Оптика и наноматериалы

16.10.2017

Международной лаборатории «Нанооптомеханика» весной исполнилось два года. О направлениях деятельности и разработках ее отделений рассказывает доктор физико-математических наук Александр Шалин.

Как и у каждой лаборатории, созданной в Университете ИТМО в рамках программы «5-100», у нас есть иностранный соруководитель, Павел Гинзбург из Университета Тель-Авива. Там мы проводим оптические эксперименты, а в Санкт-Петербурге находится теоретическая база.

Материалы с исключительными оптическими свойствами могут применяться для создания невидимых объектов, абсолютно прозрачных материалов и оптического просветления. Элементарный пример: мы видим стекло объектива или очков. Чем оно прозрачней, тем лучше мы получим изображение. В идеале линза не должна давать отражения. Проще всего — нанести просветляющую тонкую пленку, но покрытие из нанообъектов справляется с этим лучше. Подобные технологии применяются для солнечных батарей, благодаря чему увеличивается эффективность поглощения света в слое полупроводника.

Проблема в том, что производство метаматериалов с упорядоченным распределением нанообъектов для видимого диапазона весьма сложно. На практике сейчас больше используются нанокомпозитные материалы с хаотически распределенными нанообъектами, которые инкапсулированы в какую-то среду. Это может быть взвесь коллоидных частиц в стекле, изменяющих его оптические свойства, краски или эмульсии на основе наночастиц. Из-за дороговизны метаматериалы для видимого диапазона используют, в основном, в наукоемких технологиях.

Наше приоритетное направление — нанооптомеханика. В России мы единственная лаборатория, избравшая эту область в качестве основной. Второе направление — диэлектрическая нанофотоника, то есть фотоника диэлектрических метаматериалов и метаповерхностей. Элементарные ячейки такого материала — нанообъекты, набор которых образует некую структуру с интересными оптическими свойствами. Если использовать нанообъекты из диэлектриков или полупроводников с высоким показателем преломления, то можно добиться магнитного отклика структуры в видимом диапазоне и управлять магнитной компонентой света.
Александр Шалин, доктор физико-математических наук

Помимо фундаментальных исследований, теоретических задач и поиска совершенно новых эффектов и структур, мы стремимся разработать что-то, что может быть реализовано в промышленности и принести пользу уже сейчас. У нас есть направление, связанное с фотовольтаикой —  разделом науки, которая изучает возникновение электрического тока в материалах под действием света, — и производством цветных экранов. 

Одну из разработок мы выводим на уровень промышленного образца. Это так называемый прозрачный электрод. Например, у вас есть сенсорный дисплей телефона, для управления каждым его пикселом должно быть подведено электричество, и сейчас для этих целей используются проводящие оксиды металлов или тонкие металлические сетки. Наша разработка позволяет существенно улучшить производительность таких электродов, она проводит ток так же хорошо, как металл, но при этом прозрачна, как стекло. На днях мы получили образец, обладающий пропусканием света более 90 % и проводимостью на порядок лучше, чем, например, оксиды, используемые сейчас. Планируется выводить разработку на уровень патента. Работа над проектом длится более полутора лет, и мы близки к производству прозрачных электродов по простой рулонной технологии.