Размер:
A A A
Цвет: C C C
Изображения Вкл. Выкл.
Обычная версия сайта

Федеральный исследовательский центр 
«Красноярский научный центр
Сибирского отделения Российской академии наук»

Физическое материаловедение: новые материалы и структуры

17.05.2018 г.

В рамках направления "Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы" программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 годы ФИЦ "Красноярский научный центр СО РАН" реализует следующие бюджетные проекты:

Проект

Физические основы развития новой элементной базы фотоники и СВЧ-электроники

Ключевые слова

связанные состояния в радиационном континууме, керровская нелинейность, резонатор Фабри-Перо, поверхностный плазмон-поляритон, бифотонные поля, запутанные состояния, нелинейный кристалл, тетраборат стронция, спонтанное параметрическое рассеяние, корреляционная функция, дифракционная решетка, комбинационное усиление, керровская восприимчивость, стоячая волна, жидкий кристалл, локальное поле, анизотропия поляризуемости, фотонный кристалл, сверхвысокие частоты, микрополосковый резонатор, магнитная пленка, высокотемпературный сверхпроводник

Цель исследования

Исследования по распространению электромагнитного излучения оптического и СВЧ-диапазонов в фотонных структурах с нелинейными, электрически и магнитно управляемыми элементами проводятся с целью развития новой элементной базы для создания ультракомпактных многофункциональных устройств фотоники и СВЧ-электроники: лазерной ВУФ-спектроскопии с фемтосекундным временным разрешением, лазерных фотохимических и фотобиологических технологий, нанолитографии, информационных технологий (например, быстродействующих оптических логических элементов с субволновыми размерами, устройств передачи и управления модулированным оптическим излучением), фотонных устройств нанометровых размеров, новых электрически управляемых устройств радио- и оптоэлектроники (фильтров и зеркал, амплитудных и фазовых манипуляторов, приемо-передающих антенн с переключаемой плоскостью поляризации в двух ортогональных направлениях), систем связи и радиолокации с фазированными антенными решетками, полосно-пропускающих и режекторных фильтров и других элементов и устройств.

Актуальность

Развитию современных технологий микроэлектроники препятствуют фундаментальные проблемы. Размеры микросхем вплотную приближаются к квантовому пределу, где омические законы уже не работают. Тепловыделение из-за увеличения плотности микросхем вырастает до неприемлемой величины и на первый план выходит проблема охлаждения. С другой стороны, в современных информационно-телекоммуникационных системах перенос информации осуществляется главным образом оптическими волноводами (волоконная оптика), чьи характерные частоты на много порядков превышают частоты электронных процессоров. Очевидна идея совместить и перенос информации, и ее обработку оптическими системами. Таким образом, на сегодняшний день актуален поиск физических эффектов и оптических схем, открывающих принципиально новые пути для создания элементной базы электроники и информационных технологий. В этом контексте существенный интерес представляют собой технологии управления световыми потоками путем управления распределением плотности фотонных состояний в фотонно-кристаллических средах с нелинейными элементами структуры. Теоретической основой этому являются принципиально новые устойчивые решения нелинейных уравнений Максвелла, которые были бы немыслимы в линейных системах. Использование фотонно-кристаллических волноводных структур позволит добиться характерных частот работы оптических логических устройств порядка десятков и сотен терагерц. Фотонные кристаллы c оптоэлектронными, жидкокристаллическими и керровскими резонансными элементами предоставляют уникальные возможности для технической реализации контролируемого транспорта и преобразования светового излучения. Особый интерес в рамках указанной проблемы вызывают задачи построения микрорезонаторных устройств СВЧ-диапазона на основе фотонных кристаллов с функционально активными элементами на основе тонкопленочных магнитных структур. Актуальность и научная значимость решения данных задач обусловлена как необходимостью развития и уточнения фундаментальных представлений о влиянии структурных, размерных и интерфейсных эффектов на магнитные характеристики нанокристаллических тонких пленок и тонкопленочных структур, так и первостепенной важностью таких материалов для приложений микроэлектроники сверхвысоких частот, в частности, для создания новых конструкций электрически управляемых устройств: умножителей и смесителей частоты, фильтров, амплитудных и фазовых манипуляторов, используемых в системах связи, радиолокации, радионавигации и в специальной радиоаппаратуре.

