Новый спектрометр вуза поможет совершить прорывные открытия

12:15, 3 декабря 2021

В будущем это позволит радикально изменить технологии в сфере медицины, энергетики и ИТ-секторе

Анатолий Зацепин — один из главных вдохновителей создания новой установки. Фото: Василина Лиотэ.

Ученым Уральского федерального университета удалось разработать, собрать и запустить уникальный комплекс пикосекундной криогенной люминесценции на базе спектрофлюориметра Fluorolog 3 японской компании Horiba. Эта установка позволит на высоком мировом уровне изучать электронно-оптические свойства наноразмерных фотонных материалов, которые в будущем радикально изменят подходы к созданию компьютерных чипов, солнечных батарей и медицинских технологий.

Комплекс стоимостью несколько десятков миллионов рублей состоит из трех ключевых элементов: системы пикосекундных лазеров и ламп для перевода материалов в метастабильное, возбужденное состояние, криогенной камеры (где размещается исследуемый материал) и высокочувствительного детектора для изучения сверхбыстрых релаксационных процессов.

Разработкой проекта установки занимались сотрудники научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники». Она ориентирована на создание новых фотонных и плазмонных наноструктур, композитных материалов и тонких пленок, представляющих интерес для оптоэлектроники и лазерной техники.

«Современная наука сделала большой рывок вперед как в материаловедческом плане, так и в реализации подходов для изучения и анализа физико-химических свойств материалов, — говорит руководитель научно-исследовательской лаборатории, профессор Анатолий Зацепин. — Зачастую нам для того, чтобы заниматься прогрессивными исследованиями в области фотоники, приходилось вклиниваться в очереди на синхротроны, посещать европейские центры по изучению материалов и с ними договариваться о сотрудничестве в вопросах измерения. Сейчас мы сформировали мощную и, самое главное, актуальную приборную базу для спектрального анализа современных материалов, что стало возможным благодаря средствам вуза и текущих проектов лаборатории. В частности, нам удалось под эти задачи получить грант РНФ».

По словам Зацепина, созданный комплекс на базе спектрофлюориметра — это уникальная установка, позволяющая работать при температуре от 4 и до 500 Кельвин, используя для изучения фотонных свойств как монохроматическое излучение, так и когерентное, лазерное. Для этого по чертежам ученых, в частности, разработана специальная схема с вакуумным криостатом, а также держателями пикосекундных лазеров. Комплекс позволит изучать сверхбыстрые процессы в планарных и тонкопленочных структурах, одномерных нитях и квантовых точках.

«Закупленный комплекс позволит нам существенно дополнить арсенал спектрально-кинетических исследований, — отмечает научный сотрудник кафедры, доцент Арсений Киряков. — Теперь мы можем создавать необходимые условия (температура, когерентное возбуждение), тестировать и изучать оптические свойства вещества, в т. ч. смоделированные до этого на компьютере, проверять на практике заявленные свойства. Понимая механизмы, отвечающие за необходимые нам физические явления, мы сможем создавать материалы с заданными параметрами».

Такие работы позволят в будущем создать гораздо более быстрые компьютерные чипы, более эффективные солнечные батареи, подчеркивает научный сотрудник кафедры.

«Приятно, что и наши студенты проявляют большой интерес к научной деятельности лаборатории, защищают дипломы, выигрывают студенческие гранты, — говорит Арсений Киряков. — Мы надеемся, что в рамках программы „Приоритет–2030“ удастся дооснастить спектрофлюориметр источниками и детекторами в ИК-диапазоне, представляющем интерес для медико-биологического анализа. Имея полный набор оборудования для регистрации в УФ, видимом, и ИК-областях, лаборатория будет единственной в России, где реализован настолько широкий спектральный охват».

Участник проекта, доцент Евгений Бунтов добавляет, что в научной жизни лаборатории активную роль играют иностранные аспиранты и постдоки. Их исследования связаны с новой формой углерода — линейными цепями толщиной в один атом. Теперь имеется возможность работать на современных научных приборах, что значительно ускорит разработку перспективных материалов.

Справка

Научно-исследовательская лаборатория «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» организована в физико-технологическом институте УрФУ в 2017 году. Она располагает уникальным спектроскопическим комплексом, позволяющим изучать оптические характеристики широкозонных материалов в диапазоне от вакуумного ультрафиолета до ближней инфракрасной области. Лаборатория выполняет работы по грантам РФФИ (№ 20-42-660012, «Электронная структура, дефекты и фотоиндуцированные процессы в ионно-имплантированных нанокомпозитных материалах») и РНФ (№ 21-12-00392, «Тонкопленочные оксидные материалы с квантовыми точками для конверсии излучения UV-Vis-IR диапазонов. Электронная структура, оптические свойства и энергетический транспорт»).