Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
075-15-2021-598
Период реализации проекта
2021-2023

По данным на 01.11.2022

9
научных публикаций
Общая информация

Задачи нанофотоники, оптоэлектроники и квантовых технологий обработки и хранения информации требуют привлечение новых материалов. Проект посвящён исследованию трёх новых материалов c экстремальной двумерностью: коллоидных полупроводниковых нанопластин, моноатомных слоев дихалькогенидов переходных металлов и двумерных перовскитов. Эти материалы имеют общие свойства, делающие их привлекательными как для фундаментальной науки, так и для приложений. Это большая энергия связи экситона в несколько десятков и сотен миллиэлектронвольт, высокая эффективность люминесценции в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, важная роль поверхности и возможность её функционализации, относительно простой синтез структур не требующий дорогостоящего оборудования. Экспериментальное исследование данных систем оптическими методами будет нацелено на изучение спин-зависимых явлений и нелинейных оптических свойств.

Название проекта: Спиновая физика двумерных материалов: коллоидные нанопластины, дихалькогениды переходных металлов и перовскиты

Цели и задачи

Основной целью проекта является развитие спиновой физики новых двумерных материалов. Применение известных и развитие новых методов оптической спектроскопии для исследования спин-зависимых эффектов, спиновой структуры и спиновой динамики носителей заряда и экситонных комплексов. Изучение роли экстремальной двумерности, диэлектрического органичения и поверхности в двумерных материалах и гибридных структурах на их основе. Поиск эффектов, применимых в приборах нанофотоники, оптоэлектроники и квантовых технологиях обработки и хранения информации.

В ФИАНе под руководством Дмитрия Робертовича Яковлева будет создана лаборатория спиновой физики двумерных материалов. Ставится задача становления лаборатории как научного центра мирового уровня.

Практическое значение исследования

Научные результаты:

  • Определены основные спиновые параметры нанокристаллов перовскита CsPbBr3: g факторы электрона и дырки, времена спиновой дефазировки, время продольной спиновой релаксации.
  • В нанокристаллах перовскитов CsPb(Cl,Br)3 в матрице фторфосфатного стекла обнаружено состояние с очень маленьким значением g-фактора (~0,07), связанное с пространственно-непрямым экситоном. Данное состояние характеризуется рекордным для перовскитов временем продольной спиновой релаксации, достигающим миллисекунды.
  • Исследованы основные оптические и спиновые свойства гибридных органо-неорганических монокристаллов перовскитов FA0.9Cs0.1PbI2.8Br0.2. Измерены g факторы и времена спиновой дефазировки для электронов и дырок, исследовано сверхтонкое взаимодействие электронных (дырочных) и ядерных спинов, продемонстрирована динамическая ядерная поляризация. Установлено, что ядерное поле, действующее на электроны и дырки, имеет противоположные знаки и сверхтонкое взаимодействие ядерных спинов с электронными спинами гораздо слабее, чем с дырочными. Исследована продольная спиновая релаксация и определено время Т1, которое достигает 80 нс.
  • В двумерном перовските (PEA)2PbI4 обнаружена интенсивная фотолюминесценция, которая состоит из нескольких линий. Некоторые линии, предположительно, приписываются экситонам и трионам. Определены g-факторы для экситонной и трионной компонент, g=-0.35 и 1.05, соответственно. Обнаружен эффект линейного выстраивания для экситонной компоненты фотолюминесценции и его зависимость от магнитного поля в случае геометрии Фогта.
  • Определены g-факторы коллоидных нанопластин из 3х и 4х монослоев (1.9 и 1.8, соответственно, при комнатной температуре). Показано, что g-факторы незначительно увеличиваются при увеличении температуры: на 0.1 при изменении температуры от 10 до 300 К. Определены времена дефазировки спинового ансамбля T2*, отвечающие за затухание спиновой прецессии вокруг магнитного поля. Обнаружено, что время продольной спиновой релаксации T1 превышает 10 нс даже при комнатной температуре.
  • Освоено получение монослоев дихалькогенидов переходных металлов большой (тысячи и десятки тысяч мкм2) площади методами отслоения через металлический посредник, сборка гетероструктур из них, экспресс-фотолитография по данным материалам. Поскольку многие из этих материалов разлагаются на воздухе, собрана установка для создания гетероструктур в перчаточном боксе, фактически созданы новые для России технологические компетенции.
  • Собран и охарактеризован микрорезонатор из макроскопических диэлектрических брэгговских зеркал с монослоем WSe2 в качестве активной среды. Расстройку между фотонной и экситонной модами можно регулировать при помощи пьезоэлектрических нанопозиционеров. При нерезонансном фотовозбуждении в спектре люминесценции микрорезонатора наблюдается нижняя поляритонная ветвь и излучение на фотонной моде в режиме слабой связи.
  • В монослое MoS2, исследовав пространственно-временную динамику свободных и связанных экситонов, было обнаружено, что связанные экситоны имеют большое время жизни (до 1 мкс) по сравнению со свободными экситонами (до 30 пс). Распространение связанных экситонов имеет субдиффузионный характер, в то время как свободные экситоны при комнатной температуре имеют диффузионный характер распространения. Поведение связанных экситонов можно объяснить моделью на основе учета оже-рекомбинации экситонов.
  • Разработана пикоакустическая методика зондирования упругих свойств двумерных кристаллов и гетероструктур на их основе, которая применена к структурам с нитридом бора и WSe2. Продемонстрирована возможность определения количества монослоев и двумерного картирования с помощью данной методики. Продемонстрирована высокая акустическая добротность исследованных гетероструктур, что означает, что данные структуры перспективны для концентрации акустического поля.

