，该模型由支持高品质因数光子态的一维纳米颗粒阵列组成，用于激光产生任务，并适用于由半导体纳米线制备。
- 设计了超表面结构，可同时在泵浦频率和激光产生频率下提供临界耦合模式，从而同时降低激光产生阈值并提高激光输出功率。
- 在磷化镓超表面上合成了CsPbCl3钙钛矿片状微晶。获得了样品的光致发光光谱，以及光致发光强度与单光子和双光子光激发功率的依赖关系。
- 在硅超表面上制备了CsPbBr3钙钛矿纳米晶薄膜样品。获得了样品的扫描电子显微镜图像。确定了在相同激发激光辐射功率下，样品光致发光强度与光学泵浦波长的依赖关系。
- 开发了一种对从CdSe/CdZnS核/壳结构纳米片（NPLs）胶体溶液沉积的发光薄膜进行直接飞秒激光纳米结构化的方法。确定了观察到纳米片光致发光增强的纳米结构（一维光栅）几何参数。
- 获得了钙钛矿太赫兹辐射探测器样品。确定了在脉冲紫外激光辐射门控样品时，MAPbI3和MAPbBr3薄膜及单晶的光电流与太赫兹光学泵浦特性的依赖关系。
- 已获得新型空穴传输材料。多层钙钛矿光电器件。空穴传输材料薄膜形貌的原子力显微镜（AFM）图像。器件运行的时间稳定性测试结果。
- 开发了一种基于激光冲击加热形成碳点（CDs）的方法。碳点的光致发光光谱。碳点的透射电子显微镜图像。碳点的X射线光电子能谱数据。
- 通过磁偶极子（MD）和磁四极子（MQ）米氏共振，在半导体微盘激光器-硅纳米颗粒混合系统中实现了对激光辐射的有效控制。制备的带有InAs/InGaAs量子点的微盘激光器（MDL）在室温下支持主磁横模1.46、λ = 1285 nm的激光产生模式。研究发现，纳米颗粒使微盘激光器的激射峰位移小于1 nm，并在MD和MQ纳米颗粒的情况下分别有助于降低25%和14%的激射阈值。确定了两种情况下从微盘激光器引出的辐射方向性。
- 开发了一种纳米光子设计模型，由两个覆盖有薄层相变材料（Sb2Se3, GeSbTe）的硅纳米平行六面体组成，展示了光谱调谐或准连续域束缚态（quasi-BIC）类型的高品质因子光学共振的开关效应，适用于在其频率下观察激光产生。
- 开发了一种用于优化非线性模式下谐振器光学加热的理论方法，该方法能够引起激光辐射的光谱调谐。基于掺杂硅圆柱颗粒中超谐振器模式的新型纳米光子设计，展示了光到热的高效转换。
- 开发了一种基于与HCl气体相互作用的单个CsPbBr3钙钛矿丝状纳米晶体的光谱可调谐激光器。描述了核壳型纳米晶体中结构形成与激光线光谱位移量之间关系的模型。
- 结果表明，通过压力下高温重结晶方法获得的厚度优化为≈100 nm的CsPbBr3薄膜，其模态增益值超过10000 cm–1，这是体相钙钛矿材料中的创纪录数值。此类薄膜将允许制造各种光刻光子结构。
- 在通过纳米压印光刻制造的非局域钙钛矿超表面中，实现了由奇异点介导的室温激子极化激元激光产生。所研究的光子设计有望催生低成本的连续波激光器和电泵浦激光器，满足工业应用需求。
- 证实了钙钛矿薄膜和丝状纳米晶体中激光产生的激子极化激元本质，随后展示了尺寸为200 nm的无反转米氏共振纳米激光器。所开发的方法对于可见光谱相干光源的进一步小型化以及下一代纳米光子器件的实现具有广阔前景。
- 利用喷墨打印技术制造了由钙钛矿微型激光器和 TiO2 波导组成的光子器件。喷墨打印技术的进一步发展将实现全打印光子元件光学芯片的生产。
- 在硅衬底上展示了双功能钙钛矿发光器件/光探测器，并证明了其巨大的技术潜力。
- 首次研究了基于单个CsPbBr3片状和丝状微晶的MPM型微结构的低温电致发光。在微结构中实现了高电流密度（超过2 KA cm-2），据可靠评估，该电流密度足以观察到电激发下的激光发射。
教育与人才再培训
