Нанотрубки дисульфида вольфрама — основа для новых фотонных устройств

Сотрудники факультета наук о материалах МГУ в тесном сотрудничестве с учёными физического факультета МГУ, Института Вейцмана (Израиль), Тель-Авивского университета (Израиль) и Института Йозефа Стефана (Словения) показали наличие уникального взаимодействия света с веществом в суспензиях и тонкопленочных самосборках нанотрубок дисульфида вольфрама, которые являются одними из самых известных и «старейших» аналогов всемирно известных углеродных нанотрубок. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

В работе впервые детально рассмотрены удивительные оптические свойства неорганических нанотрубок на основе дисульфида вольфрама, которые были впервые открыты еще в 1992 году профессором Решефом Тенне (Институт Вейцмана, Израиль), руководившим большим блоком работ и в данном исследовании. Несмотря на то, что к настоящему времени освоен синтез дисульфидных нанотубулярных структур в полупромышленном масштабе и разработан ряд нанокомпозитов и электронных устройств на их основе, долгое время в изучении оптических свойств дисульфидных нанотрубок сохранялся ряд существенных «пробелов». Спектры экстинкции суспензий нанотрубок WS₂, имеющие набор особенностей в видимой и инфракрасной области спектра, ошибочно интерпретировались как набор экситонных пиков поглощения. Однако данный подход требовал объяснения существенному сдвигу положений наблюдаемых экситонных пиков по сравнению со спектрами объёмных образцов дисульфида вольфрама и различий спектральной формы экстинкции у суспензий и частично упорядоченных плёнок на основе дисульфидных нанотрубок.

Нанотубулярные структуры на основе дисульфида вольфрама

На основании впервые проведенных комплексных измерений оптических свойств суспензий нанотрубок WS₂ учёные из Института Вейцмана и факультета наук о материалах МГУ показали, что особенностью таких наноструктур является сильное рассеяние света, вклад которого маскирует экситонные пики, проявляющиеся лишь в спектрах истинного поглощения и практически в точности совпадающие по энергии с экситонными пиками в объёмном WS2.

Более детальное экспериментальное изучение оптических спектров экстинкции и отражения, подкреплённое моделированием методом конечных разностей во временной области и по феноменологической модели связанных осцилляторов показало сильное взаимодействие света с веществом и формирование экситон-поляритонов в рассматриваемой системе. Данный блок исследований был проведён сотрудниками Института Вейцмана и лаборатории нанофотоники и метаматериалов физического факультета МГУ под руководством профессора А.А. Федянина. Было установлено, что нанотрубки WS₂ играют роль квазиодномерных поляритонных наносистем и проявляют одновременно экситонные особенности и резонаторные моды в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

«Результаты, полученные в данном масштабном, поистине международном исследовании, позволяют рассматривать нанотрубки дисульфида вольфрама в качестве основы для новых фотонных устройств, элементов оптических схем. Кроме того, знания о столь нетривиальных оптических особенностей данных наноструктур позволят по-новому взглянуть на свойства композитов плазмонных наночастиц золота и серебра с дисульфидными нанотрубками, активно разрабатываемых молодыми учёными факультета наук о материалах МГУ», — рассказал соавтор статьи Александр Поляков.

Более подробное обсуждение необычной дисульфидной системы, новых нанокомпозитов на основе тубулярных и луковичных наноструктур дисульфидов молибдена и вольфрама, их неорганический дизайн, анализ функциональных свойств и применений авторы опубликовали в недавнем обзоре в ведущем журнале «Успехи химии».

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
 

Фото: Особенности оптических свойств дисульфидных нанотрубок