Руководители проекта

 зырянов.jpg Зырянов Виктор Яковлевич

доктор физико-математических наук, профессор
заведующий лабораторией
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН

+7 391 2494510
zyr@iph.krasn.ru
 Беляев.jpg Беляев Борис Афанасьевич

доктор технических наук
заведующий лабораторией
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН

+7 391 2494591
belyaev@iph.krasn.ru



Проект

Исследование новых оптических материалов и разработка фотонных структур на их основе

Ключевые слова

фотонные кристаллы, локализованные оптические моды, оптические таммовские состояния, плотность фотонных состояний, топологическая фотоника, геометрическая фаза, связанные состояния в континууме, теория связанных мод, матрица переноса, метод конечных разностей во временной области, метод молекулярной динамики, теория функционала плотности, анизотропные, нелинейные и резонансные оптические материалы, двумерные материалы, металл-диэлектрический нанокомпозит, мягкая материя, хиральность, биообъект, фотосинтез, фотовольтаика, метаповерхность, терагерцевое излучение, трехмерная печать микроструктур, оптические соединения в центрах обработки данных, фотонные интегральные схемы

Цель исследования

Разработка новых фотонных структур, придающих заданные пространственные, спектральные и поляризационные характеристики излучению оптического и телекоммуникационного диапазонов, использование новых молекулярных систем с экстремальными оптическими характеристиками: анизотропией, нелинейностью и резонансными свойствами. В первую очередь это двумерные материалы, металл-диэлектрические нанокомпозиты, мягкая материя, биологические ткани и природоподобные материалы. Будет изучаться распространение и локализация света, преобразование и передача его хиральных характеристик, обусловленных одномерным, двумерным и трехмерным упорядочением молекулярных систем, а также воздействие света на среду, например, при преобразовании энергии в солнечных батареях и фотосинтезе в клетках растений.

В работе будут использованы методы компьютерного моделирования: матрица переноса, метод конечных разностей во временной области, метод молекулярной динамики, теория функционала плотности, теория связанных мод, метод разложения по плоским волнам, метод минимизации упругой энергии при упорядочении мягкой материи. В сотрудничестве с лабораториями ФИЦ КНЦ СО РАН будут использоваться экспериментальные методы: трехмерная печать микроструктур и базовые технологии изготовления наноструктур, спектроскопия комбинационного рассеяния, спектроскопия поглощения и люминесценции, рефрактометрия, электрооптика, магнитооптика, криогенные технологии электронной микроскопии. Полученные знания будут иметь научную значимость и потенциал для ответа на большие вызовы и промышленного освоения современных технологий фотоники, таких как создание фотонных интегральных схем и оптических соединений в центрах обработки больших объемов данных, а также природоподобных и экологически чистых технологий синтеза органических соединений, производства продуктов питания, создания искусственных биологических тканей и бионических устройств.

Актуальность

Развитие фотоники обусловлено доступностью и точностью изготовления сложных оптических структур на масштабе длины волны света. Миниатюризация в фотонике сочетается с совместимостью с человеческим зрением, быстродействием и энергоэффективностью устройств, c экономией материала при печати микроструктур. Фотонные структуры наполняют передовые области исследования от оптоэлектроники, волоконной и беспроводной передачи информации до квантового компьютера, от дисплейных технологий до получения изображений со сверхразрешением и оптической маскировки, от фотовольтаики до искусственного фотосинтеза.

В силу инвариантности уравнений Максвелла, методы радиофизики успешно перенимаются при создании элементной базы фотоники: на смену колебательным контурам приходят микрорезонаторы, световоды, метаповерхности и метаматериалы с широко проектируемыми оптическими свойствами. Отклики вещества на воздействие полей оптического и СВЧ диапазонов имеют кардинальные отличия. В оптическом диапазоне материалы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость, а магнитная проницаемость близка к единице. При оптическом отклике становится существенной нелинейность. В плазмонике для двумерных материалов и металл-диэлектрических композитов решающую роль играют скин-слой и масса электрона. Возникают аналогии с квантовой механикой и теорией твердого тела.

