Ученые из ТИСНУМ и МФТИ исследовали спектры электролюминесценции алмазного p-i-n-диода до и после облучения потоком электронов и последующего отжига. Результаты работы могут быть использованы в высокотемпературной оптоэлектронике.
Исследование опубликовано в «Журнале технической физики». Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они могут проводить электрический ток только при определенных условиях, что позволяет применять данные материалы для выявления изменений какого-либо параметра среды и преобразования полученной информации в электрический сигнал. На этом принципе работают полупроводниковые сенсоры.

Выделяют полупроводники n- и p-типа. В первых из них носителями электрического заряда являются электроны, а во вторых — так называемые дырки, которые образуются в результате выхода электронов из валентной зоны. Приведение в контакт материалов, имеющих разный характер проводимости, будет сопровождаться диффузией: электроны проникнут в p-полупроводник, а в n-полупроводнике появятся дырки. Сформируется p-n-переход — слой, препятствующий движению электротока. Описанным образом устроен диод — устройство, проводящее ток преимущественно в одном направлении.

Особое место среди электронных компонентов занимают p-i-n-диоды. Для их производства, помимо двух вышеназванных материалов, используют полупроводники i-типа, в которых число дырок и свободных электронов равно и зависит от собственных свойств вещества. Ученые из ТИСНУМ и МФТИ изготовили экспериментальный образец алмазного светоизлучающего p-i-n-диода и исследовали его при высоких температурах: до 680°C. Процесс включал в себя несколько этапов.

Сначала ученые синтезировали алмаз методом температурного градиента. Метод предполагает растворение графита — источника углерода — в металле и создание условий, термодинамически выгодных для образования алмаза. Из потока раствора углерод осаждали на затравку — маленький кристалл. Движение раствора и диффузия происходили благодаря более низкой температуре в области затравки.
Полученный алмаз относится к типу Ib. Это означает, что в его кристаллической решетке малая часть атомов углерода замещена азотом, но таким образом, что они не встречаются в соседних позициях.

Затем ученые последовательно вырастили на алмазной подложке i- и p-слой, а именно: высокочистый алмаз и алмаз с добавлением бора, то есть легированный. Толщина слоев составляет 6 и 4 мкм соответственно. Химическое осаждение проводили из газовой фазы водород — метан, а для легирования в смесь добавляли диборан. После этого трехслойный образец был подвергнут отжигу с целью удаления загрязнений.

Платино-титановые контакты в виде тонких пленок ученые нанесли на образец в магнетронной распылительной системе. Она состоит из электродов, магнитного блока и аргоновой пушки. При разряжении и подаче напряжения между анодом и катодом, так называемой мишенью, зажигается тлеющий разряд. В этих условиях аргон ионизируется и бомбардирует мишень, что приводит к отрыву от нее атомов металла и их последующему осаждению на поверхности алмазного образца.

Чтобы повысить количество азото-замещенных вакансий в i-слое, ученые облучали диод потоком электронов с энергией 3 МэВ, а потом отжигали в вакууме при 800°C в течение 2 часов. Благодаря этому сила тока, проходящего через диод в прямом направлении и заданном температурном режиме, снизилась в 5−10 раз. В случае обратного включения, наоборот, данная величина немного возросла. Следовательно, примерно на порядок уменьшился коэффициент выпрямления диода, равный отношению силы прямого тока к обратному при одинаковом напряжении.

«При прохождении тока в прямом направлении сопротивление диода возрастает из-за дефектов алмазной структуры и уменьшения концентрации атомов азота в позициях замещения, — пояснил Сергей Буга, профессор кафедры физики и химии наноструктур МФТИ. — В обратном направлении, наоборот, наличие дефектов способствует повышению тока утечки».

Прямое включение и нагрев диода выше 400°C сопровождался электролюминесценцией, иными словами, свечением вследствие возбуждения электрическим полем. Цвет излучения был зеленоватый, что характерно для спектра, имеющего максимум в области длин волн 600-610 нм.
Ученые сняли спектры электролюминесценции диода в температурном диапазоне 450–680°C до и после облучения электронами (Рисунок 3). Установлено, что с ростом температуры, а также напряжения и силы тока, проходящего через диод, полоса электролюминесценции становится шире, а ее максимум смещается в область более длинных волн: с 610 до 680 нм. Наиболее ярко диод светится при 575°C после облучения и отжига.

