Регистрация / Вход
Прислать материал

Лазерные методы создания углеродных наноструктур и модификации углеродных наноматериалов

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0417
Организация
ИОФ РАН
Руководитель работ
Конов Виталий Иванович

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Кононенко Виталий Викторович

Этапы проекта

1
30.09.2009 - 15.12.2009
Цель работы Цель проведения данной НИР – разработка фундаментальных основ технологий получения различных углеродных наносистем с требуемыми, как правило, уникальными и не достижимыми в обычной природе, оптическими свойствами, подготовка высококвалифицированных специалистов, формирование и развитие научно-исследовательского коллектива, специализирующегося в области разработки фундаментальных основ технологий получения различных углеродных наносистем с требуемыми оптическими свойствами, обеспечение достижения научных результатов мирового уровня, подготовка и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров
1. Наименование разрабатываемой продукции
Выполняемая НИР является поисковой и на 1-ом этапе требует создания следующей научной продукции:
- научная основа и методика лазерного фотохимического локального травления поверхности нанокристаллического алмаза в отсутствие графитизации;
- тестовые образцы лазерно-модифицированного наноалмаза для исследования их оптических свойств;
- отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.
2. Характеристика выполненных работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 1-ом этапе:
2.1.1. С помощью CVD-метода получены нано- и поликристаллические алмазные пленки и пластины оптического качества.
2.1.2. Разработана методика измерения показателя преломления в объеме прозрачного образца в процессе облучения импульсами фемтосекундного лазера. Точность измерений находится на уровне 10-3 для быстропротекающих процессов с временным разрешением 100 фс. Измерены времена, в течение которых в материале сохраняется наведенное изменение показателя преломления. На основании интерференционных измерений получены оценки концентрации свободных электронов в плазме, возбуждаемой фемтосекундным импульсом.
2.1.3. При облучении поверхности монокристаллического алмаза наносекундными импульсами эксимерного KrF и ArF лазеров при интенсивностях меньших порогов графитизации/абляции алмаза обнаружен и исследован процесс наноабляции алмаза, т.е. медленного удаления материала в зоне облучения без промежуточной графитизации алмаза. Экспериментально измерены скорости наноабляции алмаза в зависимости от плотности энергии УФ облучения, температуры внешнего нагрева образца, а также состава окружающей газовой среды. Предложен фотохимический механизм протекания процесса наноабляции.
С помощью интерференционной профилометрии, электронной и оптической микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния проведено изучение процессов лазерноиндуцированой модификации поверхности УНКА пленок с азотным легированием и без него. Установлено, что скорость удаления материала УНКА пленок обоих типов существенно зависит от плотности энергии лазерного облучения. Обнаружено, что скорость наноабляция легированных азотом пленок непостоянна по глубине. КР спектроскопия показала, что наноабляция пленок сопровождается отжигом структурных алмазных дефектов и увеличением размеров графитовых кластеров, что ведет к упорядочиванию sp-2 фазы.
2.1.4. Изученные зависимости скоростей лазерной абляции от плотности энергии позволили сделать выводы об эффективности лазерной обработки алмаза для различных длительностей импульса. Показано, что для пикосекундных (300 пс) и более длинных импульсов динамика эволюции лазерно-индуцированной плазмы играет определяющую роль с точки зрения энергетической эффективности абляции, величины скорости удаления материала и ее насыщения с ростом плотности энергии облучения. Установлено, что абляция алмаза сверхкороткими (фемтосекундными) импульсами обладает рядом особенностей.
Установлены основные закономерности лазерно-индуцированной графитизации поверхности поликристаллического алмаза в процессе абляции. Показано, что толщина проводящего графитизированного слоя составляет 10 - 3000 нм в зависимости от длительности лазерного импульса и определяется глубиной зоны теплового воздействия: при больших длительностях – теплопроводностью графитоподобной фазы, при малых – глубиной поглощения излучения в ней. Показано, что первоначальная графитизация алмаза имеет сильно нелинейный во времени, взрывной характер и сплошной графитоподобный слой образуется в течении одного импульса.
2.1.5. Показано, что обработка поверхности алмаза методом лазерной абляции обеспечивает воспроизводимый рельеф, параметры которого зависят от условий облучения (условия фокусировки, плотность энергии, количество импульсов).
Поставленные в НИР задачи выполнены полностью и в соответствии с требованиями технического задания. Суммируя сказанное, проведенные исследования показали, что импульсное лазерное излучение является эффективным инструментом для контролируемой локальной перестройки структуры алмаза на поверхности, и как следствие модификации ее свойств.
2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами.
В проекте развивается новое научно-техническое направление – технологии производства элементной базы углеродных интегральных устройств для миниатюрной квантовой и оптоэлектроники. В частности, на данном этапе в рамках данной НИР предполагается научное развитие такого перспективного направления в области создания интегральных оптических систем, как управляемая модификация оптических и люминесцентных свойств нанокристаллического алмаза, получаемого методом газофазного осаждения. В качестве же инструмента для перестройки структуры материала используется импульсное лазерное излучение. Таким образом, суть представляемого проекта состоит в экспериментальном изучении физики неравновесного воздействия на различные углеродные материалы с помощью импульсного лазерного излучения различной длительности. Для успешной разработки коммерциализуемых в дальнейшем технологий лазерного формирования углеродных наноструктур и управляемой модификации углеродных наноматериалов на данном этапе проведено исследование следующих фундаментальных проблем:
- изучение механизмов возбуждения электронной и фононной подсистем при лазерном облучении углеродных материалов,
- связь с этими механизмами процессов индуцированной перестройки структуры вещества на микроуровне.
Насколько известно авторам такая задача поставлена и решается впервые в мире, что обуславливает высочайшую степень новизны применяемых решений.

