Исследователи Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ вместе с коллегами из ОАЭ, Сингапура и Армении показали, что тиофосфат кадмия (CdPS₃) обладает редким для коротковолновой нанофотоники набором свойств. Он сочетает высокий показатель преломления с прозрачностью в видимой и ближней ультрафиолетовой области. Это открывает новые пути к созданию более плотных фотонных микросхем, компактных датчиков и плоских оптических элементов для коротковолнового света. Статья опубликована в журнале Nanophotonics. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант №25-19-00326).
Эволюция вычислительной техники вплотную приблизилась к физическому пределу традиционной электроники. На смену нагревающимся микросхемам приходят оптические устройства, в которых информация передается с помощью частиц света — фотонов. Такие системы могут работать быстрее и энергоэффективнее, однако на пути к уменьшению их размеров инженеры десятилетиями сталкивались с жестким компромиссом, связанным с ограничениями материалов.
Чтобы свет работал внутри фотонной интегральной схемы, его нужно не просто направить из одной точки в другую. Его еще необходимо удержать в очень малом объеме — иногда в области размером меньше сотни нанометров — и при этом не потерять энергию на нагрев материала. Для красного и инфракрасного света у инженеров уже есть хорошо изученные платформы. Но с синим и ультрафиолетовым светом задача становится гораздо труднее: материалы, которые сильнее удерживают свет за счет большого показателя преломления, часто начинают его поглощать, а прозрачные материалы обычно удерживают его слабее.
«Поиск подходящих материалов для нанофотоники всегда сводился к вынужденному компромиссу: выигрывая в прозрачности, исследователи неизбежно теряли в способности управлять световым потоком,— отмечает Илья Завидовский, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.— Наша работа доказывает, что этот барьер преодолим. Полученные нами физические константы тиофосфата кадмия открывают инженерам возможность проектировать оптические элементы, создание которых считалось физически невозможным».
Исследователи изучили слоистый кристалл CdPS₃ — тиофосфат кадмия. Они показали, что этот материал обладает редким для коротковолновой фотоники сочетанием свойств: высоким показателем преломления, близким к 3 в ближней ультрафиолетовой области, и способностью пропускать свет в широком диапазоне видимого спектра. Для сравнения: у обычного оконного стекла показатель преломления — 1,5.
Помимо этого материал состоит из слоев, что позволяет получать из него пленки толщиной в несколько атомов с помощью обычного скотча. Поверхность таких отшелушенных чешуек или флейков получается очень гладкой, что позволяет уменьшать рассеяние света и создавать более качественные оптические структуры.
Особенность исследуемого материала связана с давно известным компромиссом в оптических материалах. Чаще всего чем лучше материал пропускает коротковолновый свет, тем ниже его показатель преломления. Это ограничивает миниатюризацию: свет хуже удерживается, элементы приходится делать крупнее, а плотность размещения оптических компонентов падает.
Тиофосфат кадмия оказался одним из материалов, которые заметно ослабляют эту дилемму. Он позволяет сильно «сжимать» свет, при этом не поглощая видимое и ближнее ультрафиолетовое излучение. Именно такое сочетание необходимо для создания миниатюрных волноводов, метаповерхностей, компактных спектрометров, чувствительных датчиков и фотонных микросхем.
Физики получили широкополосную карту оптических свойств тиофосфата кадмия — от ультрафиолетовой области до среднего инфракрасного диапазона, от 250 нм до 16 мкм. Такая карта фактически служит «паспортом» материала для проектировщиков: по ней можно рассчитывать, как свет будет распространяться в тонких пластинах, волноводах и наноструктурах.
Затем исследователи проверили эти данные напрямую. С помощью ближнепольной оптической микроскопии они увидели, как внутри флейков CdPS₃ распространяются направляемые световые моды. Эти изображения показали, что материал действительно удерживает и направляет свет в наномасштабе.
«Мы направили лазерный луч на край кристалла тиофосфата кадмия, и свет начал распространяться внутри него как по волноводу,— объясняет Дмитрий Грудинин, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», инженер Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.— С помощью специального зонда, который сканирует поверхность с нанометровой точностью, мы зафиксировали интерференционную картину — чередование светлых и темных полос. По расстоянию между этими полосами мы точно определили, с какой скоростью свет движется в кристалле и насколько сильно “сжимается”».
Расчеты на основе измеренных оптических постоянных показали, что волновод из тиофосфата кадмия может иметь ширину около 94 нм при длине волны 375 нм. Для сравнения: волновод из оксида титана TiO₂ при близкой длине волны и том же критерии удержания поля получается примерно 132 нм. Это означает, что элементы коротковолновых фотонных схем из тиофосфата кадмия могут быть меньше, чем из ряда других оптических материалов.
Еще одна важная деталь рассматриваемого кристалла — почти одинаковый оптический отклик в плоскости слоев. Во многих слоистых материалах свет ведет себя по-разному в зависимости от направления поляризации в плоскости флейка. Такое свойство может быть полезно для специальных оптических элементов, например поляризационных фильтров, модуляторов или датчиков. Но для обычных фотонных схем это скорее усложняет проектирование. Тиофосфат кадмия, несмотря на свою кристаллическую асимметрию, в видимом диапазоне ведет себя практически изотропно в плоскости слоев. Для будущих устройств это означает более простую геометрию и предсказуемую работу.
Потенциальные применения такого материала лежат в разных областях: фотонные микросхемы, компактные оптические датчики, ультрафиолетовая диагностика, приборы экологического и промышленного контроля, элементы связи и обработки сигналов, а также оптические системы для авиационной и космической аппаратуры.
На данном этапе исследования пока нет готовой промышленной технологии создания оптических устройств на основе CdPS₃. Для этого еще предстоит изучить рост кристаллов, методы наноструктурирования, реальные потери в изготовленных волноводах, долговременную стабильность и совместимость с технологическими процессами. Однако главное уже сделано: у тиофосфата кадмия появился детальный оптический «паспорт», а его способность направлять свет подтверждена экспериментально.
Работа исследователей из МФТИ показала, что поиск материалов для фотоники не сводится к выбору между кремнием и традиционными прозрачными диэлектриками. Между ними есть малоизученная область слоистых кристаллов, где можно найти неожиданные сочетания свойств. Тиофосфат кадмия стал одним из таких примеров — материалом, который позволит перенести плотную интегральную фотонику в синюю и ближнюю ультрафиолетовую область спектра.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант №25-19-00326).
Научная статья: Povolotskiy Maksim R., Aleksandr S. Slavich, Georgy A. Ermolaev, et al. 2026. Record Index–Bandgap Trade-Off: CdPS₃ as a High-Index van der Waals Platform for Ultraviolet–Visible Nanophotonics. Nanophotonics: e70142. DOI: https://doi.org/10.1002/nap2.70142
Исследование выполнено учеными из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Центра исследований передовых технологий (ОАЭ), Университета Манчестера (Великобритания), Ереванского государственного университета и Национального университета Сингапура.
Подробнее: Научный центр мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники»
занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники». Его участниками совместно с МФТИ являются ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступают такие техногиганты и ключевые промышленные компании, как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
