Регистрация / Вход
Прислать материал

Высокоточные
измерительные приборы и высокоэффективные функциональные устройства на основе новых физических принципов

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
9,4 млн
Внебюджетные средства
1,88 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
25.06.2009 - 30.09.2009
1. Наименование разрабатываемой продукции
Разработка лабораторных технологий получения плёночных наногетероструктур с однонаправленной анизотропией, выраженным магниторезистивным эффектом и гигантским магнитным импедансом.
Разработка методов синтеза индивидуальных фаз с использованием предварительной механической активации смесей, термического разложения прекурсоров в контролируемых условиях. Использование пиролиза полимерно-солевых композиций на основе водорастворимых неионогенных полимеров и солей соответствующих металлов.
Изучение процесса формирование микро- и нанодоменных структур при пространственно неоднородном импульсном нагреве лазерным излучением и при модификации поверхностного слоя методами протонного обмена и ионной имплантации. Экспериментальное исследование образования периодической доменной структуры в результате импульсного лазерного облучения поверхности пластин с периодическими аппликациями, созданными методами фотолитографии.
Разработка структурной схемы ЭПР спектрометра на основе доступной элементной базы, обеспечивающей оптимальное достижение заявленных конечных параметров устройства. Определение требований к отдельным узлам и блокам прибора. Разработка частных Технических Заданий для разработки и конструирования всех основных подсистем спектрометра.
Изучение и анализ литературных данных по всем научным направлениям проекта.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 1-ом этапе.
На основе метода ионного распыления разработаны базовые методики получения широкого спектра планарных наногетероструктур, к которым относятся мультислойные структуры с однонаправленной анизотропией на основе ферримагнитных магнитотвёрдых плёнок Tb-Co и антиферромагнитных плёнок Fe-Mn, а также плёночные элементы с гигантским магнитным импедансом со структурой сэндвичей типа Fe-Ni/Cu/Fe-Ni. В ходе работы сконструирована и изготовлена оснастка, для тонкого слоистого структурирования плёночных осадков в едином вакуумном цикле, позволяющая выполнять напыление плёнок в присутствии магнитного поля, осуществлять послойное маскирование плёночных структур. С её использованием определены реальные скорости распыления различных магнитных (Fe19Ni81, Tb, Tb-Со) и немагнитных металлов (Ti, Cu), а также диэлектрических материалов (SiO2, Al2O3), найдены оптимальные временные и температурные режимы осаждения указанных материалов, установлены толщинные зависимости структурных и магнитных характеристик.
Сформулированы общие подходы к методам синтеза индивидуальных материалов с перовскитовой или перовскитоподобной структурой на основе редкоземельных, щелочноземельных и 3d-переходных металлов. Отработаны две группы методик синтеза таких материалов. Одна основана на цитратно-нитратной, глицин-нитратной и глицерин-нитратной технологиях. Другая связана с использованием водных полимерно-солевых растворов, в которых в качестве полимерного компонента использовался поливиниловый спирт и поливинилпирролидон. Для ряда составов проведена оптимизация традиционного твердофазного метода синтеза. Механическая активация оксидой шихты проводилась с использованием планетарной мельницы Pulverisette 7 (Fritsch, Германия). Показано, что использование механической активации позволяет заметно снижать температуру и времена последующих отжигов для получения однофазных сложных оксидов.
Проведены детальные исследования воздействия пространственно неоднородного импульсного лазерного облучения на доменную структуру сегнетоэлектриков семейства ниобата лития LiNbO3 (LN) и танталата лития LiTaO3 (LT). Обнаружено, что вид структуры зависит от средней плотности энергии лазерного излучения и от локальной интенсивности в облученной зоне, которая в центре существенно выше, чем на краях. Экспериментально показано, что глубина доменной структуры зависит от условий облучения и может достигать сотен микрон. Выявлены и объяснены особенности кинетики формирования нано-доменных структур в пластинах LN с поверхностным слоем, модифицированным методом протонного обмена. Впервые проведенные исследования нано-доменных структур различными модами сканирующей зондовой и конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния позволили обнаружить рост нано-доменных ансамблей, опережающих боковое движение доменных стенок. Впервые проведено экспериментальное исследование спектра комбинационного рассеяния вблизи доменных стенок.
Сформулированы технические требования к разрабатываемому малогабаритному автоматизированному ЭПР спектрометру. Определены его целевые характеристики. Разработана структурная схема прибора, определен перечень и основные характеристики функциональных блоков и межблочные интерфейсы. Показано, что основная СВЧ подсистема должна быть построена на ненастраиваемых гибридных микрополосковых модулях, что обеспечит вместе с использованием только твердотельных электронных СВЧ компонентов малые габариты, высокую недежность, вибро- и климатоустойчивость, а при серийном выпуске – радикальное снижение себестоимости прибора.
Сделан аналитический обзор научно-технических публикаций по разрабатываемым научным направлениям.
2.2. Новизна применяемых решений.
При получении представленных результатов использованы: передовые базовые технологии физического и химического синтеза, позволившие разработать ряд конкретных методик получения новых функциональных материалов; новейшее оборудование и оригинальные методики изучения доменной структуры сегнетоэлектриков, позволившие впервые выделить в наноразмерной шкале ряд особенностей в топологии и кинетике электрических доменов; современные концептуальные и схемотехнические решения в создании СВЧ-аппаратуры, позволившие разработать структурную и функциональную схемы нового малогабаритного автоматизированного ЭПР-спектрометра.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе: полученные результаты имеют существенную методическую составляющую, которая рассматривается как база для дальнейших разработок новых функциональных материалов и устройств электро-магнито-радио-метрии.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе: не предусмотрено техническим заданием.