«Основным источником электролюминесценции являются нейтральные оптически-активные азот-вакансионные центры окраски, — добавил Сергей Буга. — Дальнейшее изучение возможностей суперлюминесценции или повышения яркости излучения диода требует увеличения плотности тока и концентрации этих центров в i-слое».

Разработка ученых будет интересна предприятиям, производящим высокотемпературную оптоэлектронику и фемтосекундные лазеры. Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ.
Источник: https://naked-science.ru/

Материалы на основе кристаллов ниобата лития с добавлением магния способны преобразовывать оптическое излучение и потому широко используются в современных оптических устройствах
Специалисты двух научных институтов, один из которых находится на Кольском полуострове, а другой в Крыму, сумели улучшить производство важнейшей составной части современной оптики, в том числе лазерной - кристаллов ниобата лития с добавлением магния. Об этом сообщили в пресс-службе Минобрнауки РФ.

"Сотрудники Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН в соавторстве с коллегами из Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского опубликовали в журнале Applied Physics A работу о кристаллах ниобата лития, легированных магнием. Ученые выявили, как метод легирования (улучшения свойств материала путем добавления примесей - прим. ТАСС) влияет на структуру дефектов", - отметили в пресс-службе.

Материалы на основе кристаллов ниобата лития с добавлением магния способны преобразовывать оптическое излучение и потому широко используются в современных оптических устройствах - лазерах, квантовых повторителях и системах передачи данных. Однако при повышенной примеси магния возникает немало дефектов, ухудшающих материал и ограничивающих его полезное применение.

Ученые сравнили два подхода. Первый - прямой метод, при котором оксиды лития, ниобия и магния смешиваются и спекаются при высокой температуре. Этот способ прост, но может приводить к неравномерному распределению магния. Второй метод, гомогенный (равномерное распределение примеси по всему объему), оказался сложнее, но точнее.

Сначала синтезировали добавку, которая обеспечивает равномерное распределение магния в ниобиевой матрице, и только потом добавляли литий. Работа доказала, что гомогенное легирование позволяет получать более однородные кристаллы даже при высокой концентрации магния. Это открытие важно для производства периодически поляризованных кристаллов, где однородность структуры определяет эффективность преобразования лазерного излучения.

Исследование также подтвердило важную роль ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и инфракрасной спектроскопии, которыми ученые пользовались для обнаружения и изучения атомных дефектов. Были отмечены любопытные с научной точки зрения факты: например, два иона магния замещают литий, а два узла атомной кристаллической решетки остаются вакантными. Кроме того, выяснилось, что ионы магния предпочитают прикрепляться к ниобию, формируя стабильные кластеры.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Инженеры из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали первую в мире фотон-кристаллическую лазерную установку (PCSEL), способную работать при комнатной температуре, безопасную для глаз и не требующую хрупких воздушных полостей. Это достижение открывает путь к созданию нового поколения лазеров для LiDAR, оптической связи и сенсорных систем, применяемых в автономных транспортных средствах и оборонных технологиях.

Традиционно такие лазеры формируют структуру с воздушными полостями, которые направляют свет внутри устройства. Однако при наращивании полупроводникового материала эти отверстия часто исчезают, разрушая фотонную решётку и делая лазер нефункциональным. Исследователи решили заменить воздух на диоксид кремния — твёрдый диэлектрик, способный выдерживать последующий рост кристаллических слоёв.

Этот подход позволил сохранить стабильность структуры и избежать её разрушения. Однако решение породило новую задачу: кремнезём — аморфный материал, и на его поверхности крайне сложно выращивать полупроводники. «Идеальный рост требует чистой кристаллической решётки от основания вверх, чего сложно добиться на аморфной подложке», — объяснила Эрин Рафтри, ведущая авторка исследования.
Инженеры нашли способ обойти эту проблему. Они контролировали условия так, чтобы материал сначала рос по бокам диэлектрика, а затем сливался сверху в единую структуру — этот процесс называется коалесценцией. В результате получился PCSEL, способный испускать лазерный луч под фотопомпингом (photopumping) — воздействием света, — при комнатной температуре и в диапазоне, безопасном для глаз.

Созданный лазер генерирует узкий, круглый и яркий луч, что делает его перспективным для оптики, связи и военного применения. Кроме того, использование твёрдого материала вместо воздушных полостей упрощает производство и повышает надёжность.

Пока что прототип требует внешнего источника света, но команда уже работает над электрически управляемой версией, что позволит интегрировать такие лазеры в реальные системы с питанием от стандартных источников. Работа опубликована в IEEE Photonics Journal.

