Жигунов Денис Михайлович
«Оптика квантовых низкоразмерных структур»
Описание курса:
Настоящий курс посвящен новой динамично развивающейся в последние годы области физики – нанофотонике. Возникшая на стыке оптики, лазерной физики, квантовой электроники и материаловедения, нанофотоника изучает распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения в наноструктурах. Практический потенциал развития данной области огромен и подразумевает разработку перспективных фотонных устройств для оптических вычислений, создание защищенных средств связи, высокоэффективных солнечных батарей, систем оптической памяти и устройств оптической обработки сигналов, включая, в том числе, интегрированные сенсорно-диагностические системы для мониторинга показателей жизнедеятельности животных и человека.
Цель курса - обеспечить теоретическую подготовку студентов в области физики взаимодействия света с системами пониженной размерности, такими как двумерные слои, сверхрешетки, квантовые нити, квантовые точки, нанотрубки и т.п. В настоящее время наблюдается постоянно растущий интерес к подобным системам, вызванный бурным развитием нанотехнологий, в частности, методов получения и исследования наноразмерных объектов. Их отличительной особенностью является то, что свойства таких объектов зависят от их размера и формы, что открывает практически неограниченные возможности по созданию новых материалов с наперед заданными и гибко управляемыми свойствами. Основной упор в курсе сделан на оптических свойствах низкоразмерных структур (пропускание, поглощение и рассеяние света, люминесценция), а также на особенностях возбуждения, распространения и взаимодействия квазичастиц, возникающих в результате взаимодействия нанообъектов с падающим излучением.
Основной задачей курса является систематизация знаний о фундаментальных оптических эффектах в наноструктурах, обусловленных квантованием энергии носителей заряда, движение которых ограничено как минимум в одном направлении. Отдельно разбираются случаи двумерных, одномерных и нульмерных структур и принципиальные отличия их оптических свойств от свойств трехмерных объектов. Вводятся понятия о квазичастицах и об их особенностях в условиях пространственного ограничения. Наряду с анализом оптических свойств наноматериалов обсуждаются также и современные методы получения наноразмерных объектов. Особое внимание уделено прикладным вопросам, в частности, принципам действия приборов и устройств на основе наноразмерных квантовых структур, и их возможным применениям в качестве источников и приемников излучения, а также в фотовольтаике. Рассматриваются преимущества использования наночастиц как в методиках визуализации для биологии и медицины, так и в оптической сенсорике.
Планируется обновление и расширение материалов курса, что позволит повысить качество подготовки студентов, интересующихся современным состоянием науки в области нанофотоники. Обновление будет включать как дополнение имеющихся разделов, так и добавление новых в соответствии с актуальными тенденциями развития данного направления.
Лекция 1
Введение. Классификация и общие свойства квантовых низкоразмерных структур. Краткий исторический обзор развития нанотехнологий. Методы получения низкоразмерных объектов: эпитаксия, литография, коллоидный синтез, самоорганизация.
Лекция 2
Физические основы квантово-размерного эффекта: электрон в квантовой яме Размерное квантование электронных состояний. Энергетические уровни электрона в квантовой яме с бесконечно высокими стенками. Влияние высоты потенциального барьера на квантование уровней энергии.
Лекция 3
Гетероструктуры и сверхрешетки. Структуры с множественными квантовыми ямами. Межзонное поглощение и излучательные переходы. Оптические переходы между подзонами размерного квантования. Правила отбора и плотность состояний для оптических переходов в квантовых ямах.
Лекция 4
Классификация типов квантовых точек. Размерное квантование электронной подсистемы в квантовых точках. Влияние морфологии квантовых точек на энергетический спектр электронов. Синтез и оптические свойства коллоидных квантовых точек. Применения коллоидных КТ.
Лекция 5
Стоксов сдвиг края поглощения и максимума люминесценции для квантовых точек. Мерцающая люминесценция квантовых точек. Квантовые точки на основе кремния: методы синтеза, структура, свойства.
Лекция 6
Квантовые точки на основе полупроводников групп A3B5, A2B6 и A4B6. Наночастицы типа ядро-оболочка. Нанокристаллы перовскитов
Лекция 7
Понятие о квазичастицах. Экситоны Френкеля и Ванье-Мотта. Прямые и непрямые экситоны. Экситонное поглощение и люминесценция. 2D-экситоны. Экситоны в низкоразмерных гетероструктурах полупроводник-диэлектрик.
Лекция 8
Поверхностные плазмон-поляритоны и локализованные поверхностные плазмоны. Оптические резонансы металлических наночастиц.
Лекция 9
Фононы – тепловые колебания решетки. Комбинационное рассеяние света в наноструктурах: модель пространственного ограничения фононов.
Лекция 10
Методы получения и структура металлических и полупроводниковых нанонитей. Оптические свойства полупроводниковых нанонитей. Квантовые кольца на основе GaAs.
Лекция 11
Классификация типов углеродных низкоразмерных соединений. Синтез, структура и свойства углеродных наноструктур: фуллерены, графен и графеноподобные материалы.
Лекция 12
Синтез, структура и свойства углеродных нанотрубок и углеродных квантовых точек.
Лекция 13
Наночастицы в биологии и медицине. Наносенсоры на основе наночастиц. Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия.
Лекция 14
Лазеры на квантовых ямах, квантовых точках и квантовых нитях. Квантово-каскадный лазер. Спазер. Солнечные элементы с квантовыми точками. Светодиоды на основе квантовых точек. Фотоприемники на квантовых ямах. Применения углеродных нанотрубок.