3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов: сенсоры магнитного поля, материалы и комплектующие для устройств водородной энергетики, преобразователи длины волны лазерного излучения, дозиметра ионизирующего излучения.
3.2. Полученные результаты являются основой развития специального практикума для студентов направления физика, химия, специальностей фундаментальная радиофизика и физическая электроника, нанотехнологии, метрология и метрологическое обеспечение.
3.3. Работа по проекту привлекла к реальной научно-технической деятельности ряд студентов и выпускников физического и химического факультетов УрГУ

4. Выводы
Задачи 1-го этапа выполнены полностью
Развернуть
2
01.10.2009 - 15.12.2009
Основные результаты:
Создан автоматизированный испытательный комплекс, позволяющий проводить аттестацию и исследование однородных и многослойных плёночных структур, а также разработку на их основе функциональных сред для сенсоров магнитного поля с улучшенными характеристиками. Разработаны методики проведения измерений на всех элементах измерительного комплекса.
Получен обширный экспериментальный материал о комплексе функциональных свойств широкого круга сложных оксидов (кристаллическая структура, электропроводность и термо-эдс, коэффициенты термического расширения), которые в совокупности с результатами исследования дефектной структуры данных материалов являются физико-химической основой их практического применения. Проанализировано изменение значений кислородной нестехиометрии при изменении химического состава. Показано влияние допирующих примесей акцепторного и донорного типа. Разработана методология термодинамического моделирования дефектной структуры оксидных фаз и проведения корреляционного анализа полученных моделей с массивом экспериментальных данных. Полученные модели позволили провести расчет концентрации, а в некоторых случаях и подвижности носителей заряда. Эти сведения однозначно определяют важнейшие функциональные электротранспортные свойства оксидных материалов.
Определены закономерности формирования доменных структур в сегнетоэлектриках типа MgO:LN в условиях воздействия на среду неоднородными электрическими и тепловыми полями. При помощи моделирования кинетики доменов воспроизведен рост полосовых доменов под одиночным полосовым электродом и под фрагментом периодической структуры электродов. Обоснована целесообразность создания доменной структуры с одновременным использованием импульсного лазерного облучения и приложения электрического поля. Показано, что определяющую роль для создания периодических доменных структур играет блокирование роста доменов за пределы электродов за счет воздействия пироэлектрического поля.
Проведен анализ возможности достижения планируемых параметров канала регистрации спектрометра ЭПР: определена конкретная структура канала; выбраны необходимые интегральные компоненты и режимы их работы, обеспечивающие достижение требуемых технических характеристик, а также высокую надежность, малые габариты, потребляемую мощность и цену; разработана принципиальная схема приемного канала; заключено соглашение о совместной деятельности с предприятием – изготовителем частей спектрометра, производимых по аутсорсингу.

Новизна применяемых решений:
при получении представленных результатов использованы уникальное исследовательское оборудование, современные методики анализа экспериментальных данных и моделирования физико-химических процессов, создающие основу для разработки новых магнитных тонкоплёночных, оксидных и сегнетоэлектрических функциональных материалов, а также устройств СВЧ электроники.

Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе: широко использованы методы моделирования физико-химических процессов синтеза и свойств функциональных материалов.

Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе: представлена для патентования разработка: «Способ, устройство для получения многослойных пленок и многослойная структура, полученная с их использованием».
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 3-ем этапе.
На примере наноструктурированных плёнок Co и Tb установлены закономерности формирования магнитных и магниторезистивных свойств ультратонких слоёв 3d- и 4f-металлов. В частности, показано, что структурирование плёнок кремнием приводит к образованию межслойных интерфейсов переменного состава толщиной до 15 Å. В них имеет место аморфизация металла, влекущая за собой снижение величины и повышение дисперсии магнитной анизотропии. В плёнках Co это сопровождается понижением атомного магнитного момента, а в плёнках Tb реализацией высокого магнитосопротивления. Установлено наличие и закономерности изменения с температурой межслойной обменной связи в тонких двухслойных сэндвичах Tb31Co69/Fe19Ni81. Показано, что селективный отжиг слоя пермаллоя оптимизирует эту связь и создаёт предпосылки для использования данных структур в качестве функциональных сред с анизотропным магниторезистивным эффектом и внутренним смещением.
Исследованы химическая и механическая совместимости электролитов с электродными материалами на основе сложнооксидных систем La1-xAxM1-yMeyO3 (A=Sr,Ba; M=Mn,Co; Me=Fe,Cr), а также функциональные свойства хромзамещенного кобальтита лантана-стронция. Найдены электродные материалы, проявляющие высокую химическую устойчивость к электролитам Ce0.8Sm0.2O2 и Zr0.85Y0.15O2. Установлено, что оптимальной химической и механической стабильностью друг к друг обладают составы La0.7Sr0.3Mn0.9Fe0.1O3 и Ce0.8Sm0.2O2. Выполнена оценка проводимости по ионам кислорода, коэффициентов диффузии и самодифузии вакансий кислорода, а также моделирование дефектной структуры оксида La0.7Sr0.3Co0.7Cr0.3O3-δ. Тем самым произведена аттестация новых оксидных материалов, которые могут быть использованы в качестве катодов топливных элементов, кислородпроводящих мембран в реакторах парциального окисления углеводородов и катализаторов.
Созданы методики формирования нанодоменных структур в CLN и MgO:LN под действием пироэлектрического поля, возникающего после импульсного нагрева поверхности пластины лазерным излучением. Оптимизированы параметры указанного воздействия. Впервые выявлены и классифицированы закономерности формирования нанодоменных структур в CLN с поверхностными слоями, модифицированными методом протонного обмена. Продемонстрирована перспективность использования пространственно неоднородной модификации поверхностного слоя монокристаллов LN для создания периодических доменных структур.
Разработаны и изготовлены плата аналоговой обработки сигналов и плата управления и цифровой обработки сигнала в составе ЭПР-спектрометра. Найдено компоновочное решение прибора, создана техническая документация на ряд механических и корпусных изделий. Изготовлен ряд механических и корпусных изделий. Функциональные возможности плат и технические характеристики механических и корпусных изделий соответствуют требованиям технического задания.
Описание программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс приведено ниже в п. 3.2.
2.2. Новизна применяемых решений.
Представленные результаты соответствуют мировому уровню научно-технических разработок в области создания функциональных наноматериалов для устройств микроэлектроники, преобразования параметров лазерного излучения, топливных элементов и катализаторов, СВЧ-техники.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Использован широкий набор передовых физико-химических методов синтеза и обработки функциональных материалов, выработаны эффективные способы моделирования их свойств, привлечены современные технические средства для их экспериментального изучения.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Развернуть
4
01.07.2010 - 15.12.2010
Разработка топологии, изготовление и испытание лабораторных образцов плёночных магниторезистивных элементов, обладающих внутренним магнитным смещением, и элементов с квазизамкнутым магнитным потоком, обладающих гигантским магнитным импедансом.
Измерение кислородопроницаемости смешанных ионно-электронных проводников, определение их стабильности относительно градиента активности кислорода при рабочих температурах. Проведение исследования каталитической активности материалов в процессе парциального окисления метана с образованием синтез-газа.
Выбор материала для термостойкой структуры электродов. Разработка и апробация методов нанесения структуры периодических электродов с использованием фотолитографии. Изготовление опытных образцов прецизионных периодических доменных структур. Разработка и апробация методов измерения параметров периодических доменных структур методами высокого разрешения. Измерение зависимости параметров полученных периодических доменных структур от условий создания и обработка полученных результатов. Разработка и апробация методов улучшения пространственной однородности периодической доменной структуры.
Изготовление и монтаж печатных плат РЧ узлов. Изготовление корпусных изделий. Изготовление измерительного СВЧ резонатора и устройства его согласования. Разработка принципиальных схем устройств сканирования магнитного поля и его модуляции.
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.04.2011
Разработана структура технологического процесса изготовления магнитных сенсоров, основанного на методе оптической фотолитографии. Он включает десять основных операций: обработка пластины ультразвуком в среде изопропилового спирта; нанесение фоторезиста; термообработка фоторезиста; совмещение и экспонирование фоторезиста; проявление фоторезистивной маски; удаление фоторезиста в органическом растворителе; химическое травление тонких пленок Al; ионное травление магниточувствительного слоя; ионно-химическое травление двуокиси кремния; напыление слоев Cr/Cu/Cr; напыление слоя SiO2; напыление слоя Al. Дано детальное описание содержания каждой операции. Данный технологический процесс реализован на предприятиях ФГУП «НПО Автоматики» и ЗАО «НПК ВИП» для изготовления прототипов сенсоров на магниторезистивном и магнитоимпедансном эффектах.