Источник: https://www.securitylab.ru/

Рекордно маленький источник света для разнообразных оптических систем представили исследователи из университета ИТМО. В роли активного материала выступил доступный и долговечный кремний, чья способность поглощать и излучать фотоны была увеличена в 10 тыс. раз благодаря спроектированной учеными метаповерхности из золота. Разработка может применяться в устройствах коммуникации нового поколения, а также в приборах наноспектроскопии и ближнепольной микроскопии, используемых в медицине, научных изысканиях и промышленности. Подробнее об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказал его первый автор, научный сотрудник физического факультета ИТМО, кандидат физико-математических наук Артем Олегович Ларин.

В окружающих нас электронных устройствах в качестве проводника сигналов, несущих информацию, выступают элементарные частицы — электроны. Но есть и современная альтернатива — оптические вычислительные системы, в которых данные передаются с помощью частиц света — фотонов. В том числе эта технология может применяться для создания более эффективных коммуникационных устройств. Простой пример: при долгой усиленной работе электроника нагревается (например, телефон после просмотра длинного видео или прохождения компьютерной игры). Фотоны же, в отличие от электронов, в процессе перемещения «выделяют» значительно меньше тепловой энергии, поэтому проблема перегрева для оптических систем теряет актуальность. Кроме того, использование частиц света позволяет намного быстрее выполнять логические операции.

У электроники тоже есть определенное преимущество: почти все компоненты таких устройств, отвечающие за сбор, обработку и хранение данных, производятся из кремния — весьма дешевого материала с большим сроком службы. Он уже используется и в некоторых деталях оптических систем, но именно в качестве источника света оказался невостребованным. Причина проста: кремний обладает низкой квантовой эффективностью — это мера световой чувствительности, показывающая разницу между количеством фотонов, поглощенных и излученных материалом.
Члены научной группы гибридных нанофотонных систем под руководством ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Дмитрия Александровича Зуева преодолели это препятствие. Они разработали метод, позволяющий увеличить квантовую эффективность кремния с 10-7 до 10-3. При этом получить свет удалось из образца кремния с рекордно маленьким объемом, соответствующим сфере с диаметром всего 50 нм.
Достичь такого результата позволила метаповерхность из золота. Она выступает в роли «ловушки» для фотонов и не дает им ускользнуть из области, где находится кремний, выполняющий функцию источника светового излучения.

«Метаповерхность — это искусственно изготовленный материал, не имеющий аналогов в природе и обладающий специфическими оптическими характеристиками, несвойственными обычным веществам из окружающей среды. Метаповерхности выполняют функцию управления оптическими волнами, их амплитудой, фазой и поляризацией, что помогает получать различные необычные свойства, — объяснил А.О. Ларин. — В качестве базовых примеров можно привести создание материалов с отрицательным показателем преломления, оптически активных структур, суперлинз, чье оптическое разрешение намного выше, чем у обычных, а также идеальных поглотителей».

Драгоценный металл был взят за основу новой метаповерхности благодаря ценным свойствам: золото слабо взаимодействует с воздухом, хорошо отражает излучение в видимом диапазоне и в целом удобно для изготовления подобных структур.

«Мы создавали новый источник света в коллаборации с коллегами из итальянского Института микроэлектроники и микросистем в г. Лечче. Они отвечали за изготовление самой структуры методом электронно-лучевой литографии. Мы же характеризовали ее оптические свойства», — сказал А.О. Ларин.

Изготовление проходило в несколько этапов. Сначала с помощью метода литографии ученые создавали многослойную структуру «золото-кремний-золото». А уже затем она вырезалась по определенной форме, в результате чего формировалась метаповерхность.

«Созданная нами метаповерхность представляет собой периодическую структуру золотых цилиндров, находящихся над поверхностью пленки, также изготовленной из золота. При этом их разделяет небольшой зазор (размером около 10 нм — Примеч. корр.). Особенность этой структуры с точки зрения оптики заключается в том, что она очень эффективно поглощает <…> излучение с определенной длиной волны. И, когда на такую метаповерхность падает свет, он начинает активно локализовываться как раз внутри этого зазора между цилиндрами и золотой пленкой, — поделился А.О. Ларин. — И внутри этого зазора, где локализуется очень сильное [электромагнитное] поле, мы расположили кремний. <…> Как раз за счет такой способности новой метаповерхности концентрировать свет мы смогли повысить квантовую эффективность кремния как источника излучения».

