Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование линейных и нелинейных
сверхвысокочастотных волновых и резонансных явлений (СВЧ) в микро- и
наноструктурах, направленное на разработку принципиально новых управ-
ляемых пассивных и активных СВЧ элементов и устройств на их основе

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0231
Организация
CПбГЭТУ "ЛЭТИ"
Руководитель работ
Калиникос Борис Антонович
Продолжительность работ
2009 - 2011, 24 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Внебюджетные средства
3 млн

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Козырев Андрей Борисович

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 30.09.2009
Теоретически разработано аналитическое описание СВЧ свойств тонких ферритовых пленок субмикронной толщины, учитывающее произвольный тип поверхностной и объемной магнитной анизотропии. Построена общая теория расчета дипольно-обменного спектра спиновых волн в ферритовых пленках. Установлено, что наличие анизотропии типа «легкая плоскость» на одной из поверхностей ферромагнитной пленки в зависимости от соотношения параметров закрепления спинов приводит к образованию одной или двух поверхностных мод. При определенных условиях спин-волновые моды в касательно намагниченных свободных и экранированных пленках могут не только иметь поверхностный характер, но и находиться в условиях фазового синхронизма с объемными модами структуры.
Разработана методика, позволяющая измерять СВЧ параметры магнонных кристаллов и изучать их СВЧ свойства в частотном диапазоне 1-15 ГГц. Продемонстрирована возможность управления свойствами спиновых волн при варьировании периода структуры. Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 8 %.
Разработаны методики измерений комплексной диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических пленок, использующихся в планарных конденсаторных конструкциях в широком частотном диапазоне от 1 ГГц до 60 ГГц. При этом погрешность измерений составляет не более 10 %.
Изучены частотные и температурные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрических пленок состава BaxSr1–xTiO3 для x от 0 до 1. Показано, что при этом диэлектрическая проницаемость варьируется от 300 до 17000, а диэлектрические потери – от 0,001 до 0,1.
Созданы планарные конденсаторные конструкции на основе тонких сегнетоэлектрических пленок с управляющими напряжениями 30–50 В.
Созданы слоистые конденсаторные сегнетоэлектрические структуры (МДМ-структуры) с плоскопараллельными электродами с управляющими напряжениями до 10 В. Толщины сегнетоэлектрических пленок варьируются в диапазоне 50-240 нм.
Предложен способ подавления температурной зависимости емкости сегнетоэлектрических конденсаторных структур, основанный на использовании тонких металлических электродов из платины.
Изучены вольт-фарадные характеристики (CV-характеристики) сегнетоэлектрических планарных структур различной геометрии при приложении импульсного напряжения. Достигнуто минимальное время отклика около 100 нс.
Развернуть
2
01.10.2009 - 12.12.2009
За время выполнения данного этапа проекта получены следующие основные научные результаты: построена теоретическая модель для описания сверхвысокочастотных спин-волновых процессов, учитывающая специфические особенности волновых явлений в тонких ферромагнитных пленках и структурах на их основе. В соответствии с построенной теоретической моделью разработаны алгоритмы численного расчета на ЭВМ дисперсионных характеристик нескольких типов слоистых структур на основе ферромагнитных пленок, а именно, свободной ферромагнитной пленки с произвольным типом объемной и поверхностной анизотропии, многослойной феррит-диэлектрической структуры с произвольным количеством ферромагнитных слоев, имеющих одноосную или кубическую объемную анизотропию, а также слоистой экранированной с двух сторон металлическими экранами пятислойной структуры, одновременно включающей в себя один ферромагнитный слой и несколько диэлектрических и сегнетоэлектрических слоев. Для проверки правильности разработанных алгоритмов и визуализации полученных результатов в математической среде Mathcad создан ряд программ, позволяющих получить в первом приближении теории возмущений дисперсионные характеристики рассматриваемых структур. Для получения точных численных результатов при решении поставленных задач на основе разработанных и проверенных алгоритмов начата разработка инновационного программного продукта, предназначенного для инженерных расчетов сверхвысокочастотных характеристик большого класса слоистых структур на основе ферромагнитных и сегнетоэлектрических пленок. Электронный продукт создается в профессиональной объектно-ориентированной среде программирования Borland C++ builder и в конечном итоге будет представлять собой удобное средство для решения широкого класса задач спин-волновой электроники.
Разработан метод теоретического описания СВЧ параметров волноведущих слоистых структур «диэлектрик–сегнетоэлектрик–щелевая линия–феррит». Показана возможность управления дисперсионной характеристикой гибридной ЭМСВ, за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки.