- 在项目实施期间，共有7名研究生（Khmelevskaya D.、Azizov R.R.、Anoshkin S.S.、Masharin M.A.、Markina D.I.、Tonkaev P.A.、Glebov N.V.）在比尔肯特大学（土耳其）完成了实习。
- 1名研究生（Marunchenko A.）在隆德大学（瑞典）完成了实习。
- 1名研究生（Sapozhnikova E.V.）在北京理工大学（中国）完成了实习。
论文答辩：
- Daria Igorevna Markina。副博士学位论文《铅卤化物钙钛矿丝状微纳晶体中的光谱可调激光产生》。
- Kirill Leonidovich Koshelev。博士（PhD）学位论文“Advanced trapping of light in resonant dielectric metastructures for nonlinear optics”。
- Yuri Anatolyevich Mezenov。副博士学位论文《激光辐射与柔性金属有机框架的相互作用：结构改性与非线性光学响应》。Mikhail Alekseevich Masharin。副博士学位论文《基于卤化物钙钛矿的平面光学谐振腔的非线性激子-极化激元特性》。
- Pavel Andreevich Tonkaev。副博士学位论文《卤化物钙钛矿结构中辐射复合速率与强度的控制》。
- Grigory Andreevich Verkhoglyadov。副博士学位论文：“用于太阳能电池和LED实现的有机-无机钙钛矿离子迁移研究”。
- Irina Georgievna Koryakina。副博士学位论文：“利用微流控技术改变光敏纳米和微米级晶体的结构及光学特性”。
合作伙伴
- “俄罗斯柔性电子中心” (RCFE)，位于特罗伊茨克市，是目前唯一一家基于IGZO技术生产柔性TFT矩阵的试点工厂。自2021年以来，双方在光电探测器和显示矩阵的新材料及纳米材料领域开展了积极合作。
- “科利佐夫”特别设计建设局股份公司。该公司专门从事具有“五级验收”标准的信息输入输出系统的研发与生产 (https://koltsov-kb.ru/)。目前，双方正在探索基于新型纳米材料创建段式LED和发光矩阵的方法。
- PJSC “Gazprom Neft”。2022年为客户开展了“柔性电子技术及应用方法研究”项目，旨在寻找柔性电子在IoT/IIoT及可穿戴设备中的现有解决方案和技术（包括增材制造/3D打印）。分析所得技术方案，寻找IoT/IIoT及可穿戴设备柔性电子设备制造领域的市场供应，并确定柔性电子技术/设备的发展情景，包括本实验室所致力于研究的功能纳米材料基础应用。
- “有机与印刷电子技术”有限责任公司（TOPE LLC）。TOPE LLC是OJSC “Central Research Institute Cyclone”的子公司，隶属于OJSC “Russian Electronics”控股公司（该行业最大的控股公司，由123家电子行业企业组成）。目前正在就光电子新材料领域的合作进行谈判。
- “激光中心”是一家俄罗斯研发生产型公司，汇集了在激光系统设计制造以及将先进激光技术引入各类生产领域方面拥有独特经验的高素质专家（https://www.newlaser.ru/）。
网站：https://physics.itmo.ru/ru/lfpn/about
联系人：阿列克谢·叶夫根尼耶维奇·朱可夫，实验室主任
地址：圣彼得堡，罗蒙诺索夫街9号，2426室
电话：+7 (812) 480-08-32
电子邮件：edu.physics@itmo.ru
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