Принципы создания линз и призм смещаются от рефракции к дифракции, развиваются концепции фотонных кристаллов, оптических таммовских состояний, связанных состояний в континууме, фотонных топологических изоляторов.

Кроме микроструктур на масштабе длины волны создаются резонансные структуры на масштабе меньше длины волны - субволновые наноструктуры, метаповерхности. Это делает доступными новые степени свободы, увеличивая размерность пространства возможных конфигураций. Увеличение числа степеней свободы затрудняет поиск конфигураций, оптимальных в конкретном приложении. На первом этапе полезно ограничиваться простейшими симметриями, сокращающими избыточные степени свободы. На практике идеальные симметричные решения не реализуемы. Поэтому при большинстве типов деформаций, шумов и дефектов, возникающих вследствие несовершенства изготовления, целесообразно изучать сингулярности и топологические особенности. Топология проявляется как в структуре вещества, так и в структуре электромагнитного поля, его поляризации, зонной структуре поля в периодических средах. Поле составляет более динамичную субстанцию нежели вещество, и при взаимодействии поле перенимает структуру вещества и его топологические характеристики. Чтобы на практике определить условия существования и устойчивости определенных типов волн, необходимо описать область существования и границы перестраиваемости оптической моды при варьировании параметров фотонной структуры. Границы определяются разрушением топологического инварианта при открывании новых каналов рассеяния. Расширение диапазона вариации параметров позволяет говорить об управлении светом, что актуально для биологических структур и мягкой материи.

Руководитель проекта

 Тимофеев.jpg Тимофеев Иван Владимирович

доктор физико-математических наук
заведующий лабораторией
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН

+7 391 2494613
tiv@iph.krasn.ru


Проект

Разработка новых приборов для исследования перспективных материалов радиоэлектроники и создание устройств на их основе

Ключевые слова

микрополосковый резонатор, тонкая магнитная пленка, сверхвысокие частоты, ферромагнитный резонанс, магнитометр, намагниченность насыщения, анизотропия, сканирующий спектрометр ФМР, высокотемпературный сверхпроводник, жидкий кристалл, петля гистерезиса, микроэлектроника, оптоэлектроника, мультислойные наноструктуры, магнитная антенна, ближнепольная магнитная связь, частотно-селективные устройства.

Цель исследования

Разработка и создание новых приборов для научных исследований различных материалов, включая тонкие магнитные пленки, жидкие кристаллы, высокотемпературные сверхпроводники, фотонные кристаллы и метаматериалы на основе мультислойных нанокристаллических структур, перспективных для микроэлектроники, спинтроники и оптоэлектроники.

Разработка и исследование частотно-селективных устройств для систем связи, радиолокации, радионавигации, специальной радиоаппаратуры. Создание систем ближнепольной магнитной связи. Теоретические и экспериментальные исследования микрополосковых структур, содержащих тонкие магнитные пленки, жидкие кристаллы, пленки высокотемпературных сверх проводников, нанокомпозиты. Разработка 3D моделей таких структур для их электродинамического анализа.

Тестирование и сертификация созданных приборов. Организация мелкосерийного производства разработанных приборов для их внедрения в заинтересованные лаборатории Институтов РАН, научно-исследовательских институтов и ВУЗов России. Подготовка технической документации на приборы, требующие серийного производства, для ее передачи на профильные предприятия России.