2.3. Работы, проведенные на отчетном этапе обладают двумя выраженными особенностями. Во-первых, НИР направлена на поиск инструментов для обработки и модификации нанофазных материалов, и таким образом, на управление их параметрами и манипуляцию свойствами нанообъектов. Отсутствие подобных разработок при работе с неорганическими материалами, по-видимому, связано с тем, что предполагаемый инструмент «воздействия» должен работать на наноуровне, чтобы иметь возможность контролируемо менять свойства наночастиц или нанокристаллических пленок. К сожалению, на сегодняшний день в нашем распоряжении таких инструментов практически нет. Лазерная наноабляция – один из немногих интересных методов, перспективных для поставленной задачи. Во-вторых, за отчетный период на основе фемтосекундного лазера разработана установка, позволяющая реализовывать объемную модификацию среды, и как следствие, выполнять трехмерное структурирование твердотельной матрицы (соответствующие эксперименты запланированы на следующий этап). Также крайне важно, что при исследовании динамики электронной плазмы в прозрачной среде данная установка обеспечивает высокое временное разрешение (на уровне 100 фс) и точность измерения показателя преломления менее 10-3.

3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Сегодня благодаря колоссальному прогрессу в технологии газофазного синтеза область применения синтетических углеродных материалов интенсивно расширяется. Этот процесс вызывает повышенный интерес к исследованиям в области развития соответствующих методов обработки, поскольку для большинства применений требуются прецизионные технологии контролируемого пространственного структурирования подложек и локальной модификации и перестройки структуры материала. Данная работа касается оптики - одной из глобальных областей современных технологий, в которой обработка исходного материала играет решающую роль. В проекте развивается новое научно-техническое направление – технологии производства элементной базы интегральных устройств для миниатюрной квантовой и оптоэлектроники. За отчетный период проведены исследования, касающиеся механизмов взаимодействия интенсивного лазерного излучения и алмаза (как моно, так и нанокристаллического). Позволим себе продемонстрировать актуальность НИР на примере значимости алмазных фотонных кристаллов, разработке которых, в целом, посвящен проект.
Совокупность уникальных свойств делают алмаз лучшим материалом для высокочастотных и сверхмощных оптических полей. Одной из наиболее интересных на сегодняшний день является недавно продемонстрированная способность алмаза генерировать единичные фотоны, в результате оптической накачки особых дефектных уровней алмазной решетки. Эти дефекты, так называемые "NV центры", в алмазе представляют собой дефект типа вакансии, который создает атом азота, внедренный в кристаллическую решетку. На сегодняшний день такие дефекты являются наиболее вероятными кандидатами на роль источников фотонов в квантовой нанооптике. Однако необходимо еще практически реализовать гибкие и надежные методы манипуляции состоянием электронов азотных вакансий, что в свою очередь требует наличия микрооптических элементов, таких как: фотонные кристаллы, нанолинзы, микрорезонаторы, пассивные модуляторы интенсивности, волноводы, усилители и пр. Разработке фундаментальных подходов к методам формирования таких устройств на основе различных форм углерода и посвящен проект. Отметим, что разработка обсуждаемых оптических элементов имеет ясные коммерческие перспективы и в недалеком будущем будет чрезвычайно востребована на рынках коммуникационных и компьютерных технологий.

