Эксπир
Регистрация / Вход

Композитные наноматериалы с управляемыми спектральными и нелинейно-оптическими свойствами

Работы должны проводиться в рамках критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» Работы должны соответствовать по предполагаемому исполнению лучшим мировым стандартам. Создаваемый научно-технический задел должен обеспечивать в будущем проведение опытно-конструкторских и технологических работ на конкурентном уровне. Результаты работ должны способствовать дальнейшему инновационному развитию российских технологий в данном приоритетном направлении Программы.

Соисполнители

Организация
ИНЭОС РАН
Организация
ФИАН

Этапы проекта

1
22.03.2007 - 31.08.2007
Проект посвящен разработке методов управления спектральными и нелинейно-оптическими характеристиками композитных наноматериалов. Исследованы оптические свойства полупроводниковых и металлоорганических наночастиц. Синтезированы фениленовые дендримеры и полупроводниковые наночастицы в полимерной матрице. Найдены оптимальные параметры полупроводниковых нановолноводов для преобразования излучения в субволновые поля. Предложен метод определения параметров лазерного излучения для управления процессами в молекулах и наноструктурах. Основные конкретные результаты работы своядятся к следующему:
• В широком диапазоне плотностей мощности возбуждающего лазерного излучения получены спектры поглощения и люминесценции полупроводниковых наночастиц CdSe/ZnS в толуоле, а также измерен нелинейно-оптический отклик среды. Установлены зависимости спектров и нелинейного показателя преломления среды от размера и концентрации наночастиц, длины волны излучения, от средних и пиковых плотностях и мощностях излучения. Определены коэффициенты поглощения света в диапазоне длин волн 250-1000 нм, а также показатель преломления исследуемого нанокомпозита. Обнаружено, что в результате эффекта самовоздействия лазерных пучков, проходящих кюветы с коллоидным раствором, происходит трансформация поперечного распределения интенсивности в интерференционную картину с широким внешним светлым кольцом и последовательностью колец, сужающихся к центру пучка. На этой основе предложен способ дистанционной диагностики размеров и концентрации наночастиц.
• Экспериментально и теоретически исследованы оптические свойства композитных металлорганических наночастиц, состоящих из ядра благородного металла (Ag) и J-агрегатной оболочки цианинового красителя и имеющих размер ~ 10 нм. Установлено, что в спектрах поглощения таких наночастиц в водном растворе имеется два ярко выраженных пика, которые связаны с наличием плазмонного резонанса в металлическом ядре и с электронным возбуждением J-агрегата. Дано количественное объяснение результатов эксперимента. Предложен способ управления оптическими свойствами исследуемого композитного наноматериала.
• Разработана методика синтеза ряда композитных наноматериалов, перспективных для применения в оптоэлектронике. На ее основе синтезированы фениленовые дендримеры различных генераций, а также разветвленные полифенилены с контролируемыми молекулярными массами. Проведен синтез узкодисперсных наночастицы CdS в полимерной матрице. На основе однокомпонентных и двухкомпонентных полупроводниковых наночастиц создан нанокомпозтный материал – фениленовая макромолекула / полупроводниковая наночастица.
• Проведено численное моделирование процесса преобразования оптического излучения в поперечно-электрические и поперечно-магнитные световые поля, локализованные на субволновых масштабах (~30-50 нм) в оптических зондах ближнего поля. Продемонстрирована высокая эффективность преобразования излучения в таких нановолноводах для высокорефрактивных полупроводниковых материалов (ZnSe, GaN, GaP, GaAs, Si).
• Разработана квазиклассическая формулировка теории оптимального управления, которая позволяет рассчитывать лазерные поля для управления фотопроцессами в сложных молекулах и наночастицах. Эффективность метода продемонстрирована расчетами лазерных полей для одновременного управления всеми степенями свободы при изомеризации молекулы HCN в газовой фазе.
Развернуть
2
01.09.2007 - 31.10.2007
В ходе выполнения работ по проекту синтезированы и исследованы новые композитные наноматериалы, разработаны методы управления их спектральными и нелинейно-оптическими характеристиками, выяснены физические механизмы исследуемых фотопроцессов и дано количественное объяснение полученных экспериментальных данных. На примере изученных наноматериалов продемонстрирована эффективность предложенных способов управления оптическими характеристиками единичных нанообъектов и наноструктур.
Конкретные результаты проекта по каждому пункту календарного плана состоят в следующем.
На 1 этапе:
• В широком диапазоне плотностей мощности возбуждающего лазерного излучения получены спектры поглощения и люминесценции полупроводниковых наночастиц CdSe/ZnS в толуоле, а также измерен нелинейно-оптический отклик среды. Установлены зависимости спектров и нелинейного показателя преломления среды от размера и концентрации наночастиц, длины волны излучения, от средних и пиковых значений плотности мощности излучения. Определены коэффициенты поглощения света в диапазоне длин волн 250-1000 нм, а также показатель преломления исследуемого нанокомпозита. Обнаружено, что в результате эффекта самовоздействия лазерных пучков, проходящих кюветы с коллоидным раствором, происходит трансформация поперечного распределения интенсивности в интерференционную картину с широким внешним светлым кольцом и последовательностью колец, сужающихся к центру пучка. Изучено влияние тепловой линзы на нелинейность коллоидного раствора квантовых точек CdSe/ZnS и рассмотрены другие возможные механизмы релаксационных процессов в исследуемой системе. Сделан вывод о нетепловой природе наблюдаемой однопучковой интерференции в коллоидных растворах квантовых точек CdSe/ZnS. На этой основе предложен способ дистанционной диагностики размеров и концентрации наночастиц. Дополнительно к этому исследованы оптические свойства композитных металлорганических наночастиц, состоящих из ядра благородного металла (Ag) и J-агрегатной оболочки цианинового красителя и имеющих размер ~ 10 нм. Установлено, что в спектрах поглощения таких наночастиц в водном растворе имеется два ярко выраженных пика.