Актуальность

Разработка новых материалов для микроэлектроники и новых приборов для их диагностики всегда являются актуальными задачами, решение которых стимулируют новые подходы к созданию устройств микро- и наноэлектроники. Такие работы позволяют создавать, в частности, высокочувствительные магнитометры слабых квазистационарных магнитных полей необходимые для решения многих научно-технических задач, но в первую очередь, задач геомагнитометрии, связанных как с изучением геологического строения Земли и поиском полезных ископаемых, так и c археологическими исследованиями. Датчики слабых магнитных полей применяются в медицине, в охранной сигнализации и специальной аппаратуре, используемой, в том числе, в космических технологиях. Учитывая огромную потребность в таких устройствах, важно, чтобы они не только имели требуемую чувствительность, но и были просты в изготовлении, обладали приемлемыми массогабаритными и энергетическими характеристиками, а также высокой надежностью и относительно малой стоимостью при массовом производстве.

В настоящее время исследователи активно изучают особенности распространения электромагнитных волн, падающих на слоистые конструкции из диэлектрических пластин, на границах раздела которых сформированы периодические структуры из полосковых проводников (2D решетки или сетки). Интерес к таким конструкциям обусловлен возможностью создания на их основе частотно-селективных поверхностей, служащих полосно-пропускающими фильтрами в диапазонах от миллиметровых до дециметровых длин волн.

Руководитель проекта

 Боев.jpg Боев Никита Михайлович

заведующий лабораторией
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН

+7 391 2494591
boev@iph.krasn.ru


Проект 

Физико-химические основы получения наноструктурированных материалов (ситаллов, микросфер, пеносиликата) и оптически активных материалов со структурой инверсного опала

Ключевые слова

комплексная переработка, пеносиликат, оптически прозрачные
Ситаллы, фотонные кристаллы, наноструктурированные материалы

Цель исследования

Получение оптически прозрачных наноструктурированных материалов в том числе и инверсных опалов на основе техногенного, рудного и нерудного сырья, исследование их свойств. Разработка научно-практических основ получения
ультрапористых материалов (микросфер, пеносиликатов и других материалов), предназначенных для использования в качестве фильтрующих материалов для очистки газов, воды, отработанных масел. Исследование механизмов самораспространяющейся кристаллизации в массивных стёклах и их использование для создания функциональных
наноструктурированных материалов. Разработка метода получения наноструктурированных нитевидных кристаллов Al2O3.

Актуальность

В настоящее время у нас в стране и за рубежом для изготовления стеклокристаллических материалов прозрачных в видимой и инфракрасной области, используются стекла на основе силикатов сподуменового или муллитового состава, прошедшие высокотемпературную (до 1700°С) термообработку. Они требуют использования в качестве исходного сырья химически чистых (без вредных примесей красящих оксидов железа и марганца) и тугоплавких дорогостоящих оксидов. Высокая прочность, химическая и термическая стойкость силикатных материалов чрезвычайно осложняют их переработку. В этой связи, в настоящее время, одной из важнейших проблем, затрагивающей большой круг вопросов создания новых материалов с заданными свойствами, является разработка путей повышения реакционной способности силикатов и вовлечение в их ресурсную базу техногенных отходов, а также рудного и нерудного сырья. Новым направлением исследования является предлагаемый в проекте подход - повышение реакционной способности силикатных материалов (диэлектрическая
составляющая расплава) путём перевода их в рентгеноаморфное состояние. Исследование механизма самоподдерживающегося фазового превращения из аморфного в кристаллическое состояние в массивных стёклах является фундаментальной проблемой
создания наноструктурированных материалов. Решение такой задачи имеет принципиальное значение не только для физики твердого тела и кристаллохимии, но и для металлургии и материаловедения. Практическая реализация нового подхода позволит расширить номенклатуру сырья для получения наноструктурированных материалов с заданными свойствами.
Инверсные опалы представляют собой оптически прозрачные трехмерные периодические структуры (фотонные кристаллы) с регулярно расположенными сферическими порами субмикронного размера. Такие материалы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, обладают разрешёнными и запрещёнными зонами для фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда.

Руководитель проекта

 Павлов.jpg Павлов Вячеслав Фролович
доктор химических наук
заведующий лабораторией
СКТБ "Наука"

+7 391 2907403  
pavlov@akadem.ru 



Поделиться:


Наверх
Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
РоссияКрасноярскКрасноярский край660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, 50
+7 (391) 290-79-88fic@ksc.krasn.ru55.99178392.765381