Когда на метаповерхность падает инфракрасное излучение ближнего диапазона, оно «застревает» в зазоре между пленкой и дисками и начинает активнее взаимодействовать с кремнием. Из-за особенностей структуры возникают оптические переходы излучения, в результате чего кремний начинает испускать видимый белый свет, включающий все цвета радуги (то есть излучение со всеми длинами волн видимого диапазона) и некоторое количество волн ближнего инфракрасного диапазона.

Использование излучения с разными длинами волн очень ценно для оптических систем, обеспечивающих коммуникацию.

«С точки зрения коммуникации, чем шире оптический диапазон, в котором работают системы, тем больше каналов можно реализовать. Световые излучения разного цвета обладают “волшебным” свойством — <…> так как фотоны слабо взаимодействуют между собой, по одному волокну можно [одновременно] пропускать свет с несколькими длинами волн, — пояснил А.О. Ларин. — Каждая световая волна с определенной длиной — это отдельный канал, передающий информацию. Вы можете одновременно проводить их внутри одного волокна, и они никак не будут мешать друг другу. Чем больше каналов проходит внутри волокна, тем выше пропускная способность системы: можно передать больше информации за единицу времени».

А.О. Ларин добавил, что использование широкополосного белого света играет схожую важную роль и в вычислительных системах. В этом случае излучения с разными длинами волн будут «отвечать» за одновременное проведение операций: «Существуют разные пути увеличения скорости вычислений: либо “заставить” логические элементы системы работать быстрее, либо научиться выполнять операции параллельно. В случае с использованием светового излучения с широким диапазоном как раз реализуется распараллеливание вычислений».

Результаты работы ученые представили в журнале ACS Photonics.
«Испытания нового источника света проходили на базе оптической лаборатории университета ИТМО, где было выполнено комплексное исследование с использованием методов лазерной спектроскопии и время-разрешенной флуориметрии. Это позволило полноценно протестировать и описать полученный объект, определив его численные характеристики», — отметил А.О. Ларин.

Исследователь добавил, что их научная группа пробует изготавливать источники света разными способами. Текущий подход с созданием золотой метаповерхности отличается тем, что позволил создать очень маленькую структуру со специфичными условиями возбуждения.

«Параллельно мы разработали и другие методы изготовления источников излучения. Наша группа уже применяла полученные материалы в качестве систем для наноспектроскопии — с ее помощью можно изучать оптические свойства разных объектов, например, единичной молекулы. Мы также использовали новые источники света для создания специальных меток на товарах, защищающих от подделок», — рассказал А.О. Ларин.

Ученый поделился дальнейшими планами по развитию исследования.

«Теперь, когда мы научились создавать и охарактеризовали новый источник излучения, было бы замечательно найти способ интегрировать его в имеющиеся фотонные интегральные схемы — это аналоги электронных чипов, используемых, например, в телефонах и компьютерах. Такие структуры не технология отдаленного будущего, они уже существуют и пока представляют собой “гибриды” из электронных и оптических компонентов, — заключил А.О. Ларин. — “Голубая мечта” современности — сделать все устройства оптическими, поскольку они обладают превосходством над электронными из-за скорости и малого тепловыделения, то есть работают намного эффективнее. Поэтому чем больше будет оптических элементов на фотонной интегральной схеме, тем лучше».
Источник: https://scientificrussia.ru/

Ученые впервые смогли достичь атомного разрешения с помощью света, что ранее считалось возможным только в электронных микроскопах. Новый метод ULA-SNOM преодолел дифракционный предел оптики и позволил различить структуры на уровне отдельных атомов.

Исследователи разработали технику ULA-SNOM (ultralow tip oscillation amplitude scattering-type scanning near-field optical microscopy), в которой металлический зонд из полированного серебра колеблется с амплитудой всего 0,5–1 нм — сопоставимой с шириной нескольких атомов. Это обеспечило уникальную точность оптической визуализации без использования электронных лучей.

Лазер с длиной волны 633 нм фокусировался на зонд, создавая плазмонную нанополость — локализованное световое поле объемом около 1 нм3 между зондом и исследуемой поверхностью. Эксперимент проводился при температуре 8 K и в условиях сверхвысокого вакуума, что обеспечило исключительную стабильность. Для усиления сигнала применялся метод самогомодинного детектирования, повышающий точность измерений за счет фильтрации фонового света.

С помощью ULA-SNOM ученые смогли оптически визуализировать кремниевые островки толщиной в один атом, размещенные на серебряной подложке. Метод позволил четко различить границу между кремнием и серебром по их оптическому отклику, подтвердив, что технология обеспечивает оптический контраст с атомным разрешением.

