Сотрудники НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы», созданной в Казанском федеральном университете в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», разработали термоплазмонную метаповерхность, позволяющую управлять распределением температуры на поверхности твердого тела с помощью сфокусированного лазерного света.

Научная работа проводилась в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта «Синтез и исследование нового класса нанокомпозитной керамики с вырожденной диэлектрической проницаемостью для оптоплазмоных приложений», которым руководит профессор кафедры оптики и нанофотоники Института физики КФУ Сергей Харинцев.

Результаты исследования представлены в статье, недавно опубликованной в высокорейтинговом журнале Nanoscale.

«Развитие технологической платформы для оптического фотонагрева твердых тел и жидкостей в широком диапазоне температур играет важную роль для создания термооптических сенсоров и биоаналитических лабораторий на чипе. Ключевой идей нашей технологии является управление локальной температурой с использованием пространственной локализации термостата, а не изменения мощности накачки лазера. Этот подход оказался весьма эффективным для решения ряда задач, связанных с измерением локальной температуры стеклования полимеров и их плавления», – рассказала участница проекта, инженер-проектировщик НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы» Института физики КФУ Елена Черных.

Она подчеркнула, что температура наноразмерных структур может достигать сотен и даже тысяч градусов Цельсия.

«Термоплазмонная метаповерхность представляет собой упорядоченный двумерный массив TiN:Si микроструктур, каждый из которых состоит из последовательно соединенного TiN-цилиндра – плазмонного нанонагревателя и Si-цилиндра – одномерного радиатора тепла, – объясняет один из соавторов научной статьи, старший научный сотрудник НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы» Института физики КФУ Антон Харитонов. – Когда такие микроструктуры освещаются сфокусированным лазерным светом, они могут разогреваться до высоких температур в условиях плазмонного резонанса. Важно подчеркнуть, что максимальная температура нагрева микроструктуры TiN:Si определяется размером Si-цилиндра. Плавное изменение температуры в выбранном диапазоне осуществляется с помощью интенсивности лазерной накачки. Дизайн метаповерхности позволяет создавать целенаправленно двухмерные субволновые температурные профили».  

Разработанный в КФУ подход, сообщил руководитель проекта, будет использован не только для развития термооптических сенсоров, позволяющих детектировать локальные фазовые переходы, но и для разработки высокоэффективных светодиодов на основе неорганических перовскитов и технологии субволновой записи и хранения оптической информации. В перспективе результаты работы будут востребованы для развития новых направлений, таких как аналоговые вычислительные метаматериалы, термооптический нанокатализ, сверхбыстрое оптическое термоциклирование, термооптические 3D аддитивные технологии.