Регистрация / Вход
Прислать материал

14.586.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.586.21.0003
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет"
Название доклада
Терагерцовые детекторы на основе углеродных наноструктур для создания систем получения изображений
Докладчик
Федоров Георгий Евегеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание нового типа терагерцовых детекторов, которые легко могут объединяться в матрицы для получения с их помощью изображения в терагерцовом диапазоне.
Задачи проекта и возможные пути их решения:
- Изучение физических механизмов, лежащих в основе фотовольтаического отклика ассимметричных углеродных наноструктур;
- Оптимизация отклика углеродных наноструктур с целью увеличения чувствительности и подавления шумов;
- Разработка конфигурации одиночного чувствительного элемента;
- разработка прототипа матрицы детекторов.
Актуальность и новизна исследования
Многие прикладные задачи требуют создания систем фиксации изображения с использованием различных диапазонов электромагнитного излучения. Наименее освоенным на данный момент является т.н. терагерцовый (ТГц) диапазон э.-м. излучения покрывающий область частот от 100 до 10 000 ГГц. Актуальность создания ТГц детектирующих систем обусловлена, в частности, тем, что в этом диапазоне находятся линии поглощения в спектре органических молекул. Благодаря этому возможно их обнаружение в малых количествах, что является актуальным как для медицинских приложений, так и в системах безопасности.
Необходимость поиска новых решений для создания детектирующих устройств ТГц диапазона связана с тем, что существующие детекторы обладают рядом недостатков, такими как высокая стоимость, медленный отклик, громоздкость и пр.
Недавние результаты, полученные различными научными группами, в том числе и заявителями проекта, свидетельствуют о перспективности использования графена и наноструктур на его основе (углеродных нанотрубок, графеновых нанополос) в качестве чувствительного элемента ТГц детекторов. В числе физических свойств, обуславливающих перспективность этого нового материала нужно указать высокую подвижность носителей заряда, большую величину длины распространения плазменных волн. Данный проект нацелен на создание детектирующих устройств, характеристики которых будут оптимизированы за счет использования всех выше перечисленных преимуществ графена перед более традиционными полупроводниковыми материалами.
Описание исследования

Описание исследование

Реализация проекта проходила в две основные стадии: оптимизиция детектора и разработка матрицы детекторов.

На первой стадии были проведены поисковые исследования, которые развили задел, полученный в 2011-2014 годах Российскими и Французскими исполнителями проекта. Были изготовлены экспериментальные образцы детекторов на основе углеродных наноструктур. В качестве чувствительного элемента использовались следующие наноструктуры:

- Планарный однослойный графен

- индивидуальные углеродные нанотрубки (УНТ)

- сетки углеродных нанотрубок.

Во всех случаях синтез углеродного материала осуществлялся методом осаждения из газовой фазы (CVD) как наиболее технологичный.  Чувствительный элемент интегрировался в антенну в виде двойной логарифмической спирали.

Совемстно с французскими партнерами нами были исследованы характеристики полученных детекторов. По результатам этих исследований было установлено, что наибольшей вольтваттной чувствительностью обладают детекторы, чувствительный элемент которых представляет собой индивидуальную полупроводниковую УНТ. Тем не менее, такой детектор не обладает достачной стабильностью. Гораздо лучшую стабильность демонстрировали детекторы на основе графена и сеток из углеродных нанотрубок.  При этом вольтваттная чувствительность детекторов на основе УНТ-сеток оказалась несколько выше, чем у детекторов на основе планарного графена. Кроме того, УНТ сетки синтезируются непосредственно на подложке оксидированного кремния, накоторой располагается детектор. В то же время использование графена подразумевает его перенос с металла, использованного для синтеза. В связи с этим нами было принято решение остановиться на УНТ-сетках для использования в качестве чувствительного элемента детекторов.

На следующей стадии реализации проекта решались задачи, связанные с объединением детекторов в матрицу 4 на 4, которая должна служить прототипом системы получения изображений в ТГц диапазоне. Российская сторона решла технологические задачи, в то время, как Французские партнеры разрабатывали электрические схемы и алгоритмы обработки сигналов для визуализации.