Техника позволяет одновременно собирать данные не только об оптических свойствах, но и о проводимости и межатомных силах благодаря встроенным возможностям сканирующей туннельной микроскопии (STM) и атомно-силовой микроскопии (AFM). Анализ колебаний зонда на различных гармониках позволил изолировать сигналы разного типа. Особенно четко различия между материалами проявились на четвертой гармонике, где был получен максимально чистый оптический сигнал.

Разрешающая способность ULA-SNOM достигла 1 нм, сопоставимого с разрешением лучших сканирующих туннельных микроскопов. Впервые стало возможным наблюдать, как отдельные атомы и дефекты влияют на оптические свойства материалов. Это открывает путь к точному проектированию наноструктур, созданию новых фотонных материалов и более эффективных солнечных элементов.

Хотя метод требует криогенных температур, сверхвысокого вакуума и специализированного оборудования, ученые надеются, что в будущем технология станет более доступной и масштабируемой.
Источник: https://club.dns-shop.ru/

Международный коллектив исследователей из Университета Вестлейк (Китай), СПбГУ и МФТИ разработал уникальный «умный» материал. Полимерный фотонный кристалл с эффектом памяти формы может «стирать» свой яркий структурный цвет при контакте с водой и мгновенно восстанавливать его под действием спирта, ацетона или простого прикосновения. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Today Nano.

Мир вокруг нас полон красок, большинство из которых обязано своим существованием пигментам — молекулам, поглощающим часть светового спектра. Однако природа знает и другой, более изящный способ окраски — структурный. Подобно переливам крыльев бабочки морфо или сиянию опалов, эта окраска возникает не за счет химии, а благодаря физике: наноскопическая архитектура материала взаимодействует со светом, отражая волны строго определенной длины. Такие структуры, известные как фотонные кристаллы, представляют собой упорядоченные решетки из диэлектрических материалов, действующие как полупроводники для света. В последнее время ученые активно исследуют как статические, так и динамические фотонные кристаллы — способные изменять свои оптические свойства под внешним воздействием.

Параллельно развивалась другая область материаловедения — полимеры с эффектом памяти формы. Они способны запоминать свою исходную форму, а после деформации возвращаться к ней под действием внешнего стимула, чаще всего — нагрева. Физики давно стремились объединить эти свойства: создать материал, который был бы одновременно и фотонным кристаллом, и полимером с памятью. Цветом такого материала можно было бы управлять через изменение его формы на наноуровне. Структурно-цветовая память материалов может быть использована в самых различных приложениях, таких как QR-коды, защитные пленки и сенсоры. Существовавшие до сих пор способы реализации такой памяти требовали либо высоких температур, либо значительных механических усилий, что ограничивало их практическое применение.

Научная группа из Китая и России поставила перед собой задачу создать полимерный фотонный кристалл, которым можно было бы управлять при комнатной температуре, используя простые и доступные триггеры. В качестве основы они выбрали технологию инверсных опалов. Работа, проведенная учеными, напоминала работу скульптора: сначала из крошечных кремнеземных наносфер они сформировали идеальную кристаллическую решетку — шаблон, похожий на плотно уложенные в коробку микроскопические шарики. Затем это пространство было заполнено специально разработанным жидким мономерным «коктейлем», состоящим из этоксиэтоксиэтил акрилата (EOEOEA) и полиэтиленгликоль диакрилата (PEGDA). После полимеризации под действием ультрафиолета образовался прочный и эластичный сополимер. На финальном этапе шаблон из кремнезема был растворен, оставив после себя его точный негативный отпечаток — пористую структуру, которая и является фотонным кристаллом. Ключевым фактором успеха команды ученых стал подбор состава сополимера, который обладает очень низкой температурой стеклования (около –43 °C), что делает его чрезвычайно гибким и эластичным при комнатной температуре.

Именно эта эластичность и легла в основу поразительных свойств нового материала. Оказалось, что его яркий цвет, обусловленный периодической структурой пор, можно полностью «стереть», просто капнув на него водой. По мере испарения воды ее высокое поверхностное натяжение создает мощные капиллярные силы — так называемое давление Лапласа — которые, словно микроскопический пресс, сминают пористую структуру. Порядок нарушается, и материал становится тусклым и полупрозрачным. Это и есть процесс «холодной» записи или программирования временного состояния.