Проведено исследование динамики изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических пленок под воздействием импульсного электрического поля и ультрафиолетового излучения. Воздействие УФ излучения с длиной волны на конденсаторные структуры на основе пленок BSTO приводит к существенному ускорению процессов медленной релаксации емкости. Данный эффект наблюдается на конденсаторных структурах различных типов, изготовленных на основе сегнетоэлектрических пленок, наиболее ярко выраженный эффект проявляется на 4-х электродных конденсаторах. Получены спектральные зависимости времени релаксации емкости. Установлено, что время релаксации обратно пропорционально облученности и наблюдаемый эффект ускорения релаксационных процессов при воздействии излучения не имеет порога по потоку. Время релаксации емкости уменьшается с ростом температуры как без облучения, так и в условиях воздействия на конденсатор оптического излучения. Эффект ускорения релаксационных процессов под действием излучения сохраняется при увеличении температуры, но количественно становится менее выраженным.
Исследованы различные варианты построения сегнетоэлектрических конденсаторов, управляемых приложенным электрическим полем и имеющих подавленную зависимость СВЧ параметров от температуры. Подавление температурной зависимости параметров емкостных элементов может быть достигнуто за счёт вариации управляющего напряжения. показана возможность подавления паразитной амплитудной модуляции фазовращателей и улучшения температурной стабильности их параметров за счет схемных решений.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
За время выполнения данного этапа проекта получены следующие основные научные результаты:
• Исследованы частотно-селективные и дисперсионные характеристики СВЧ волноведущих структур, построенных на основе ферритовых пленок.
• Теоретически проанализирована сегнетоэлектрическая линия передачи с учетом потерь и дисперсии, используемая для преобразования формы распространяющегося вдоль нее сигнала.
• Исследована природа медленных релаксационных явлений остаточной поляризации в сегнетоэлектрических элементах в широком диапазоне температур.
• Исследованы частотно-селективные и дисперсионные характеристики микроэлектронных СВЧ волноведущих структур, построенных на основе гетероструктур феррит-сегнетоэлектрик.
• Исследованы механизмы остаточной поляризации в сегнетоэлектрических структурах с целью их подавления, включая нахождение корреляции между электрическими и механическими свойствами.

За время выполнения третьего этапа проекта получены следующие основные научные результаты.
Разработана методика измерений релаксационных явлений остаточной поляризации в сегнетоэлектрических элементах. Даны рекомендации по применению нелинейных линий передачи на основе сегнетоэлектриков для применения в сверхширокополосной технике в качестве обострителей высоковольтных импульсов нано- и пикосекундной длительности. Предложен новый метод оценки сжатия фронта импульса, основанный на феноменологической вольт-фарадной характеристики(ВФХ) сегнетоэлектриков, хорошо согласуется с результатами численного моделирования как при различных параметрах исходного импульса, так и при различных свойствах и структуре линии передачи. Показано, что планарные нелинейные линии передачи (НЛП) с тонкими сегнетоэлектрическими пленками имеют перспективы использования для обострения фронтов исходно малой длительности (субнаносекундного диапазона) при амплитуде импульса до сотен вольт.
Обнаружена зависимость, показывающая, что основной причиной медленных релаксационных явлений в сегнетоэлектрических конденсаторах является объемный заряд, образованный захватом инжектированных носителей заряда на ловушечных уровнях в объеме пленки. Исследованы релаксационные зависимости стекания остаточного заряда из объема пленки, с удовлетворительной точностью описывающиеся как сумма процессов с двумя характерными временами релаксации. Анализ экспериментальных температурных зависимостей постоянных времени релаксации остаточного заряда в сегнетоэлектрических конденсаторах плоскопараллельной и планарной конструкции позволяют определить характерные энергии залегания примесных уровней: 0.55-0.7 эВ и 0.4 эВ. Энергия уровня захвата 0.55-0.7 эВ хорошо соответствует энергии примесного уровня кислородных вакансий в сегнетоэлектрике кислородно-октаэдрического типа. Уровень 0.4 эВ пока не идентифицирован. Анализ вольтамперных характеристик сегнетоэлектрических конденсаторов плоскопараллельной конструкции Pt/BSTO/Cu показал наличие эффекта Френкеля-Пула, что можно объяснить высокой дефектностью пленки в приэлектродных слоях. Исходя из этого были определены глубины залегания ловушечных уровней в объеме BSTO Et=0.525-0.663 эВ, что хорошо соответствует данным экспериментов, полученных на основе измерений времени релаксации емкости.