3.3. Оценка полученных результатов на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
В дополнение к научным исследованиям за отчетный период реализован ряд мероприятий по развитию ведущей научной школы член-корреспондента РАН Конова В.И (НШ-1746.2008.2):
• проведена модернизация материально-технической базы – в установку на основе фемтосекундного лазера внедрен 3-х координатный программируемый электро-механический стол перемещений с шагом 100нм для создания на следующих этапах НИР структурированных алмазных матриц,
• закреплены 3 молодых исследователя в сфере науки (3 участника НИР приняты в аспирантуру ИОФ РАН),
• ведется интенсивная работа по развитию международных контактов и научного обмена.
Особое внимание уделяется программе по подготовке студентов-дипломников, бакалавров и магистров по программе базовых кафедр нанотехнологий МИРЭА. Организована научно-исследовательская работа по тематике проекта в рамках преддипломной практики, в которой участвует 10 студентов МИРЭА. За отчетный период организовано заседание семинара по физике углеродных наноматериалов для обсуждения важнейших и наиболее интересных результатов исследований по проекту.

4. Выводы
Работы по 1-му этапу НИР по Государственному контракту № 02.740.11.0417 от 30 сентября 2009г. выполнены на высоком научно-техническом уровне, в полном объеме и соответствии с ТЗ.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
Шифр: «2009-1.1-000-078-172»
Период выполнения этапа 1 января 2010 г. – 30 июня 2010 г
Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва
Цель работы Цель проведения данной НИР – разработка фундаментальных основ технологий получения различных углеродных наносистем с требуемыми, как правило, уникальными и не достижимыми в обычной природе, оптическими свойствами, подготовка высококвалифицированных специалистов, формирование и развитие научно-исследовательского коллектива, специализирующегося в области разработки фундаментальных основ технологий получения различных углеродных наносистем с требуемыми оптическими свойствами, обеспечение достижения научных результатов мирового уровня, подготовка и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров
1. Наименование разрабатываемой продукции
Выполняемая НИР является поисковой и на 2-ом этапе требует создания следующей научной продукции:
- научная основа и методика лазерной локальной графитизации объема и поверхности алмаза для его наноструктурирования;
- отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.
2. Характеристика выполненных работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 2-ом этапе:
В ходе исследований был получен ряд важных в научном и практическом плане результатов, среди которых следует особенно выделить следующие.
1) Лазерно-индуцированная локальная модификация в объеме алмаза при многократном облучении ультракороткими импульсами определяется двумя процессами: оптическим пробоем в алмазе и распространением непрерывной воны графитизации от созданных ранее “зародышей”. Первый процесс доминирует при высоких локальных лазерных интенсивностях и приводит к образованию дискретной структуры – цепочки графитовых “капель”. Если же локальная плотность энергии в объеме алмаза ненамного превышает порог многоимпульсного пробоя, возникает единичный пробой, их которого затем формируется непрерывная графитизированная область.
2) Процесс оптического пробоя в исследованных образцах моно- и поликристаллического алмаза определяется лавинообразной ударной ионизацией и сильно зависит от начальной концентрации свободных электронов. На начальную концентрацию электронов сильно влияют неалмазные включения и локальные дефекты алмазной структуры, в том числе и те, которые формируются в процессе лазерного облучения (т.н. инкубационный эффект).
3) Скорость распространения непрерывной волны графитизации навстречу лазерному лучу однозначно определяется локальной плотностью энергии. Минимальная плотность энергии, необходимая для поддержания волны графитизации, намного (в 3÷10 раз) ниже порога многоимпульсного пробоя. Наблюдаемое в эксперименте влияние длительности импульса на зависимость скорости волны графитизации от плотности энергии предположительно обусловлено низкопороговым оптическим пробоем алмаза вблизи границы графитизованной области. Снижение порога пробоя обеспечивается увеличением плотности начальных свободных электронов благодаря их эффективной инжекции из графитизированной области. Вторым важным аспектом приграничной модификации алмаза является рассеяние тепла, выделяющегося в графитизованной области, с характерным временным масштабом >10 пс.