Самое интересное начинается на этапе восстановления. Чтобы вернуть материалу его первоначальный цвет, достаточно обработать его жидкостью с низким поверхностным натяжением, например, обычным этанолом или ацетоном. Капиллярные силы этих жидкостей слишком слабы, чтобы удерживать структуру в сжатом состоянии. Внутренняя упругая память полимера берет верх, поры «расправляются», и идеальный порядок восстанавливается вместе с ярким цветом. Второй способ восстановления — механический. Легкое давление на «стертую» область, как ни парадоксально, также заставляет поры вернуться в исходное состояние. Это позволяет буквально «печатать» на поверхности материала, перенося на нее сложные узоры.

«В основе нашего открытия лежит изящный баланс сил на наномасштабе. Мы наблюдаем за настоящим противостоянием между капиллярными силами, стремящимися смять структуру, и внутренней упругостью самого полимера, которая пытается ее восстановить. Мы заставили капиллярное давление, возникающее при испарении воды, работать на нас, "схлопывая" структуру и стирая цвет. А для восстановления мы используем либо внутреннюю "упругую память" самого полимера, которую высвобождают растворители с низким поверхностным натяжением, либо прикладываем внешнее давление, которое помогает порам "расправиться". Это настоящая физика на кончиках пальцев», — прокомментировала Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики имени А.А. Абрикосова МФТИ. — Ключом к успеху стал синтез нового сополимера с очень низкой температурой стеклования. Это сделало его чрезвычайно эластичным и "послушным" при комнатной температуре. Мы не просто создали новый материал; мы разработали целую платформу для реализации устройств обратимой оптической памяти».

Создан "умный" полимерный материал, цвет которого можно обратимо переключать при комнатной температуре. "Стирание" цвета происходит из-за коллапса нанопор под действием капиллярных сил при испарении воды (с высоким поверхностным натяжением). "Восстановление" цвета происходит при испарении этанола (с низким поверхностным натяжением), который "расправляет" поры обратно. Этот эффект можно использовать для создания перезаписываемых поверхностей, датчиков и защитных меток. Эксперименты показали, что материал выдерживает десятки циклов перезаписи без потери свойств, а записанные с помощью давления узоры сохраняются в течение многих месяцев, но могут быть мгновенно стерты водой

Новый материал можно использовать для биометрической идентификации или как элемент защиты на документах и банкнотах. Сенсоры на основе фотонного кристалла, который меняет цвет при определенных условиях, могут быть использованы для детектирования определенных химических веществ, таких как этанол или ацетон. Они также могут помочь при разработке перезаписываемых дисплеев и носителей информации. В будущем исследователи планируют оптимизировать состав полимера для достижения еще более быстрой реакции и избирательности к различным стимулам, а также интегрировать его в реальные электронные и оптические устройства.

Научная статья: Matin Ashurov, Maksym Stetsenko, Alexey Kavokin, Stella Kavokina, Polymer photonic crystals for shape memory applications, Materials Today Nano, Volume xxx, 2025, 100650, ISSN 2588-8420, https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2025.100650.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Сотрудники Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН в соавторстве с коллегами из Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского опубликовали в журнале Applied Physics A работу о кристаллах ниобата лития, легированных магнием (LiNbO₃:Mg).

Материалы на основе легированных магнием монокристаллов ниобата лития состава LiNbO3 способны преобразовывать оптическое излучение и потому широко используются в современных оптических устройствах — лазерах, квантовых повторителях и системах передачи данных. Добавление магния меняет структуру кристалла и, соответственно, его свойства. Однако когда концентрация примеси достигает или превышает 5,5 мол. %, возникает большое количество дефектов, которые сильно ограничивают коммерческое применение материала.
Исследователи выявили, как метод легирования влияет на структуру дефектов. Для этого они сравнили два подхода. Первый — прямой метод, при котором оксиды лития, ниобия и магния смешиваются и спекаются при высокой температуре. Этот способ прост, но может приводить к неравномерному распределению магния. Второй метод — гомогенный — оказался сложнее, но точнее. Сначала исследователи синтезировали прекурсор Nb₂O₅:Mg с помощью золь-гель технологии, которая обеспечивает равномерное распределение магния в ниобиевой матрице, и только потом добавляли литий.
тобы «увидеть» атомные дефекты, команда использовала ядерный магнитный резонанс и инфракрасную спектроскопию. Эти методы позволили проанализировать кристаллы с концентрацией магния 6,0 мол. % (прямое легирование) и 5,54 мол. % (гомогенное легирование). Результаты удивили: в обоих случаях отсутствовал антиструктурный дефект NbLi, ранее считавшийся типичным для таких материалов. Вместо этого ученые обнаружили новый тип дефекта: комплекс 2MgLi – 2VLi, где два иона магния замещают литий, а два узла решетки остаются вакантными. Кроме того, выяснилось, что ионы Mg²⁺ предпочитают «прикрепляться» к ниобию, формируя стабильные кластеры. Эти данные согласуются с результатами ИК-спектроскопии, подтвердившей изменения в локальной химической среде.
Исследование подтвердило, что ЯМР-спектроскопия — это хороший инструмент для изучения дефектов, особенно в материалах с лёгкими атомами, такими как литий, которые сложно детектировать традиционными методами. Более того, работа доказала: гомогенный метод легирования позволяет получать более однородные кристаллы даже при концентрациях магния, близких к пороговым. Это открытие важно для производства периодически поляризованных кристаллов, где однородность структуры определяет эффективность преобразования лазерного излучения.
Практическая значимость работы выходит за рамки фундаментальной науки. Понимание связи между методом синтеза и дефектной структурой поможет создавать материалы с заданными свойствами для квантовой криптографии, терагерцовой спектроскопии и LiDAR-систем беспилотников. Уже сейчас ниобат лития с магнием используется в экспериментах по передаче квантовой информации и анализу сложных молекул в медицине.
Источник: https://new.ras.ru/

