НОЦ «Физика и технология гетерогенных материалов и наногетеростуктур»

Научный руководитель НОЦ:

• д.ф.-м.н., профессор Липовский Андрей Александрович .

Директор НОЦ:

• к.ф.-м.н. Каасик Владимир Паулович .

Научный коллектив:

• Ведущий научный сотрудник, д.ф.-м.н. Журихина Валентина Владимировна
• Научный сотрудник, к.ф.-м.н. Бабич Екатерина Сергеевна
• Научный сотрудник, к.ф.-м.н. Редуто Игорь Владимирович
• Научный сотрудник, к.ф.-м.н. Щербак Сергей Александрович
• Аспирант Решетов Илья
• Аспирант Расходчиков Дмитрий
• Студент Гангрская Елизавета
• Студент Мороз Алексей
• Студент Лубянкина Екатерина

Научная деятельность

• Новые материалы для микро- и нанофотоники и устройств микрофлюидики

  Цель проекта: Формирование диэлектрических и металлических микро- и наноструктур посредством локальной модификации аморфных диэлектриков электрическим полем без применения литографической техники.

  Задачи проекта:

  • Выявление механизмов модификации аморфных диэлектриков постоянным электрическим полем на основе комплексного экспериментального и теоретического исследования их взаимодействия с сильным электрическим полем;
  • разработка принципов использования такого взаимодействия для получения структур микро- и нанофотоники;
  • формирование структур для фотоники и их диагностика.

  Краткое описание:

  В настоящее время актуальной является разработка новых технологий формирования диэлектрических и металлических микро- и наноструктур для фотоники и плазмоники. Эта задача может быть решена с за счет использования воздействия сильного электрического поля на аморфные диэлектрики. Такое воздействие сильного электрического поля приводит к изменению состава и структуры структуры аморфных диэлектриков, их физических свойств и морфологии поверхности, формированию пор, фазовому распаду с образованием металлических и диэлектрических нано- и микрочастиц. Эти эффекты могут использоваться, в частности, в стеклах, для формирования поверхностного рельефа, распределения показателя преломления, оптической нелинейности, рельефа химической стойкости. Последнее может применяться для получения «толстых» масок непосредственно в аморфном материале для последующего травления и диффузии/ионного обмена. Использование управляемого фазового распада даёт возможность получения уникальных композитных материалов, которые не могут быть синтезированы напрямую.

  Рельефные структуры в стекле, полученные с в результате приложения сильного электрического поля с последующим травлением. АСМ изображения дифракционных решеток с периодом 0.6 (а), 2 (b) и 6 (c) микрон; изображения, полученные с помощью оптического профилометра: решетка с периодом 80 микрон (d), структуры для микрофлюидики (e).

• Био- и хемосенсоры

  Цель проекта: Создание нового типа активных элементов высокочувствительных химических и биологических датчиков на основе усиленного поверхностью комбинационного рассеяния, использующих плазмонные наноструктуры на основе самоорганизованных металлических наночастиц на подложках из стекла.

  Задачи проекта:

  • управление размерами, формой и резонансными характеристиками металлических наночастиц, формируемых диффузией на поверхности стеклянной подложки, за счет поляризации стекла высоким электрическим полем;
  • настройка резонансных свойств металлических наночастиц за счет нагрузки наночастиц сверхтонкими слоями диэлектриков – окислов кремния, алюминия и титана;
  • управление самоорганизацией атомов металла в наночастицах на масштабе от нескольких десятков нанометров при поляризации с использованием наноструктурированного анодного электрода;
  • формирование на активном элементе областей с различными спектральными положениями плазмонного резонанса.

  Краткое описание:

  Сейчас актуальной является проблема создания датчиков для регистрации сверхмалых количеств химических и биологических веществ. Это связано с возрастающим загрязнением окружающей среды, в том числе водных ресурсов, увеличившейся необходимостью оперативного химического и биологического контроля в местах скопления людей, например, пассажиров в аэропортах, пограничного контроля, требованиями ранней диагностики заболеваний и др. К числу наиболее эффективных методов оперативного детектирования и идентификации веществ относится спектроскопия усиленного поверхностью комбинационного рассеяния, измеряемым сигналом при этом является сигнал рассеяния лазерного излучения на характерных молекулярных колебаниях анализируемого вещества. Обычно в качестве чувствительных элементов датчиков рассматриваются металлические поверхности со случайной шероховатостью. Однако для создания высокочувствительных активных элементов датчиков требуется максимизировать амплитуду резонанса в соответствующей исследуемому веществу (аналиту) спектральной области, что не может быть обеспечено при использовании случайных металлических структур и поверхностей. Научной группой разрабатывается подход, позволяющий контролировать размеры, форму и процесс самоорганизации металлических наночастиц и, соответственно, резонансные характеристики единичных наночастиц и малых групп взаимодействующих наночастиц.

