Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0196

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0196
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)"
Название доклада
Фотоннокристаллическе структуры на основе наноструктурированного пористого оксида алюминия
Докладчик
Козырев Евгений Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель:
Создание многослойных фотоннокристаллических структур (МФС) для фотонных кристаллов и элементов преобразователей солнечной энергии в электрическую на основе наноструктурированного пористого оксида алюминия.
Задачи:
Получение элементов фотонных кристаллов и элементов преобразователей солнечной энергии в электрическую на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия.
Физико-математическая модель процесса синтеза экспериментальных образцов - наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия.
Лабораторный регламент получения экспериментальных образцов наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия методом самоорганизации. Экспериментальные образцы наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия.
Методика синтеза экспериментальных образцов фотоннокристаллических материалов методом электрохимического анодирования алюминия.
Экспериментальные образцы фотоннокристаллических материалов на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия.
Результаты испытаний экспериментальных образцов фотоннокристаллических материалов на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия по разработанным программам и методикам.
Модель процесса распространения и поглощения света в двумерных фотонных кристаллах на основе пористого анодного оксида алюминия при заполнении пор материалами с различной диэлектрической проницаемостью.
Оптические, люминесцентные, фотоэлектрические и нелинейно-оптические свойства разработанных фотоннокристаллических материалов.
Технологический процесс формирования фотоннокристалических материалов для элементов
солнечных батарей.
Актуальность и новизна исследования
Последнее десятилетие ознаменовалось значительным интересом к созданию и исследованию наноструктур, которые весьма перспективны с точки зрения создания приборов, способных генерировать, переключать и детектировать оптический сигнал, используя нелинейно оптические процессы. В связи с этим необходимо развитие новых подходов, которые приведут к формированию новых искусственных материалов на основе наноструктур. Получение новых материалов с требуемыми структурными оптическими свойствами представляет собой актуальную задачу современной физики, решаемую методами нанотехнологии. В настоящее время на мировом рынке весьма активно развивается направление создания фотоннокристаллических материалов для создания фотонных кристаллов, которые представляют интерес как с фундаментальной точки зрения, так и для многочисленных приложений. На основе фотонных кристаллов создаются и разрабатываются оптические фильтры, волноводы (в частности, в волоконно-оптических линиях связи), устройства, позволяющие осуществлять управление тепловым излучением, конструкции лазеров с пониженным порогом накачки, преобразователи солнечной энергии, светочувствительные фотодиоды, различного типа сенсоры и п.р.
Пористый оксид алюминия представляет большой интерес в качестве матрицы для внедрения в поры различных органических и неорганических соединений. Возможно применение таких структур и для нелинейно-оптических преобразований света, например,
генерации гармоник. Также использование ПОА позволит получить высокотемпературный фотонный кристалл, способный работать до температур 1200 градусов Цельсия. С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники.
Описание исследования

Исследование направлено на решение крупной научной проблемы - разработка многослойных фотоннокристаллических структур на основе наноструктурированного пористого оксида алюминия, которая определяет развитие современной физики, решаемой методами нанотехнологии. В настоящее время в мировой практике активно развивается направление создание  фотоннокристаллических структур на основе наноструктурированного пористого оксида алюминия.

При исследованиях фотонных кристаллов в последние годы одним из перспективным направлений становятся пористые полупроводники и диэлектрики, в которых поры образуются химическими и электрохимическими методами. Поры имеют при этом размеры от единиц до сотен нм. При этом физические свойства изготовленных структур существенно отличаются от свойств исходного материала.

Несложность изготовления, и возможность, изменяя параметры при изготовлении, управлять параметрами пористых полупроводников и диэлектриков. У большинства пористых полупроводников и диэлектриков показатель преломления и диэлектрическая проницаемость меньше чем у объемных материалов, что очень важно для изготовления сред с низкой диэлектрической проницаемостью для снижения размеров элементов в электронной промышленности.

Очень большое значение имеет развитие поверхности пористых структур и возможность их заполнения различными материалами.

Такие нанокомпозитные среды обладают упорядоченностью или имеют анизотропную  форму, что очень важно для свойств двулучепреломления.

Для создания фотонных кристаллов очень важно иметь возможность выбирать и осуществлять обработку материалов, в значительных пределах управлять свойствами пористых материалов, чтобы создать требуемые оптические среды.

Наибольший интерес из пористых сред для синтеза перидических фотонных структур представляет наноструктурированный  пористый анодный оксид алюминия (ПОА). Пленки пористого оксида алюминия формируются методом электрохимического анодирования пластин химически чистого алюминия. ПОА представляют собой двухмерную фотонную периодическую пористую структуру, подобную пчелиным сотам с диаметром пор от  единиц  нм до сотен нм. Расстояние между порами зависит линейно и увеличивается с повышением напряжения . Диаметр пор зависит от многих параметров, в том числе и от состава электролита, концентрации и pH и достигает от 0,01 мкм до 0,8÷1 мкм. Необходимо отметить, что до настоящего времени нет четких представлений о химических и электрофизических механизмах образования пористых структур оксида алюминия, нет полного выявления причин зарождения пор и их дальнейшего прямолинейного продвижения в объем материала.

Исследования фотонных кристаллов на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия вызывают значительный интерес как у нас в стране, так и за рубежом.