Получены выражения для компонент тензорных функций Грина, которые могут быть использованы при решении широкого круга задач, связанных с исследованием как линейных, так и нелинейных волн, распространяющихся в слоистых гетероструктурах. Показано, что эффекты электромагнитного запаздывания приводят к существенной модификации дипольно-обменного спектра спиновых волн в результате их гибридизации с электромагнитными волнами. Исследовано влияние напряженности постоянного магнитного поля на спектр электромагнитно-спиновых волн. Показано, что при увеличении напряженности магнитного поля дисперсионная кривая спиновых волн смещается вверх по частоте, что может приводить к ее гибридизации с дисперсионными кривыми высших мод электромагнитных волн. В зависимости от ориентации постоянного магнитного поля и направления распространения волн в симметричных слоистых структурах гибридизация некоторых мод спиновых и электромагнитных волн может отсутствовать, что обусловлено особенностями перекрытия их электромагнитных полей. Показано, что увеличение толщины ферромагнитной пленки выражается в усилении гибридизации дисперсионных кривых. Наиболее сильно данный эффект проявляется в случае касательно намагниченных слоистых структур. При распространении волн поперек направления намагничивания увеличение толщины ферромагнитного слоя ведет к увеличению плавности перехода дисперсионной кривой спиновых волн в дисперсионную кривую электромагнитных волн. Исследована возможность управления дисперсионными характеристиками электромагнитно-спиновых волн с помощью варьирования диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических слоев, находящихся в контакте с ферромагнитной пленкой. Показано, что управление оказывается тем эффективнее, чем выше по частоте лежит дисперсионная кривая спиновых волн.
Разработана модель медленной релаксации емкости с учетом времени жизни носителей на ловушках. Результаты моделирования достаточно хорошо отвечают экспериментальным данным. Построена точная модель медленных релаксационных процессов емкости сегнетоэлектрических конденсаторов, которая учитывает изменения диэлектрической проницаемости в процессе релаксации, а также влияние электродов конденсатора.
Развернуть
4
01.07.2010 - 12.12.2010
• Исследованы явления распространения интенсивных нелинейных сверхвысокочастотных волн и солитонных явлений в ферритовых пленках и тонкопленочных слоистых структурах на их основе
• Исследована хаотическая динамика солитонных последовательностей в ферромагнитных пленках, возбуждаемых за порогом стационарного возбуждения солитонов огибающей сверхвысокочастотных спиновых волн
• Исследованы хаотические процессы, возникающие за порогом стационарной генерации нелинейных электромагнитно-спиновых волн в «активных кольцах» на основе ферритовых пленок и слоистых микро- и наноструктур ферромагнетик-сегнетоэлектрик
• Исследованы нелинейные свойства пленок в широком диапазоне частот ((1-60) ГГц) при повышенном уровне мощности непрерывного и импульсного СВЧ сигнала
Получены новые знания, описывающие стохастическое формирование темных временных солитонов огибающей поверхностных спиновых волн при их возбуждении импульсным широкополосным некогерентным шумоподобным сверхвысокочастотным сигналом, распространяющимся в тонких монокристаллических пленках железо-иттриевого граната - среде с мгновенной (безынерционной) нелинейностью типа "расталкивание".
Построена экспериментальная модель, описывающая стохастизацию темных временных солитонов огибающей поверхностных спиновых волн, формируемых из некогерентных волновых пакетов, которая является результатом некогерентности исходного спин-волнового пакета.
Обнаружено, что при распространении некогерентного спин-волнового пакета большой амплитуды в тонкой монокристаллической ферромагнитной пленке с мгновенной (безынерционной) нелинейностью типа «расталкивание» наблюдается стохастическое формирование темных временных солитонов внутри волнового пакета.
Получены новые знания, описывающие распространение интенсивных нелинейных сверхвысокочастотных спиновых волн в пространственно-периодических слоистых структурах, изготовленных из ферритовых пленок. На основе этих результатов предложен ряд приборов и устройств СВЧ диапазона.
Разработана экспериментальная модель, описывающая развитие хаотической динамики солитонных последовательностей в ферромагнитных пленках, возбуждаемых за порогом стационарного возбуждения солитонов огибающей сверхвысокочастотных спиновых волн. Впервые продемонстрирована возможность создания хаотической последовательности нелинейных импульсов – солитонов огибающей - в тонкой ферромагнитной пленке. Экспериментально обнаружен и исследован процесс перехода от режима возбуждения стационарной последовательности солитонов огибающей к хаотической за счет возникновения вторичной собственной неустойчивости спиновых волн. Построена экспериментальная зависимость характеристик распространяющегося в пленке хаотического сигнала от параметров системы. Показана возможность управления свойствами хаотической последовательности солитонов путем изменения мощности входного монохроматического сигнала.