  Спектры усиленного поверхностью комбинационного рассеяния для родамина 6G от одиночной наночастицы и от наностровковой пленки серебра. Концентрация анализируемого вещества – 1 миллимоль!

• Формирование наночастиц в поле лазера

  Цель проекта: Формирование металлических наночастиц в стеклах при помощи лазерного излучения

  Задачи проекта:

  • Формирование серебряных наночастиц в стекле под воздействием лазерного излучения на различных длинах волн;
  • Исследование спектральных характеристик, полученных наночастиц, их формы и расположения в образце;
  • Эксперименты по химическому и реактивному ионному травлению образцов после обработки лазером.

  Краткое описание:

  В последнее время наблюдается повышенный интерес к металлическим наночастицам на поверхности и в объеме стекол. Это интерес обусловлен возможностью использования металлических наночастиц в стеклах в качестве центров нуклеации при формировании стеклокерамик, усилителей сигнала комбинационного рассеяния и люминесценции, элементов оптических поляризаторов, в нелинейной оптике и др. Обычно используются благородные металлы – серебро, золото, медь. Ввести серебро в стекло можно в процессе синтеза, методом ионного обмена, или нанесением тонкой металлической пленки на поверхность образца с последующей термоообработкой. Наиболее простой методикой является метод ионного обмена – замена щелочных ионов в стекле на ионы серебра при повышенной температуре. Затем ионы образуют наночастицы под действием восстановителя, например, водорода. Мы предлагаем использовать другой подход – формировать наночастицы в ионообменном стекле в поле лазера. В электромагнитном поле интенсивного лазерного излучения возможно формировать металлические наночастицы, изменять их форму, растворять наночастицы в заданной точке, а также «рисовать» в стекле структуры из наночастиц.

  Схема эксперимента	Образец после облучения Nd лазером (длина волны 1064 нм)