Работа является результатом сотрудничества со швейцарской Федеральной политехнической школой Лозанны (EPFL) и специалистом по чипам Luxtelligence. Этот подход преодолевает ключевые ограничения обычных прецизионных лазеров, которые обычно большие, дорогие и сложные в настройке. По словам Рименсбергера, такие лазеры могут позволить создавать небольшие, доступные, высокопроизводительные приборы и системы связи.

Современные материалы, микроскопические схемы

Согласно исследованию, опубликованному в Nature Photonics, новый лазер реализован на фотонном чипе с использованием современных материалов, таких как тонкопленочный ниобат лития, использующий его электрооптический (эффект Поккельса) для сверхбыстрой настройки частоты без скачков мод. Он объединяет схему ниобата лития с коммерческим полупроводниковым усилительным чипом, что дает лазер, который является и мощным, и надежным.

Он излучает стабильный луч и позволяет быстро и плавно регулировать частоту без скачков мод. Примечательно, что устройством можно управлять с помощью одной ручки настройки вместо нескольких элементов управления. Поскольку он опирается на стандартные процессы изготовления чипов, лазер может производиться массово и недорого. «Наши открытия позволяют создавать небольшие, недорогие и удобные для пользователя измерительные приборы и средства связи с высокой производительностью», — говорит Рименсбергер.

Беспилотные автомобили и датчики качества воздуха

Обычные прецизионные лазеры часто большие, дорогие и сложные в настройке. Рименсбергер отмечает, что «наш новый лазер решает несколько из этих проблем». Команда продемонстрировала устройство в системах LiDAR (обнаружение света и определение дальности) для беспилотных автомобилей, где лазеры измеряют расстояние путем синхронизации отраженных импульсов. Этот лазер достиг точности дальности около четырех сантиметров, что позволяет производить картографирование окружающей среды с очень высоким разрешением.

Его быстрая настройка без скачков мод позволила ему перемещаться по линиям поглощения газа, обеспечивая чувствительное обнаружение следов цианистого водорода, демонстрируя потенциал для быстрого обнаружения газа в целях безопасности и мониторинга окружающей среды. Фактически, Симоне Бьянкони из EPFL отмечает, что сочетание настраиваемого, малошумного выходного сигнала лазера делает его хорошо подходящим для когерентного LiDAR и точного обнаружения газа.

Источник: https://novate.ru/

Команда физиков из Японии смогла сделать из монокристаллического ниобата лития рентгеновское зеркало, способное легко менять форму. Использование деформируемых зеркал даст ученым проводить эксперименты быстрее.
Манипуляции рентгеновским излучением намного сложнее таких же с излучением видимого диапазона. Если ученым нужно изменить направления рентгеновского пучка или сфокусировать его, в ход идут сложные структуры. Рентгеновская оптика выделена в самостоятельную прикладную дисциплину из-за особых проблем, которые она должна решать.

Рентгеновское излучение практически не преломляется материей, оно проходит вещество насквозь. А если не проходит, то сильно поглощается и рассеивается. Чтобы влиять на путь рентгеновского луча и фокусировать его, ученым приходится создавать многослойные структуры или линзы с воздушными полостями.