Перед нами стояла задача разработки оптимизированной конфигурации матрицы детекторов. Под конфигурацией необходимо понимать геометрические размеры, топологию электрических содинений на поверхности подложки. Кроме того, нами рассматривались два варианта фокусировки излучения в плоскости матрицы. В первом варианте предполагалось, что каждый элемент располагается в главном фокусе отдельной кремниевой линзы. При этом изображение объектов сцены должно формироваться в плоскости, параллельной плоскости матрицы таким образом, что каждая из кремниевых линз фокусирует излучение от определенного участка изображения на антенну расположенного в ее фокусе детектора. Второй вариант предполагает расположение всех элементов матрицы в фокальной плоскости одной кремениевой линзы.

Поскольку реализация второго варианта связана с меньшими затратами и обладает очевидными преимуществами мы провели исследования возможности использования именно такого варианта исполнения экспериментального образца матрицы детекторов.

В ходе предвариетльных исследований были определен оптимальное расстояние между единичными детекторами.

В результате был создан экспериментальный образец матрицы детекторов, экспериментальная характеризация которого проведена французскими партнерами проекта.

Результаты исследования

- Были изготовлены экспериментальные образцы углеродных наноструктур.

- Были измерены зависимости отклика от конфигурации детектора: вольт-ваттная чувствительность, шумовые характеристики, времени отклика.

- Были определены оптимальные конфигурации и разработан макет детектора на основе углеродных наноструктур, предназначенный для решения задачи по увеличению чувствительности и подавления шумов.

- Были проведены экспериментальные исследования ТГц детекторов на основе углеродных наноструктур с различной конфигурации. Разработана оптимизированная конфигурация индивидуального ТГц детектора. Исполнитель – Лаборатория Шарля Кулона, Монпелье, Франция (внебюджетные средства)

- Были определены оптимальные конфигурации и разработан макет детектора на основе углеродных наноструктур, предназначенный для решения задачи по увеличению чувствительности и подавления шумов.

- Были проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96 и подана заявка на патент.

- Были проведены экспериментальные исследования ТГц детекторов на основе углеродных наноструктур с различной конфигурации. Разработана оптимизированная конфигурация индивидуального ТГц детектора. Исполнитель – Лаборатория Шарля Кулона, Монпелье, Франция (внебюджетные средства)

- Было показано, что изготовленные детекторы обладают вольваттной чувствительностью, рекордной для углеродных наноструктур.

- Был разработан экспериментальный образец матрицы детекторов на основе углеродных наноструктур

- Были разработаны программы и протоколы испытаний

- Были проведены испытания экспериментального образца матрицы детекторов на основе углеродных наноструктур

- Была предложена и реализована уникальная технология изготовления матрицы детекторов на основе углеродных наноструктур.

- Были проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96 и подана заявка на патент

- Разработаны программы и протоколы испытаний экспериментального образца матрицы детекторов.

- Был разработан дизайн матрицы детекторов и электронных схем, необходимых для ее работы (внебюджетные средства). Исполнитель – Лаборатория Шарля Кулона, Монпелье, Франция (внебюджетные средства). Разработан экспериментальный образец матрицы детекторов на основе углеродных наноструктур.

- Был создан экспериментальный образец матрицы детекторов включает в себя матрицу асимметричных транзисторных устройство на основе массива УНТ с электродами в форме плоской спиральной антенны логарифмического типа, систему мультиплексирования, систему предвари-тельного усиления и цифровой регистрации, а также программное обеспечение для обработки информации от системы регистрации и построения оптического изображения в ТГц диапазоне

- Проведенные исследования по характеризации показали, что по своим параметрам (время записи кадра, чувуствительность, и пр.) экспериментальный образец не уступает имеющимся на рынке аналогам. 

Практическая значимость исследования
Системы визуализации терагерцового (ТГц) диапазона востребованы в системах безопасности, в медицине а также для решения различных фундаментальных научных задач. Это связано, прежде всего с тем, что для ТГц излучения прозрачными являются такие объекты, как бумага, одежда. С другой стороны, в этом частостном диапазоне располагаются линии полгащения различных органических молекул, что позволяет их идентифицировать. На данный момент системы визуализации изображения в ТГц диапазоне прдлагаются очень ограниченным рядом компаний, зарегистрированных не на территории Российской Федерации. При этом цена этих систем чрезвычайно высока.
В рамках данного проекта продемонстрирована возможность принципально нового подхода к созданию таких систем. Предложенный подход позволит существенно упростить процедуру изготовления чувствительных элементов, не ухудшая их параметров.
Преставляется целесообразным проведение ОКР, ориентировнной на создание прототипа конечного изделия лдя последующей коммерциализации.