Термоплазмонную метаповерхность, позволяющую управлять распределением температуры на поверхности твердого тела с помощью сфокусированного лазерного света, разработали сотрудники научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) «Квантовая фотоника и метаматериалы» Института физики Казанского федерального университета (КФУ), 31 августа сообщает пресс-служба вуза.

Разработка, выполненная в рамках проекта «Синтез и исследование нового класса нанокомпозитной керамики с вырожденной диэлектрической проницаемостью для оптоплазмонных приложений», может быть использована для управления распределением тепла на наношкале термооптических сенсоров.

Участница проекта, инженер-проектировщик НИЛ Елена Черных сообщила, что для разработки термооптических сенсоров и биоаналитических лабораторий на чипе важную роль играет развитие технологий оптического фотонагрева твердых тел и жидкостей в широком диапазоне температур, поскольку температура наноразмерных структур может достигать сотен и даже тысяч градусов Цельсия.

Однако точная настройка оптического нагрева при фиксированной мощности накачки лазера ранее на практике не была реализована.

«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 Елена Черных.

Старший научный сотрудник НИЛ Антон Харитонов, также принимавший участие в исследовании, пояснил:

«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. Когда такие микроструктуры освещаются сфокусированным лазерным светом, они могут разогреваться до высоких температур в условиях плазмонного резонанса».

Харитонов подчеркнул, что максимальная температура нагрева микроструктуры TiN: Si зависит от размера Si-цилиндра. С помощью изменения интенсивности лазерной накачки производится плавное изменение температуры в выбранном диапазоне, а дизайн метаповерхности позволяет создавать целенаправленно двухмерные субволновые температурные профили.

Как сообщил руководитель проекта профессор кафедры оптики и нанофотоники Института физики КФУ Сергей Харинцев, разработанный в КФУ подход может быть использован также для разработки высокоэффективных светодиодов на основе неорганических перовскитов и технологии субволновой записи и хранения оптической информации.

Разработчики предполагают, что результаты их работы будут востребованы также для развития новых направлений, в том числе аналоговых вычислительных метаматериалов, термооптического нанокатализа, сверхбыстрого оптического термоциклирования, термооптических 3D аддитивных технологий.

Результаты исследования ученые представили в статье «Разработка двумерных профилей температуры с использованием перестраиваемой термоплазмоники», опубликованной в журнале Nanoscale.