• Разработана методика и синтезирован ряд композитных материалов, перспективных для применения в нанофотонике, а также проведено исследование их фотолюминесценции и квантового выхода. На ее основе синтезированы фениленовые дендримеры различных генераций, а также разветвленные полифенилены с контролируемыми молекулярными массами, которые обладают высоким квантовым выходом флуоресценции в растворе и интенсивной фотолюминесценцией в пленке. Продемонстрирована возможность управления оптическими свойствами таких материалов благодаря варьированию их структуры. Проведен синтез узкодисперсных наночастиц CdS в полимерной матрице. Установлены закономерности, определяющие выход растворимого полимера и размеры нанокристаллов, выращенных в матрицах полимеров. На основе однокомпонентных и двухкомпонентных полупроводниковых наночастиц создан нанокомпозтный материал – фениленовая макромолекула / полупроводниковая наночастица.
• Проведено численное моделирование процесса преобразования оптического излучения в поперечно-электрические и поперечно-магнитные световые поля, локализованные на субволновых масштабах (~30-50 нм) в оптических зондах ближнего поля. Разработаны физические основы и создан математический алгоритм для расчета амплитуд полей и пространственного распределения электромагнитной энергии в металлизированном коническом волноводе, заполненном диссипативной средой с частотно-зависящей комплексной диэлектрической проницаемостью. Продемонстрирована высокая эффективность преобразования излучения в таких нановолноводах для высокорефрактивных полупроводниковых материалов (ZnSe, GaN, GaP, GaAs, Si). Определены оптимальные геометрические параметры нановолноводов (диаметры выходной апертуры, углы сужения конуса, длины образующей конуса) с целью обеспечения заданной величины коэффициента пропускания. Для различных диапазонов длин волн от ИК до УФ найдены полупроводниковые материалы с высоким показателем преломления и малым коэффициентом экстинкции, являющиеся оптимальными для их использования в качестве сердцевины оптических зондов ближнего поля.
• Разработана квазиклассическая формулировка теории оптимального управления, которая позволяет рассчитывать лазерные поля для управления фотопроцессами в сложных молекулах и наночастицах. Эффективность метода продемонстрирована расчетами лазерных полей для одновременного управления всеми степенями свободы при изомеризации молекулы HCN в газовой фазе. Преимуществом метода является возможность проводить расчеты для систем с большим числом степеней свободы, представляющих наибольший интерес для нано- и биотехнологий. В дополнение к этому предложен эффективный способ математического моделирования фотопроцессов в полупроводниковых композитных наночастицах.
• Подготовлен промежуточный научно-технический отчет по результатам первого этапа исследований.
На 2 этапе:
• Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96, подтвердившие патентную чистоту результатов работы.
• Проведено математическое моделирование фотопроцессов в нанокомпозитных материалах. Дано объяснение обнаруженных экспериментально особенностей в спектрах поглощения металлоорганических наночастиц в коллоидных растворах. Для этого разработана физическая модель, основанная на расчетах комплексной поляризуемости композитной наночастицы с учетом размерных эффектов и частотно-зависящих диэлектрических функций J-агрегата и металлического ядра. Установлено, что левые пик связан с наличием плазмонного резонанса в металлическом ядре, а правый - с электронным возбуждением J-агрегатной оболочки цианинового красителя. Разработан алгоритм расчетов и составлено описание соответствующего программного обеспечения. Предложен способ управления оптическими свойствами исследуемого композитного наноматериала.
• По результатам проведенных исследований написаны и направлены в печать статьи, сделаны доклады на международных и российских научных конференциях, проведен патентный поиск и послана заявка на патент «Способ получения люминесцентных наночастиц сульфида кадмия, стабилизированных полимерными матрицами».
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Организация
ИФМ РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Организация
ИНХ СО РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
профинансировано
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
92 млн
Количество заявок
241
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие 1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007 - 2008, 11 мес.
Бюджетные средства
16 млн
Количество заявок
72
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
48
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных»
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
136
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Геномные и посттеномные технологии создания лекарственных средств» (мероприятие 1.2 Программы)
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
43