Получены новые знания, описывающие хаотические процессы, возникающие за порогом стационарной генерации нелинейных электромагнитно-спиновых волн в «активных кольцах» на основе ферритовых пленок и слоистых микро- и наноструктур ферромагнетик-сегнетоэлектрик. Предложена экспериментальная модель, описывающая переход к хаосу в активном кольце, построенном на основе слоистой структуры феррит-сегнетоэлектрик. Показано, что в такой структуре увеличения мощности сигнала, циркулирующего в кольце, приводит к переходу к хаотической динамике в соответствии со сценарием Рюэля-Такенса. Построена экспериментальная зависимость параметров хаотического сигнала от свойств активного кольца. Показана возможность управления значением фрактальной размерности путем изменения значения напряжения, прикладываемого с сегнетоэлектрическому слою.
Построена теоретическая модель нелинейного отклика емкостных элементов на тонких сегнетоэлектрических пленках на гармонический и бигармонический сигналы СВЧ. Анализ основан на феноменологическом описании зависимости дифференциальной емкости сегнетоэлектрических элементов от напряжения выражением, содержащим два параметра, специфичных для конкретного емкостного элемента и определяемых его геометрией, а также микроструктурой и составом пленки сегнетоэлектрика. Результаты моделирования и экспериментального исследования нелинейного отклика планарных и плоскопараллельных конденсаторов на основе пленок BaХSr1-ХTiO3 разного состава на бигармонические сигналы СВЧ демонстрируют удовлетворительное соответствие экспериментальных результатов модельным представлениям, учитывающим диэлектрическую нелинейность сегнетоэлектрической пленки и тепловые эффекты. Совпадение расчетных и экспериментальных данных в отсутствие тепловых эффектов демонстрирует справедливость использования малосигнальной вольт-фарадной характеристики (ВФХ) - зависимости дифференциальной емкости от постоянного напряжения - для анализа экспериментальных результатов и, следовательно, практическую безинерционность зависимости диэлектрической проницаемости пленки BaХSr1-ХTiO3 от напряженности электрического поля СВЧ.
Экспериментально зафиксировано и подтверждено моделированием значительное усиление нелинейности за счет периодической (с частотой биений) модуляции температуры активной области сегнетоэлектрической плёнки за счет рассеиваемой в ней СВЧ мощности. Этот эффект усиливается при низких температурах (увеличение продуктов нелинейности приблизительно на 20dB зафиксировано при T=78K для планарных SrTiO3 конденсаторов), но может проявляться и при комнатной температуре в плоскопараллельных конденсаторах на основе пленок BaХSr1-ХTiO3 нанометровой толщины.
Развернуть
5
01.01.2011 - 31.03.2011
• Исследованы композитные микро- и наноструктуры на основе линейного диэлектрика и сегнетоэлектрических сферических включений, параметры которых управляются приложенным внешним электрическим полем, работающие в широком диапазоне частот сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.
• Исследованы композитные микро- и наноструктуры на основе линейного диэлектрика и сегнетоэлектрических включений в форме эллипсоидов и дисков, параметры которых управляются приложенным внешним электрическим полем, работающие в широком диапазоне частот сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.
• Исследованы периодически нагруженные нелинейными элементами однородные и неоднородные (по импедансным параметрам) волноведущие структуры.
Развернуть
6
01.04.2011 - 31.07.2011
• Теоретическое и экспериментальное исследование прототипов фазовращателей на основе нелинейных диэлектриков и щелевых СВЧ линий передачи миллиметрового диапазона длин волн.
• Исследование нелинейных линий передачи на основе тонких пленок нелинейных диэлектриков для формирования импульсных солитоноподобных сигналов субнаносекундной длительности для сверхширокополосных телекоммуникационных систем.
• Исследование спин-волновых автогенераторов динамического хаоса, построенных на основе «активных колец», изготовленных на тонких монокристаллических ферритовых пленок для широкополосных телекоммуникационных систем.
• Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
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
1,86 млн
Организация
МИЭТ
профинансировано
Тема
Технические средства дистанционного приведения в пассивное состояние взрывных и взрывоопасных устройств
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Количество заявок
4
Тема
Разработка и создание сверхбыстродействующих устройств наноэлектроники на основе туннельно – резонансных гетероструктур
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
10 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: микроэлектронных устройств различных типов (СБИС контроллера пассивного устройства SpaceWire).
Продолжительность работ
2011 - 2012, 17 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
0
Тема
Организационно-техническое обеспечение проведения международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Рубежи нелинейной физики».
Продолжительность работ
2010, 8 мес.
Бюджетные средства
0,8 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка кристаллических рельефных наноструктур - принципиально новых средств обеспечения достоверности диагностики продукции нанотехнологий.
Продолжительность работ
2011 - 2013, 29 мес.
Бюджетные средства
222,92 млн
Количество заявок
1