Поиск - новости науки и техники

Морковки в стекле. Ученые возделывают грядку для фотонных устройств

В популярном итальянском фильме “Бархатные ручки” герой неотразимого Адриано Челентано инженер Гвидо изобрел сверхпрочное стекло, позволяющее спокойно спать ювелирам, и тщательно охраняет его рецептуру и способ варки от шайки грабителей. Этот занятный сюжет я вспомнил, увидев на столе заведующего кафедрой оптоэлектронных технологий и материалов Университета ИТМО профессора Николая Никонорова (на верхнем снимке в центре) коробочку с прозрачными пластинами. Вроде бы обычные стекляшки, но стоит поднести к лампе, как заметишь, что внутри них переливаются записанные методом голографии дифракционные решетки или искрятся снежинки. Это стеклокерамика – гетерофазный материал, состоящий из стеклообразной матрицы и выращенных в ней диэлектрических или полупровод­никовых кристаллов. Запрятать в аморфное стекло горсть кристаллов или изображение – уметь надо! А если изображение содержит ценную информацию, по-особому пропускает или преломляет лучи света – такому умению цены нет. Удивительные формы взаимодействия стекла и света используются в проекте “Новые квантовые материалы и фотонные устройства на их основе” (руководитель Николай Никоноров), поддержанном финансово в рамках ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” Министерством образования и науки РФ.