Образование и переподготовка кадров:

Подготовлены и защищены 1 докторская и 2 кандидатские диссертации.

Аспиранты ФИАН проходили стажировку в лаборатории ведущего ученого в Техническом университете Дортмунда.

Сотрудничество:

  • Технический университет Дортмунда (Германия): совместные исследования, визиты сотрудников.
  • Гентский университет (Бельгия), Швейцарская высшая техническая школа Цюриха (Швейцария), Университет Сорбонна (Франция), Университет ИТМО (Россия): изготовление образцов для исследований.
  • ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербургский государственный университет (Россия): совместные исследования.
Скрыть Показать полностью
P.S. Grigoryev, V.V. Belykh, D.R. Yakovlev, E. Lhuillier, and M. Bayer.
Coherent Spin Dynamics of Electrons and Holes in CsPbBr3 Colloidal Nanocrystals. Nano Lett. 2021 (21, 8481).
V. V. Belykh, A. R. Korotneva, and D. R. Yakovlev.
Stimulated Resonant Spin Amplification Reveals Millisecond Electron Spin Coherence Time of Rare-Earth Ions in Solids. Phys. Rev. Lett. 2021 (127, 157401).
E. Kirstein, D.R. Yakovlev, M.M. Glazov, E. Evers, E.A. Zhukov, V.V. Belykh, N.E. Kopteva, D. Kudlacik, O. Nazarenko, D.N. Dirin, M.V. Kovalenko, M. Bayer
Lead-Dominated Hyperfine Interaction Impacting the Carrier Spin Dynamics in Halide Perovskites. Adv. Mater. 2021 (2105263).
M.V. Pugachev, A.I. Duleba, A.A. Galiullin and A.Y. Kuntsevich.
Micromask Lithography for Cheap and Fast 2D Materials Microstructures Fabrication. Micromachines 2021 (12 (8), 850).
M. A. Akmaev, M. M. Glazov, M. V. Kochiev, P. V. Vinokurov, S. A. Smagulova, and V. V. Belykh
Spatiotemporal dynamics of free and bound excitons in CVD-grown MoS2 monolayer. Appl. Phys. Lett. 2021 (119, 113102).
V. V. Belykh, M. L. Skorikov, E. V. Kulebyakina, E. V. Kolobkova, M. S. Kuznetsova, M. M. Glazov, D. R. Yakovlev
Submillisecond Spin Relaxation in CsPb(Cl,Br)3 Perovskite Nanocrystals in a Glass Matrix. Nano Lett. 2022, (22, 4583).
V. S. Krivobok, E. A. Ekimov, M. V. Kondrin, S. N. Nikolaev, M. A. Chernopitssky, A. A. Deeva , D. A. Litvinov, and I. I. Minaev.
Tin disulfide with bright near-IR luminescence centers obtained at high pressures. Phys. Rev. Mat. 2022 (6, 094605).
V. V. Belykh and S. R. Melyakov.
Selective measurement of the longitudinal electron spin relaxation time T1 of Ce3+ ions in a YAG lattice: Resonant spin inertia. Phys. Rev. B 2022 (105, 205129).
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория кристаллофотоники

Санкт-Петербургский государственный университет - (СПбГУ)

Физика

Санкт-Петербург

Стомпос Константинос

Греция

2022-2024

Лаборатория детекторов синхротронного излучения

Томский государственный университет (НИУ) - (ТГУ)

Физика

Томск

Шехтман Лев Исаевич

Россия

2022-2024

Лаборатория «Квантовая инженерия света»

Южно-Уральский государственный университет (НИУ) - (ЮУрГУ (НИУ))

Физика

Челябинск

Кулик Сергей Павлович

Россия

2022-2024