Поскольку пористость и показатели преломления определяются в частности и плотностью тока процесса электрохимического анодирования алюминия, то изменяя эту величину можно получить структуры с различной пористостью в одном объеме с различными показателями преломления. Такими образом на основе ПОА можно создавать одномерные, двухмерные и трехмерные фотонные кристаллы  с фотонной запрещенной зоной вплоть до инфракрасного диапазона.

Методами фотолитографии с последующим анизотропным травлением можно создать структуры с чередующимися слоями анодного оксида алюминия с размерами щелей до единиц мкм. Исследования оптических свойств ПОА дает высокую прозрачность оксида по направлению пор с коэффициентом пропускания до 98%. ПОА обладают двулучепреломлением: различаются показатели преломления света, вдоль пор – необыкновенная волна, перпендикулярно порам - обыкновенная. При этом оксид алюминия выполняет свойства положительного однослойного кристалла. Это дает возможность использовать ПОА для вращения плоскости поляризации. ПОА представляет значительный интерес для осаждения в поры ПОА  различных органических и неорганических материалов. Особый интерес представляет осаждение в поры таких соединений как сульфида цинка и кадмия. В этом случае возможно создание эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую. С учетом фотонно-кристаллических свойств  ПОА  возможно увеличение эффективности преобразователей солнечной энергии и новые перспективные применения.

Для осуществления поставленных задач применяются различные методы исследования такие как измерения спектров пропускания и отражения света в ПОА, генерацию оптических гармоник, нелинейную спектроскопию, атомно-силовую и сканирующую электронную микроскопию, рентгеновскую дифракцию.

 

Результаты исследования

В ходе реализации ПНИЭР на данном этапе работы были получены следующие результаты:

Проведены выбор и обоснование методов и средств изучения структуры и свойств многослойных фотоннокристаллических структур (МФС) на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия.
Исследовано влияние различных компонентов в растворах электролитов на основе винной, азотной, борной кислоты, парамолибдата аммония, калия, магния, буры на характеристики анодирования и структуру ПОА.

В результате были оптимизированы составы сложных электролитов и исследованы структуры изготовленных ПОА с помощью атомно-силового микроскопа.
Исследован механизм осаждения металлов в пары оксида алюминия при электролизе водных растворов солей металлов.Выявлено, что осаждение металлов в поры ПОА связано с механизмом окрашивания анодных оксидных пленок. Исследовано осаждение металлов в поры ПОА при электролизе водных растворов солей железа, кобальта и меди. Отмечено, что в порах ПОА при осаждении солей никеля электролиз необходимо проводить переменным током при плотности тока при 1÷5 А/дм2, напряжением до 80 В в течение до 10 мин. Эксперименты показали, что ПОА можно выращивать в одном электролите, а осаждение – в других.
Исследованы морфология поверхности степени упорядоченности пористой структуры наноструктурированного пористого оксида алюминия на атомно-силовом и растровом электронном микроскопах.
Результаты, полученные при исследовании атомной структуры и морфологии, позволили более глубоко изучить образование пористой структуры анодного оксида алюминия и влияние состава электролита на параметры структуры ПОА.
Полученные результаты при исследовании морфологии поверхности и атомной структуры с использованием атомно-силового и растрового электронного микроскопов позволили оптимизировать процесс анодирования ПОА.
Исследованы особенности получения наноструктурированного пористого оксида алюминия для создания преобразователей солнечной энергии в электрическую.
Рассмотрены преобразователи солнечной энергии в электрическую на основе кристаллического, поликристаллического и аморфного кремния с использованием пористых полупроводников, диэлектриков и органических материалов. Показано, что наиболее перспективным для создания ПСЭ является наноструктурированный пористый оксид алюминия с электрохимическим осаждением в поры ПОА полупроводниковых соединений и органических материалов.

Получены статистические данные для оптимизации процесса анодирования и составления технологического регламента получения экспериментальных образцов наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия методом самоорганизации. Разработан лабораторный регламент получения экспериментальных образцов наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия. Изготовлено 10 экспериментальных образцов наноструктурированного анодного пористого оксида алюминия с толщиной 50-100 мкм и диаметром пор 50-300 нм. Для проведения испытаний параметров и характеристик изготовленных образцов разработаны программа и методики испытаний оптических характеристик экспериментальных образцов наноструктурированного анодного пористого оксида алюминия. Проведены испытания 10 экспериментальных образцов толщиной 50-100 мкм и диаметром пор 50- 300 нм наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия по разработанным программам и методикам.

Практическая значимость исследования
Разработанный в процессе работы технологический процесс изготовления экспериментальных образцов наноструктурированного пористого оксида алюминия и результаты проведенных испытаний по разработанным программам и методикам полностью удовлетворяют требованиям технического задания для создания на их основе фотонных кристаллов и преобразователей солнечной энергии в электрическую и выполнены на мировом уровне.
В процессе работы разработана технология получения тонких пленок CuIn0,95Ga0,05Se2 методом двухстадийной селенизации на подложках наноструктурированного пористого оксида алюминия. Исследования спектральных зависимостей комбинационного рассеивания и поглощения указывают на возможность получения пленочных преобразователей солнечной энергии в электрическую.
Фотонные кристаллы на основе наноструктурированного пористого оксида алюминия способны работать до температур 1200 градусов С. Практическую значимость также представляет, как было показано в работе, использование наноструктурированного пористого оксида алюминия в качестве матрицы для внедрения в поры различных органических и неорганических соединений. Также возможно применение таких структур для нелинейно-оптических преобразователей света, на пример, для генерации гармоник.