Отработана методика получения ячеек топливного элемента планарного типа с электролит-несущей конструкцией. Изготовлен опытный образец среднетемпературного топливного элемента планарного типа на основе электролита La0.88Sr0.12Ga0.82Mg0.18O2.85. Методом литья водного шликера на основе соединения La0.8Sr0.2FeO3 в гипсовую форму изготовлен рабочий образец трубчатой керамической мембраны для конвертора природного газа. Образец показал стабильную работу в течение 100 часов.
Осуществлена доработка элементов технологии изготовления периодических микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектриках для преобразователей длины волны лазерного излучения. Предложены и апробированы оригинальные методы измерения основных характеристик преобразователей длины волны лазерного излучения. Создана установка для проведения измерений основных характеристик преобразователей длины волны лазерного излучения. Изготовлены экспериментальные макеты преобразователей длины волны лазерного излучения и определены их основные характеристики.
Разработаны и изготовлены печатные платы системы управления магнитным полем малогабаритного ЭПР-спектрометра, а также, соответствующие корпусные изделия. Создан и отлажен логический проект прошивки FPGA, обеспечивающий выполнение всех необходимых функций по измерению индукции магнитного поля, организации интерфейса с вышележащим логическим уровнем системы управления, управлению аппаратурой системы установки магнитного поля. Разработана структура программного обеспечения (ПО) синтезированного в FPGA управляющего микроконтроллера системы управления магнитным полем и алгоритмы работы ПО. Написан и отлажен комплекс программ на ANSI C, реализующий необходимую функциональность. Разработан проект компоновки прибора.
Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
В целом полученные результаты соответствуют мировому научно-техническому уровню. Они содержат новизну в части конкретных составов оксидов – материалов для электрохимических элементов, содержания и последовательности ряда технологических операций по изготовлению сенсоров магнитного поля и преобразователей длины волны лазерного излучения, схемотехнических и программных решений узла магнитного поля ЭПР-спектрометра.
Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Комплексный характер разработок, ориентированных на создание широкого круга функциональных элементов и приборов: сенсоры магнитного поля, электрохимические топливные элементы и мембраны, преобразовали длины волны лазерного излучения, компактный ЭПР-спектрометр.
Вовлечение в решение технологических задач проекта производственных предприятий, ориентированных на выпуск наукоёмкой продукции.
Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Заявка на изобретение (№2009147845) находится в стадии рассмотрения.
Программа для ЭВМ «MFB Clock Generator.vi». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612638, зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 31.03.2011 г.
Развернуть
6
01.05.2011 - 31.08.2011
1. Разработаны оптимальные принципы построения датчиков широкого применения с использованием сенсоров магнитного поля, функционирующих на основе эффектов магнитосопротивления и гигантского магнитного импеданса. Они использованы при создании новой топологии магниточувствительных элементов и конструктивных элементов датчика электрического тока.
2. Проведены испытания разработанных оксидных материалов для топливных элементов, в модельных электрохимических устройствах. Они включали получение требуемых оксидных материалов, проведение их аттестации, подготовку единичной ячейки топливного элемента планарного типа, проведение испытания опытного образца топливного элемента с двумя типами катодов. Получены вольтамперные характеристики и оценена эффективность работы устройства на полноту сгорания топлива, и стабильность работы во времени.
3. Выполнен анализ и систематизация полученных результатов по созданию доменной структуры приложением электрического поля с использованием импульсного лазерного облучения и быстрого светового нагрева. Показана возможность применения периодических доменных структур и определена оптимальная номенклатура нелинейно-оптических преобразователей длины волны излучения для построения приборов на новых физических принципах с использованием РДС в MgOLN.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2012 - 2013, 14 мес.
Бюджетные средства
2,73 млн
Организация
ИФТТ РАН
профинансировано
Тема
Исследование принципов создания информационно измерительных комплексов для высокоточных наземных аэрогазодинамических испытаний ракетно-космической техники.
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
4
Тема
Разработка методов получения ферромагнитных полупроводниковых структур для устройств электроники и информатики, работающих на новых функциональных принципах.
Продолжительность работ
2011 - 2012, 20 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
4
Тема
Разработка принципов и методов создания наноструктурированных функциональных полимерных и композиционных полимерных материалов принципиально нового типа для использования в технических устройствах и конструкциях
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Количество заявок
19
Тема
Разработка прототипов устройств для диагностики функционального состояния организма
Продолжительность работ
2011 - 2012, 21 мес.
Бюджетные средства
24 млн
Количество заявок
23
Тема
Разработка измерительного комплекса на основе комплементарных структурно-чувствительных методов для диагностики функциональных материалов, применяемых в области НБИК-технологий
Продолжительность работ
2017 - 2019, 26 мес.
Бюджетные средства
46 млн
Количество заявок
0