– Аналогия с известным фильмом относительная, – улыбнулся профессор. – Мы разработали не один тип стекла, а палитру многофункциональных стеклообразных материалов. И не для утилитарно-узкого, а для широкого применения в оптических, лазерных и телекоммуникационных системах. И студентов учим говорить, что не ВАРИМ стекло, как хозяйка борщ, а целенаправленно проводим его СИНТЕЗ. Нам удается привнести наноразмерные структуры в матрицу стекла, то есть выращивать в его объеме молекулярные кластеры, металлические наночастицы, квантовые точки, диэлектрические и полупроводниковые нанокристаллы. Стекло на стадии синтеза легируем ионами переходных металлов или редких земель. Причем эти ионы-активаторы могут входить в нанокристаллическую фазу. В результате такой активации, или легирования, стекло обретает уникальные свойства, присущие именно гибридным структурам.
Понятно, что состав, размер, форма и концентрация включений определяют физико-химические свойства материала. Николай Валентинович показывает мне еще несколько стеклышек. Одно как будто в пузырьках: это макрокристаллы, выросшие при нагреве спонтанно и в произвольных местах, в том числе на поверхности, их даже можно пощупать. Второе содержит кристаллы микронного размера и потому опалово-белое из-за большого рассеяния света. Третье – абсолютно прозрачное – получено при уменьшении размера кристалликов до 5-10 нанометров. Это наностеклокерамика – материал с высокой механической, термической и оптической прочностью, а также низкими оптическими потерями в широком спектральном диапазоне. И его уже можно отнести к разряду оптических материалов (см. нижний снимок).
– Что самое интересное, – поясняет профессор, – мы научились управлять распределением нанокристаллов в матрице стекла при помощи ультрафиолетового излучения и последующей термической обработки. Показатели преломления нанокристаллов и матрицы стекла различаются, что позволяет нам записывать в объеме стекла сверхглубокие (до 10 мм) фазовые голограммы с высокой дифракционной эффективностью и разрешением. Мы назвали это стекло фото-термо-рефрактивным и на его базе создаем оптические элементы. Например, записываем в объеме стекла решетку Брэгга и с учетом ее высокой угловой и спектральной селективности делаем сверхузкополосные спектральные фильтры с шириной полосы пропускания 1 ангстрем. Они используются в телескопических лазерных системах. А еще брэгговские решетки применяют для повышения спектральной яркости излучения и температурной стабильности мощных лазеров.
Когда профессор Никоноров рассказывал о серебряных морковках, выращиваемых в массе стекла, я уже не удивлялся. Суть в следующем: сначала излучением лазера в стекле формируют кластеры серебра, затем при термической обработке их собирают в наночастицы. При увеличении температуры к этим частичкам “подползают” другие компоненты стекла, создавая вокруг них оболочки – не только сферические, но также эллиптические, кубические и даже вытянутые наподобие морковок. При дальнейшем облучении и последующей термообработке уже на эти наноморковки начинает осаждаться металлическое серебро.
У таких продолговатых несимметричных частиц спектр поглощения сдвигается в зависимости от толщины и длины. Таким образом, в объеме стекла можно формировать цветное изображение, причем без химии, красок и кисточек – только за счет облучения лазером и термообработки. Применяются наноморковки и как сверхчувствительные подложки для химических и биологических сенсоров, использующие поверхностный плазмонный резонанс.
В распоряжении ученых набор стеклообразных матриц – силикатные, фосфатные, боратные, фторидные.
Для получения экспериментальных образцов стекол, желательно – с рекордными характеристиками, в ход идут добавки: редкие земли, переходные и благородные металлы, молекулярные кластеры, квантовые точки, наночастицы и нанокристаллы – суммарно 15-20 элементов таблицы Менделеева. У каждого свои особенности, но и своя цена, фактор доступности существенно влияет на внедрение новинки в производство. Что же в итоге? Созданные на кафедре материалы могут собирать, записывать, регистрировать, генерировать, усиливать, нелинейно поглощать свет, вращать плоскость поляризации. А значит, их можно применять как в источниках света, так и в приемниках и “начинке” прибора (фильтры, модуляторы, селекторы и т.д.).
Технологическая база кафедры инженеру Гвидо и не снилась – высокотемпературные печи с кварцевыми, керамическими и платиновыми тиглями; рентгеновский, оптический, колориметрический и прочий инструментарий для характеризации физико-химических свойств образцов. Есть база и для создания оптических элементов и устройств на основе новых материалов. Полноценная цепочка “материал – свойства – устройство” от поиска до внедрения прослеживается как в научно-исследовательском, так и в учебном процессе. Не случайно мой собеседник был разработчиком программ подготовки бакалавров и магистров по направлению “Фотоника и оптоинформатика”. Прикладные компетенции студенты и аспиранты оттачивают, выполняя работы по проектам, хоздоговорам и грантам в университетском НИЦ нанофотоники и оптоинформатики, который также возглавляет профессор Никоноров. Этот симбиоз позволяет выполнять исследования, результаты которых востребованы в лазерной технике, голографии, нелинейной оптике, солнечной энергетике, светодиодном освещении. И бакалавры охотно поступают в магистратуру.
Но в ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” – все по-взрослому: “неуды” и “незачеты” исключаются. Проект, рассчитанный на три года и разбитый на пять этапов, софинансирует индустриальный партнер – ОАО “ЦНИИ “Циклон” (Москва), специализирующийся на разработке и выпуске инфракрасной техники. Создан консорциум соисполнителей, в который входят Сколковский институт науки и технологий и Новосибирский государственный университет. Сколтех создает графеноподобные материалы и планарные элементы инфракрасной фотоники, а также фотоприемники нового поколения на их основе. Новосибирцы тоже имеют дело с графеноподобными структурами: пробуют инкорпорировать их в стекло и вытянуть оптическое волокно для поглотителей света.
– Мы больше понимаем в стекле, они – в графенах, мы применяем разные технологии и дополняем друг друга, идет взаимный обмен знаниями и умениями, – популярно объяснил заместитель руководителя проекта Алексей Рохмин.
Сейчас, на третьем этапе, по рекомендации индустриального партнера в состав консорциума включается петербургская компания “Светлана-Рост”, ориентированная на разработку технологии получения фотоприемных матриц в диапазонах 5-6 и 8-12 микрометров. Соучастие представителя наукоемкого бизнеса, тесно связанного с промышленностью, вполне логично. Особенность проекта в том, что это не НИР и не ОКР, а ПНИЭР – поисковые научно-исследовательские экспериментальные работы; фундаментальные исследования сопряжены с практической реализацией их результатов на предприятиях индустриального партнера. Иначе эти необычные стекла, в том числе с наноморковками, были бы интересны только тем, кто их сотворил.
– Мы не зациклились на одном оптическом материале, а решаем целый круг задач, – на прощание формулирует профессор Никоноров. – И каждая требует правильного подбора исходных компонентов. Поиск новых сочетаний, дающих новые свойства, – не механический перебор вариантов, а целенаправленные исследования и осмысленные действия.
Что ж, пока получается. Так, на втором этапе проекта в Университете ИТМО разработано стекло с люминесцентными молекулярными кластерами серебра, которыми можно управлять при помощи лазерного излучения в объеме материала. Область применения – конверторы света для солнечных батарей. В стекле с молекулярными кластерами меди обнаружен новый эффект – термохромная люминесценция: изменение цвета с красного при комнатной температуре до сине-зеленого при нагревании до 200оС. Чем не идея для люминесцентных датчиков температуры? Стекло с полупроводниковыми нанокристаллами хлорида меди может послужить основой фильтров для защиты органов зрения и фотоприемных устройств от импульсного лазерного излучения…
Поскольку проект в целом ориентирован на технологическую независимость, на третьем и четвертом его этапах предстоит показать возможности новых материалов, с прицелом на импортозамещение. То есть изготовить на их основе элементы и устройства фотоники нового поколения и продемонстрировать характеристики уже не материалов, а устройств. И с этим не должно быть проблем, потому что в Университете ИТМО успешно создают отечественные элементы и устройства фотоники из отечественных же компонентов!

Аркадий Соснов

Фотоснимки предоставлены кафедрой ОТиМ Университета ИТМО

Полностью спецвыпуск КПД представлен в формате  PDF

Нет комментариев