Исследователи смогли сделать из монокристалла ниобата лития (соединение LiNbO3, LN) рентгеновское зеркало, способное легко менять форму. Ниобат лития — пьезоэлектрик, он меняет форму при приложении напряжения. Новое зеркало позволяет быстро и значительно изменять размер рентгеновского пучка. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Теперь ученые могут менять размер пучка с 200 нанометров до 683 микрометров, расширять его в 3400 раз. Такая технология позволяет сначала провести обзорный анализ образца, а затем сфокусироваться на конкретных областях. В обычных условиях ученым пришлось бы перемещать образец и менять систему линз, а это значительно усложняет рабочий процесс.

Деформируемые зеркала уже делали, но они состояли минимум из двух материалов. Каждый слой в такой системе требует отдельного управления размером пучка, такая система не дает хорошо сфокусировать излучение. Зеркало из одного материала позволяет исследователям сделать процесс фокусировки пучка проще и быстрее.

Но в зеркале из ниобата лития все равно есть два слоя. У этого материала есть особое свойство: если его долго держать при высокой температуре, изменится его поляризационная структура на половину толщины нагреваемого кристалла. Из-за этого две области зеркала деформируются по разному, когда к ним прикладывают напряжение. Этот эффект дал ученым создать биморфную структуру для зеркала без необходимости склеивать части зеркала.
«Мы разработали зеркало толщиной всего 0,5 миллиметра. Этот результат, как ожидается, значительно расширит возможности всех экспериментов с использованием рентгеновского излучения синхротрона. Такие характеристики позволяют использовать его не только для рентгеновских лучей, но и в других областях, например для мощных промышленных лазеров», — объяснил Такао Иноуэ (Takato Inoue), первый автор исследования.
Источник: https://naked-science.ru/

Учёные из Оксфорда, Кембриджа и Манчестера разработали уникальную технологию точного создания квантовых дефектов в алмазах, что открывает новые горизонты для квантовых технологий, сообщает Innovanews. Исследователи впервые смогли не только формировать одиночные квантовые центры в алмазной решётке, но и наблюдать процесс их активации в реальном времени, что является значительным прорывом в области квантовой физики и материаловедения.
В своей работе, опубликованной в журнале Nature Communications, команда учёных применила двухэтапный метод, который позволяет с высокой точностью внедрять атомы олова в синтетический алмаз и активировать их с помощью сверхкоротких лазерных импульсов. Такой подход обеспечивает контроль над положением и свойствами квантовых дефектов, которые способны выступать в роли квантовых битов — фундаментальных единиц информации в квантовых вычислениях и коммуникациях. Как отметил профессор Джейсон Смит из Оксфорда, теперь возможно не только создавать одиночные оловянно-вакансионные центры, но и наблюдать их формирование, что открывает новые возможности для разработки квантовых устройств.
Квантовые дефекты, в частности оловянные центры, функционируют как спин-фотонные интерфейсы, обеспечивая связь между спинами электронов и фотонами. Это позволяет эффективно передавать и хранить квантовую информацию. До сих пор такие дефекты было сложно размещать и активировать поодиночке, что ограничивало их применение в масштабируемых квантовых системах. Новый метод сочетает ионную имплантацию одиночных атомов олова с лазерным отжигом, который активирует дефекты без повреждения кристаллической структуры алмаза. Доктор Андреас Турн из Кембриджа подчеркнул, что этот подход может быть адаптирован и для других материалов, расширяя возможности квантовой инженерии.
Кроме того, исследователи обнаружили новый тип оловянных дефектов, обозначенный как Type II Sn, что позволяет глубже понять их свойства и поведение. Профессор Ричард Карри из Манчестера отметил, что теперь учёные могут создавать квантовые объекты по запросу, что является ключевым для практического использования квантовых технологий в коммерческих целях.
Разработка открывает перспективы для создания квантового интернета — защищённой сети связи, устойчивой к взлому, а также для объединения квантовых компьютеров в распределённые вычислительные системы, способные решать задачи, недоступные классическим машинам. Кроме того, новые сенсоры на основе таких квантовых дефектов могут значительно повысить чувствительность приборов в медицине и геологоразведке.
Ранее создание квантовых дефектов в алмазах происходило почти случайным образом, что ограничивало контроль над их свойствами и масштабируемостью. Новый метод позволяет размещать квантовые биты с точностью, сравнимой с размещением транзисторов в современных микросхемах. Однако в исследовании пока не раскрыт вопрос о времени сохранения когерентности таких дефектов в реальных условиях, что остаётся важным для практического применения.
Источник: https://planet-today.ru/