Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами из других вузов и научных институтов изучили оптические свойства двумерных соединений серы с платиной и оловом. Исследованные материалы имеют высокий показатель преломления, который позволяет создавать на их основе ультратонкие линзы, биосенсоры, транзисторы, фотодетекторы и сверхчувствительные приемники, а гигантская анизотропия соединений платины — преодолеть дифракционный предел.
Эра двумерных материалов началась с исследований стабильного графена в 2004 году выпускниками Физтеха Андреем Геймом и Константином Новосёловым. С тех пор было открыто более 5000 двумерных соединений, свойства многих из них до сих пор не изучены.
Одним из перспективных классов монослойных соединений, применяющихся в оптических устройствах, являются дихалькогениды переходных металлов, химическая формула — MX2 (М — металл и Х — халькоген: сера, селен или теллур). Благодаря их уникальным оптическим и электронным свойствам: гигантской анизотропии, высокому показателю преломления, высокой мобильности носителей заряда, связанным экситонам — они произвели революцию в оптоэлектронике. Сейчас дихалькогениды переходных металлов используются в фотодетекторах, полевых транзисторах, линзах и т. д. Наиболее известными материалами в этой группе являются соединения с молибденом и вольфрамом, однако они имеют относительно низкую стабильность в нормальных условиях, а их область применимости ограничена видимым диапазоном света.
Физики из МФТИ изучили две группы дихалькогенидов: соединения с платиной (PtS2, PtSe2) и оловом (SnS2, SnSe2). Эти материалы выделяются широко настраиваемой полосой пропускания (от видимого до ИК-диапазона), высоким показателем преломления и механической стабильностью.
Для исследования использовались атомарно тонкие образцы порядка 5 нм (10 слоев). Наибольший практический интерес для нанофотоники представляют оптические константы: показатель преломления n, отвечающий за распространение света, и показатель поглощения света k. Константы определялись методом спектроскопической эллипсометрии (оптический метод, основанный на изменении поляризации света при взаимодействии с образцом) в широком диапазоне частот от ультрафиолетовых до средних инфракрасных длин волн (от 245 до 3300 нм).
Ученые выяснили, что для соединений с платиной PtS2 и PtSe2 характерен высокий показатель преломления (n ~ 4) и ненулевой показатель поглощения (k > 0) на всем диапазоне исследуемых частот. Материалы с такими характеристиками требуются для фотодетекторов.
Дополнительные квантовомеханические расчеты показали согласие с экспериментом. Более того: для платиновых дихалькогенидов теория предсказала гигантскую оптическую анизотропию (если светить на кристалл с разных сторон, то свет будет отражаться по-разному). Гигантская анизотропия позволяет «сжимать» в несколько раз длину волны света (и даже преодолеть дифракционный предел), что существенно увеличивает разрешающую способность приборов. Работа 2021 года этой же группы ученых, посвященная гигантской анизотропии дихалькогенидов, была опубликована в Nature Communications.
Для проверки потенциальной применимости пленки PtS2 и PtSe2 использовали в качестве функционального слоя в специальном биосенсоре, работающем на явлении поверхностного плазмонного резонанса. Это явление возникает при взаимодействии фотонов со свободными электронами в металле. Если на поверхность металла поместить биомолекулы, резонанс сдвигается, так что появляется возможность определить концентрацию исследуемых биомолекул. После добавления PtS2 и PtSe2 чувствительность биосенсора увеличилась на 60% и 30% соответственно. Рост чувствительности происходит благодаря высокому показателю поглощения, позволяющему «собрать» свет, и наличию поглощения света, «убирающего шумы». Подобные биосенсоры активно применяются в фармакологии.
В том же диапазоне от ультрафиолетовых до средних инфракрасных длин волн ученые определили оптические константы SnS2 и SnSe2.. Соединения с оловом имеют чуть меньший показатель преломления, чем платиновые: порядка 3, но при этом их показатель поглощения света на большей части исследуемого спектра — нулевой, что позволяет их использовать для изготовления плоских линз. По своим характеристикам SnS2 оказался между классическими материалами, использующимися в оптике видимого диапазона, Si, GaP и TiO2. При этом SnS2 имеет показатель преломления выше, чем у TiO2, и прозрачен в большем диапазоне, чем Si и GaP.
Перспективы использования дихалькогенидов в нанофотонике прокомментировал первый автор работ, сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ Георгий Ермолаев:
«В мире известно около 5000 двумерных материалов. Получается так, что новые атомарно тонкие материалы сначала используются в различных оптических девайсах, а уже потом исследуются свойства этих соединений. Мы исследовали оптические свойства дихалькогенидов платины и олова в широком диапазоне частот. Для платиновых соединений мы обнаружили, что они хорошо поглощают свет, а значит, подходят для задач приема, собирания света и детектирования. Соединения олова имеют высокий показатель преломления, но не поглощают. На их основе можно делать оптические элементы, которые не теряют свет, например плоские линзы. SnS2 имеет высокий показатель преломления в видимом диапазоне света, таких материалов известно мало.
Сейчас мы набираем базу двумерных материалов, в частности, дихалькогенидов, исследуем их свойства, чтобы затем использовать машинное обучение и уже автоматически искать соединения с желаемыми характеристиками. Например, это поможет найти материал с самой большой анизотропией».
В работе, кроме сотрудников Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, принимали участие ученые из НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, Университета Минуфия ( Египет), МГУ им. М. В. Ломоносова, МИФИ и Инновационного центра Сколково.