Физики рассказали, как сориентировать пары квантовых точек в поле лазерного излучения

В современном мире наноструктуры и изготовленные на их основе наноматериалы используют для создания защитных и светопоглощающих покрытий, лекарств и медицинской аппаратуры, топливных элементов, упаковочных материалов для пищевых продуктов, а также для изготовления косметики и одежды.

Чтобы создавать наноструктуры,можно обратиться к принципам самоорганизации и самосборки. На первый взгляд они похожи, однако самоорганизация широко распространена в естественной природе и позволяет воспроизводить очень сложные функциональные структуры.Самосборка, в свою очередь,основана на целенаправленном физическом воздействии – с её помощью учёные могут создавать структуры из материалов различной природы. Самосборка относится к типичным методам получения наноструктур (наноматериалов) по принципу «снизу-вверх». Чтобы самосборка осуществилась, нужно так повлиять на параметры системы и задать свойства отдельных частиц, чтобы они организовывались в желаемую структуру. Физики из Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ создали модель самосборки особых наночастиц, преобразующих излучение - так называемых квантовых точек - в поле лазерного излучения. Статья опубликована в Computer Optics.

Самосборка нанообъектов в кластеры может проходить, в частности, под действием лазерного излучения. Если разработать метод синтеза структур под действием контролируемого физического воздействия, можно получить сверхминиатюрные устройства, свойства которых задаются в процессе роста.

«Сама возможность запускать процесс управляемой светом самосборки наноструктур заданной формы и состава представляет огромный интереси для фундаментальной науки, и для ряда практических приложений. Нам удалось ранее экспериментально реализовать этот метод на примере самосборки пары квазирезонансных квантовых точек. Сейчас мы развиваем этот метод, чтобы добиться управляемого формирования более сложных структур из металлических и полупроводниковых частиц», - сообщил соавтор исследования, научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Алексей Ципотан.

Исследователь добавил, что процесс формирования заданной структуры осуществляется наиболее эффективно если он происходит поэтапно, то есть, к уже собранной ранее структуре добавляется нужная частица в нужное место. Для этого необходимо, чтобы собираемая структура была нужным образом сориентирована и зафиксирована в таком положении. Это можно сделать с помощью дополнительного лазерного излучения, и необходимо понять, сколько времени требуется, чтобы установилось ориентационное равновесие для предварительно сформированной пары наночастиц. Известно, что под действием внешнего поля квазирезонансного лазерного излучения ансамбль наночастиц стремится занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии его взаимодействия с полем. Внешнее электромагнитное поле вызывает поляризацию на каждой частице, и взаимодействие этих поляризаций выравнивает частицы вдоль направления внешнего поля, которому противодействует тепловое движение.

В результате взаимного действия этих двух процессов устанавливается определенное равновесное распределение пространственной ориентации наночастиц. Оно зависит от механизма взаимодействия ансамбля с внешним полем.

«Ориентация наночастиц в переменном поле связана с определенными периодами релаксации, отдыха. Они зависят от вязкости и температуры среды, а также от геометрической структуры образцов. Поэтому для оценки общего времени поэтапной сборки структуры также необходимо учитывать время релаксации для предварительно сформированной пары частиц и распределение ориентации для таких пар. Мы предложили математическую модель процесса установления распределения ориентаций пар частиц с учетом силы трения, теплового движения и ориентирующего лазерного поля», - объяснил Алексей Ципотан.

В результате моделирования учёные СФУ получили статистическое распределение по ориентациям для частиц CdTe в поле лазерного излучения умеренной интенсивности, в зависимости от его длины волны вблизи резонанса сформированной пары. Удалось показать, что процесс установления ориентационного равновесия может быть описан шестью обыкновенными дифференциальными уравнениями – это позволяет как численно оценить время установления, так и предсказать положение пары через заданный промежуток времени, в том числе при отсутствии внешнего излучения.

По оценкам экспертов, среднее время установления ориентационного равновесия пар наночастиц в переменном поле составляет несколько наносекунд – это позволяет выбрать время задержки между ориентирующим и формирующим импульсами.

Исследование проведено при участии Красноярского математического центра, финансируемого Министерством науки и высшего образования Российской федерации в рамках создания и развития региональных центров изучения математики (Соглашение № 075-02-2022-873)