Фото

• Избранные публикации

  Избранные публикации

  1. E. Babich, V. Kaasik, A. Redkov, T. Maurer, A. Lipovskii, SERS-active pattern in silver-ion-exchanged glass drawn by infrared nanosecond laser, Nanomaterials, 2020, 10(9), с. 1-10, 1849, Q1– журнал 1 квартиля
  2. D. Raskhodchikov, I. Reshetov, P. Brunkov, V. Kaasik, A. Lipovskii, D. Tagantsev Mechanism of Thermal Charge Relaxation in Poled Silicate Glasses in a Wide Temperature Range (From Liquid Nitrogen to Glass Melting Temperature), Journal of physical chemistry B, 2020, 124(36), с. 7948-7956 DOI: 0.1021/acs.jpcb.0c04537, Q1– журнал 1 квартиля
  3. E. S. Babich, A. V. Redkov, V. G. Melehin, D. Khlopin, J. Béal, F. Laux, D. Gérard, A. A. Lipovskii CW laser-initiated formation of nano-Si crystals in glass-metal nanostructures, Journal of the American Ceramic Society, 2020, 103(8), с. 4625-4631 DOI: 10.1111/jace.17094, Q1– журнал 1 квартиля
  4. M. Fetisova, N. Kryzhanovskaya, I. Reduto, V. Zhurikhina, O. Morozova, A. Raskhodchikov, M. Roussey, S. Pélisset, M. Kulagina, Y. Guseva, A. Lipovskii, M. Maximov, A. Zhukov Strip-loaded horizontal slot waveguide for routing microdisk laser emission, Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics, 2020, 37(6), с. 1878-1885, DOI: 10.1364/JOSAB.391993, Q1– журнал 1 квартиля
  5. E.S. Babich, S.A. Scherbak, F. Asonkeng, T. Maurer and A.A. Lipovskii, Hot Spots Statistics and SERS Performance of Self-Assembled Nanoisland Films, Opt. Mater. Express 9(10) (2019)  4090-4096. DOI: 10.1364/OME.9.004090, Q1– журнал 1 квартиля
  6. I. V. Reduto, M. V. Fetisova, N. V. Kryzhanovskaya, K. P. Kotlyar, A. V. Rashodchikov, S. A. Scherbak, Yu. A. Guseva, A. A. Lipovskii, M. V. Maximov, A. E. Zhukov, Lasing in III-V Microdisk - TiO2 core-shell lasers  structures, Journal of the Optical Society of America B 36(8) (2019) 2285-2291. DOI:10.1364/JOSAB.36.002285, Q1– журнал 1 квартиля 
  7. E. S. Babich, E. S. Gangrskaya, I. V. Reduto,  J. Beal, A. Redkov, T. Maurer and A. A. Lipovskii, Self-assembled silver nanoparticles in glass microstructured by poling for SERS applications, Current Applied Physics 19 (10)  (2019) 1088-1095. DOI: 10.1016/j.cap.2019.07.003, Q2 – журнал 2 квартиля
  8. I. Reduto, A. Kamenskii, V. Zhurikhina, Yu. Svirko, A. Lipovskii, Relief micro- and nanostructures by reactive ion and chemical etching of poled glasses, Opt. Mater. Express 9 (7) (2019) 3059-3068.   DOI: 10.1364/OME.9.003059, Q1– журнал 1 квартиля
  9. A. A. Lipovskii, A. V. Redkov, A. A. Rtischeva, D. K. Tagantsev, V. V. Zhurikhina, Kinetics of ion-exchange-induced vitrification of glass-ceramics, J. Amer. Cer. Soc. 102 (2019) 3426-3431. DOI:10.1111/jace.16253, Q1– журнал 1 квартиля
  10. V.P. Kaasik, A. A. Lipovskii, D. V. Raskhodchikov, I. V. Reshetov, D. K. Tagantsev, How to reveal the correct elemental concentration profiles in poled multicomponent silicate glasses from the data of secondary ion mass spectrometry (SIMS), J. Non-Cryst. Solids 503-504 (2019) 397-399.  DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.10.032, Q1– журнал 1 квартиля
  11. A.V. Redkov, V.G. Melehin, D.V. Raskhodchikov, I.V. Reshetov, D. K. Tagantsev, V.V. Zhurikhina, A.A. Lipovskii, Modifications of poled silicate glasses under heat treatment,  J. Non-Cryst. Solids 503-504 (2019) 279-283.  DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.10.011, Q1– журнал 1 квартиля
  12. N. V. Kryzhanovskaya, Yu. S. Polubavkina, E. I. Moiseev, V. V. Zhurikhina, S. A. Scherbak, A.A. Lipovskii, M. M. Kulagina, I. S. Mukhin, F. E. Komissarenko, А. А. Bogdanov, Yu. M. Zadiranov, M. V. Maximov, A. E. Krasnok, A. E. Zhukov, Enhanced light oucoupling in microdisk lasers via Si spherical nanoantennas, J. Appl. Phys  24 (18) (2018) 163102. DOI: 10.1063/1.5046823, Q2 – журнал 2 квартиля
  13. I.V. Reduto, V.P. Kaasik, A.A. Lipovskii, D.K. Tagantsev, Volume relaxation of poled glasses: surface relief enhancement, Journal of Non-Crystalline Solids 499 (2018) 360-362. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.07.056, Q1– журнал 1 квартиля
  14. S.A. Scherbak, A.A. Lipovskii, Understanding the SHG enhancement and behavior in metal core – dielectric shell NPs, J. Phys. Chem. C 122 (27) (2018) 15635–15645. DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b03485, Q1– журнал 1 квартиля
  15. V. Vanyukov, M. Halonen, T. Kaplas, A. Lipovskii, Yu. Svirko, Remarkable transformation of nanoripples in glass-metal nanocomposite, AIP Advances 8 (6) (2018) 065110. DOI: 10.1063/1.5019483, Q2 – журнал 2 квартиля
  16. P. N. Brunkov, V.P. Kaasik, A. A. Lipovskii, D. K. Tagantsev, On the origin of the low-temperature band in depolarization current spectra of poled multicomponent silicate glasses, Appl. Phys. Lett. 112 (15) (2018) 151603. DOI: 10.1063/1.5026504, Q1– журнал 1 квартиля
  17. S. Chervinskii, K. Koskinen, S. Scherbak, M. Kauranen,  A. A. Lipovskii, Non-resonant local-fields enhance second-harmonic generation from metal nanoislands with dielectric cover, Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 113902.   DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.113902, Q1– журнал 1 квартиля
  18. N. Kryzhanovskaya, E. Moiseev, Y. Polubavkina, M. Maximov, D. Mokhov, I. Morozov, M. Kulagina, Y. Zadiranov, A. Lipovskii, Mingchu Tang, Mengya Liao, Jiang Wu, Siming Chen, Huiyun Liu, .A. Zhukov, Elevated temperature lasing from injection microdisk lasers on silicon, Laser Physics Letters 15 (1) (2018) 015802. DOI: 10.1088/1612-202X/aa9306, Q1– журнал 1 квартиля
  19. E. Babich, A. Redkov, I. Reduto, A. Lipovskii, Self‐Assembled Silver–Gold Nanoisland Films on Glass for SERS Applications, Physica Status Solidi RRL 12 (1) (2018) 1700226.  DOI: 10.1002/pssr.201700226, Q1– журнал 1 квартиля
  20. A. Lipovskii, V. Zhurikhina, D. Tagantsev, 2D-structuring of glasses via thermal poling: a short review, International Journal of Applied Glass Science 9 (1) (2018) 24-28.  DOI:10.1111/ijag.12273,    Q2 – журнал 2 квартиля