Российский научный фонд поддержал сразу два проекта ученых лаборатории нано-биоинженерии ИФИБ НИЯУ МИФИ

Сразу два проекта сотрудников лаборатории нано-биоинженерии (ЛНБИ) Инженерно-физического института биомедицины (ИФИБ) НИЯУ МИФИ (заведующий лабораторией – профессор Игорь Набиев) одержали победу в конкурсе на продление грантов Российского научного фонда (РНФ). Результаты, полученные в течение первых трех лет выполнения этих проектов, были признаны достаточно перспективными для продления финансирования предложенных программ исследований на следующие два года.

В конкурсе на продление проектов на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» победил проект «Высокоэффективные гибридные светоизлучающие диоды на основе квантовых точек и проводящих органических полимеров (QD-LED)» под руководством заместителя заведующего и руководителя группой нанохимии ЛНБИ ИФИБ, кандидата химических наук Павла Самохвалова. В течение первых трех лет выполнения проекта ученым удалось показать, насколько сильно характеристики гибридных светоизлучающих диодов зависят не только от строения и состава неорганической части квантовых точек (ядра и оболочки), но и от состава и типа оболочки органических лигандов, всегда присутствующих на поверхности коллоидных нанокристаллов. По результатам работ коллективу проекта удалось предложить оптимальные процедуры обработки поверхности квантовых точек перед изготовлением активных светоизлучающих слоев гибридных светодиодов, а также разработать способы повышения временной стабильности и улучшения спектральных характеристик гибридных светоизлучающих слоев, на поверхность которых вводились специально синтезированные органические лиганды. Немалое внимание коллектива было уделено и общей оптимизации конструкции светодиодов, в ходе которой были подобраны наилучшие транспортные материалы, позволяющие реализовать все преимущества использования квантовых точек с многокомпонентной оболочкой в качестве активного электролюминесцентного материала.

По результатам первых трех лет проекта ученые ЛНБИ опубликовали семь статей (четыре из которых – в изданиях, входящих в первый квартиль Q1 лучших мировых журналов), а также представили результаты на целом ряде значимых международных конференций.

Следующие два года выполнения проекта будут посвящены развитию основных достижений и результатов проекта 2018-2020 гг. применительно к наиболее перспективным сейчас материалам и технологиям светоизлучающих диодов на основе полупроводниковых нанокристаллов, таких как перовскитные нанокристаллы и менее токсичные квантовые точки. Кроме того, планируется создание уникальных плазмон-экситонных светодиодов, в которых в качестве активных слоев будут использованы композиты квантовых точек и плазмонных наночастиц, что позволит ускорить излучательные процессы внутри светодиода за счет реализации слабой связи «свет-вещество». Эти исследования поддержаны выделенным РНФ финансированием на 2021 – 2022 гг. в размере 6 млн. руб. в год.

Руководитель проекта, Павел Самохвалов, отметил, что основная работа в следующие два года будет связана с созданием новых материалов для гибридных светодиодов на основе высокостабильных перовскитных нанокристаллов, малочувствительных к воздействию окружающей среды, изготовлением композитных материалов с близким к белому свету спектром излучения и обладающих высоким квантовым выходом флуоресценции, а также разработкой нового типа устройств, реализующих усиление электролюминесценции полупроводниковых нанокристаллов за счет плазмон-экситонного взаимодействия с различными типами металлических наночастиц. Результаты этих работ лягут в основу ряда высокорейтинговых публикаций коллектива исполнителей проекта, и, в целом, создадут в России новые компетенции в быстроразвивающихся областях нанофотоники и оптоэлектроники на основе гибридных наноматериалов.

В конкурсе на продление проектов, поддержанных грантами РНФ по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, победил проект «Двухфотонные процессы в гибридном материале на основе полупроводниковых квантовых точек и плазмонных наноструктур для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике» под руководством кандидата физико-математических наук Виктора Кривенкова. В течение первых трех лет выполнения проекта ученым удалось показать существенное увеличение яркости тонкопленочных покрытий из квантовых точек при добавлении к ним металлических плазмонных наночастиц, как результат образования связи свет-вещество. Были разработаны конфигурации гибридных плазмон-экситонных материалов с увеличенной эффективностью как экситонной, так и биэкситонной фотолюминесценции, способные работать как при однофотонном возбуждении, так и режиме нелинейного двухфотонного возбуждения. Особенно значимым результатом было обнаружение эффекта нелинейного двухквантового переноса энергии от золотых наностержней к полупроводниковым квантовым точкам, позволяющего контролировать яркость покрытий на основе данного материала нелинейным образом.

Молодые ученые опубликовали девять исследовательских статей в ведущих международных журналах, в том числе четыре в журналах первого квартиля международных рейтингов и выступили с семью докладами на международных научных конференциях, посвященных проблемам нанофотоники. Несмотря на период пандемии все поставленные перед научным коллективом задачи были успешно выполнены и перевыполнены.

Следующие два года выполнения проекта будут посвящены изучению гибридных плазмон-экситонных материалов на уровне одиночных нанокристаллов. Главной практической целью продолжения проекта является разработка квантовых излучателей нового поколения, способных генерировать пары квантово-запутанных фотонов в результате биэкситонной рекомбинации. Планируется, что в ходе выполнения проекта также будут получены важные фундаментальные результаты, связывающие реализацию сильной и слабой связи свет-вещество с эффективностью генерации коррелированных фотонов одиночными плазмон-экситонными квантовыми излучателями. Эти исследования поддержаны выделенным РНФ грантом на 2021 – 2022 гг. в размере 6 млн. руб. в год.

Научный сотрудник лаборатории Виктор Кривенков, отметил, что исследования в рамках руководимого им проекта является частью важного современного направления в области нанофотоники, связанного с эффектами образования сильной связи свет-вещество. Этот эффект позволяет управлять квантовыми состояниями излучаемых фотонов (в частности, их поляризацией), а увеличение силы связи положительно влияет на степень запутанности генерируемых фотонных пар. Благодаря уникальным свойствам плазмон-экситонной связи, продемонстрированным в течение первых трех лет проекта, создание плазмон-экситонных структур на основе квантовых точек является крайне перспективным подходом к преодолению недостатков, ограничивающих использование квантовых точек для надежной генерации коррелированных фотонов. Сочетание уникальных сравнительных преимуществ квантовых точек и устранение их недостатков при использовании плазмон-экситонной связи света с веществом позволяет разрабатывать источники, функционирующие в режиме генерации коррелированных фотонов «по запросу» и расширяет технологическую базу для исследования новых методов квантовой информатики и квантовой криптографии в Российской Федерации.