Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета и ИТМО показали, как управлять свечением углеродных точек, помещая их на полупроводниковые нанопровода. Работа опубликована в Light: Advanced Manufacturing. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №25-72-00140).
Углеродные точки — это крошечные светящиеся наночастицы, размером обычно меньше 10 нм. Их можно представить как почти невесомые флуоресцентные фонарики: они поглощают свет одной длины волны и переизлучают его на другой. В отличие от многих классических квантовых точек, углеродные точки не содержат тяжелых металлов, сравнительно устойчивы к фотодеградации и могут быть получены масштабируемыми химическими методами.
Но у этих миниатюрных источников света есть слабое место. При высыхании и переносе на твердую поверхность они сближаются, агрегируют и гасят собственную люминесценцию.
Поэтому авторы предложили рассматривать саму подложку как активного участника оптического процесса. В этой роли выступили массивы нанопроволок из нитрида галлия, фосфида галлия и кремния, выращенные или сформированные на кремниевых подложках.
Нанопроволока — это вытянутый кристаллический столбик нанометрового диаметра и микрометровой длины. Она может направлять, удерживать, рассеивать или поглощать свет в зависимости от своего материала, длины, диаметра и электронных свойств.
В работе использовались три вида нанопроволок.
- Нанопроволоки GaN длиной около 2 мкм имели широкую запрещенную зону около 3,4 эВ и были прозрачны в видимом диапазоне.
- Нанопроволоки GaP длиной около 25 мкм сочетали широкую непрямую запрещенную зону и хорошие волноводные свойства.
- Кремниевые нанопроволоки длиной около 10 мкм были особенно важны с технологической точки зрения, потому что кремний лежит в основе современной микроэлектроники, но при этом активно поглощает значительную часть видимого света и сам является слабым излучателем.
Для синтеза углеродных точек авторы использовали гидротермальный способ из лимонной кислоты и этилендиамина. В воде они ярко светились синим при возбуждении ближним ультрафиолетом, а при переходе к более длинноволновому возбуждению их излучение становилось слабее и смещалось к зеленой, затем к оранжевой области.
После этого раствор углеродных точек наносили на массивы нанопроволок методом капельного осаждения. Электронная микроскопия показала тонкий аморфный углеродный слой толщиной около 5 нм на поверхности всех трех типов нанопроволок.
Валерий Кондратьев, старший научный сотрудник лаборатории функциональных материалов МФТИ, прокомментировал работу так: «Мы хотели сделать поведение углеродных точек в твердой фазе более предсказуемым. Оказалось, что нанопроволока не просто держит светящийся слой, а фактически выбирает, какие длины волн смогут эффективно возбуждать люминесценцию. Это превращает материал подложки в инструмент настройки спектра».
Чтобы понять, как именно работает такая настройка, исследователи объединили численное моделирование и фотолюминесцентную спектроскопию. Решение уравнений Максвелла для таких систем на основе нанопроводов и углеродных точек позволило заключить, что нанопроволоки нельзя описывать как простые поверхности. Они ведут себя как сложные оптические объекты, где одновременно работают эффекты поглощения света, рассеяние Ми, волноводные и резонансные оптические эффекты. Проще говоря, свет в такой структуре многократно взаимодействует с геометрией и материалом нанопроводов, что позволяет управлять его свойствами.
Если нанопроволока сама хорошо поглощает свет, которым пытаются возбудить углеродные точки, этот свет до точек почти не доходит. В таком случае светится в основном сам полупроводник или сигнал резко ослабевает. Если же материал нанопроволоки для выбранного света почти прозрачен, углеродные точки получают энергию и начинают светиться. Поэтому цвет и яркость свечения зависят не только от самих точек, но и от того, на какой подложке они находятся.
Первоначально углеродные точки излучают синий свет в водном растворе. На нанопроволоках GaN ученые увидели, что ожидаемое яркое синее свечение углеродных точек при ультрафиолетовом возбуждении почти пропадает. Нитрид галлия поглощает это излучение и начинает излучать сам: появляется характерный сигнал около 580 нм, связанный с дефектными состояниями в материале. Когда же возбуждающий свет становится менее энергичным (более длинноволновым) и уже не так сильно поглощается GaN, свечение углеродных точек постепенно смещается: от зеленовато-желтой области к более оранжевой.
На нанопроволоках GaP ситуация другая. Фосфид галлия плохо пропускает коротковолновое возбуждение, поэтому при таком освещении углеродные точки почти не светятся. Зато при более длинноволновом возбуждении появляется заметный сигнал в красно-оранжевой области. В выбранном авторами диапазоне регистрации именно структуры GaP с углеродными точками дали самый сильный сигнал.
Кремниевые нанопроволоки дали самый слабый отклик. Кремний, безусловно является основой современной фотоники и микроэлектроники, но в видимом диапазоне он заметно поглощает свет и тем самым подавляет люминесценцию углеродных точек. Поэтому на спектральной карте структуры Si/CDs виден только слабый сигнал фотолюминесценции углеродных точек в красной области, что также является нетривиальным результатом.
Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, добавил: «Мы сделали гибридную платформу, в которой углеродные точки не просто нанесены на поверхность, а работают вместе с полупроводниковыми нанопроволоками. Главный наш результат в том, что нанопроволока сама настраивает свечение: ее материал определяет, какой свет дойдет до углеродных точек и какой спектр получится на выходе. Это дает понятный инженерный принцип для создания компактных источников света на фотонных чипах».
Практические применения нового принципа управления светом лежат в области интегральной фотоники, сенсорики и активных оптических покрытий. На чипе нужны компактные источники, фильтры и преобразователи света, которые можно изготавливать масштабируемо и сочетать с кремниевой технологией. Гибридные структуры на основе нанопроволок предлагают путь к таким компонентам: можно выбирать материал нанопроволоки, ее геометрию и спектральное окно, а затем интегрировать на поверхность углеродные точки с подходящей химией.
Дальнейшие исследования могут развить этот подход в нескольких направлениях. Ученым предстоит оптимизировать плотность и равномерность покрытия, уменьшить капиллярное слипание длинных нанопроволок при высыхании раствора, подобрать другие материалы-хозяева и проверить, как геометрия массива влияет на направленность и эффективность излучения. Особенно перспективно сочетание углеродных точек с нанопроволочными резонаторами и волноводами.
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №25-72-00140).
Научная статья: Valeriy M. Kondratev, Andrei A. Ushkov, Maria A. Anikina, Elizaveta P. Karaseva, Ivan A. Kozko, Ekaterina A. Vyacheslavova, Alexander S. Gudovskikh, Vladislav O. Gridchin, Konstantin P. Kotlyar, Alexey Kuznetsov, Viktor V. Zakharov, Maxim A. Rider, Mariia S. Kovova, Talgat Shugabaev, Sergey V. Bazhenov, Stanislav V. Shmakov, Anna O. Orlova, Vladimir V. Fedorov, George E. Cirlin, Ivan S. Mukhin, Vladimir G. Leiman, Alexander V. Syuy, Aleksey V. Arsenin, Alexey D. Bolshakov. Host-Engineered Carbon Dot Luminescence: Integration with Nanowires for Photonics; Light: Advanced Manufacturing. Accepted article preview, 24. April 2026; DOI: https://doi.org/10.37188/lam.2026.075
Кроме сотрудников Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Академического университета имени Ж. И. Алферова, ИТМО, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, СПбГУ, Института аналитического приборостроения РАН и Пермского национального исследовательского политехнического университета.