4) Трехмерное рисование узко сфокусированным лазерным пучком позволяет формировать в объеме алмаза графитовые структуры различной формы. Оптимизация параметров движения лазерного фокуса и характеристик лазерного импульса позволяет повысить управляемость процессом структурирования, достичь минимальных возможных размеров и решить многие специфические проблемы, возникающие при формировании различных типов структур – флуктуацию параметров, возникновение “пропусков” и “паразитных” структур, механическое повреждение окружающего алмаза.
5) Графитовые “капли” сферической формы формируются путем кратковременного облучения с фиксированным положением фокуса и оптимизированными параметрами импульса. Размер капли соответствует диаметру перетяжки лазерной каустики. Локальные дефекты алмазной структуры провоцируют неконтролируемое увеличение числа “капель” (до 2-3) и продольный сдвиг относительно среднего положения (5 мкм).
6) Равномерное перемещение фокуса по направлению к лазеру формирует графитовые нити с фиксированным диаметром. Диаметр увеличивается с энергией лазерного импульса и сложным образом зависит от скорости перемещения. Для малых энергий импульса характерно монотонное уменьшение диаметра нити по мере снижения скорости сканирования. Напротив, при больших энергиях импульса наблюдается резкое увеличение диаметра и расщепление нити на несколько более тонких волокон при снижении скорости до некоторого уровня. Минимальный измеренный в эксперименте диаметр прямой нити составлял 1.2 мкм, что соответствует предельному разрешению микроскопа. При усовершенствовании фокусирующей системы и использовании лазерных импульсов с меньшей длиной волны (400 нм - 270 нм) можно ожидать снижения минимального диаметра до нескольких сотен нанометров.
7) На основе прямых графитовых нитей могут быть созданы 1D и 2D периодические решетки со свойствами фотонных кристаллов. Экспериментально реализованы две схемы формирования решеток: 1) последовательное рисование нитей и 2) “одновременное” рисование пакета нитей, при котором за один цикл каждая нить удлиняется не небольшую величину. Независимо от схемы рисования, для 1D и 2D решеток обнаружено нарушение цельности нитей, если период решетки меньше двойного диаметра нити. Наиболее вероятной причиной является механическое повреждение (растрескивание) алмаза вблизи модифицированной области, которое не обнаруживается с помощью оптического микроскопа. При последовательном рисовании 2D решеток возникает эффект частичной экранировки лазерного луча ранее созданными графитовыми нитями, что приводит к изменению диаметра нитей. Минимальный период экспериментальных периодических решеток составлял 2 мкм.
8) Непрерывное перемещение лазерного фокуса под углом к лазерному лучу позволяет создавать наклонные графитовые нити, на основе которых могут быть сформированы нитевидные структуры сложной формы. Угол наклона нити (до 70÷80) определяется соотношением между компонентами скорости перемещения, параллельной и перпендикулярной лазерному пучку. В тех случаях, когда ось лазерного пучка пересекает ранее графитизованные области, возможен неконтролируемый рост “паразитных” нитей. Чтобы исключить проявление данного эффекта, необходимо оптимизировать энергию лазерного импульса и абсолютную скорость перемещения фокуса так, чтобы формирующееся окончание графитовой нити эффективно блокировало дальнейшее проникновение излучение вглубь материала. Выполнение данного условия ограничивает возможности управления диаметром нити и уменьшает максимальный возможный наклон нити до уровня ~50.
9) Трехмерное сканирование внутри алмазного образца узко сфокусированным лазерным пучком позволяет формировать разнообразные сплошные графитовые структуры с большим поперечным сечением. Основным условием, обеспечивающим отсутствие “пустот” в графитовой структуре, является сильное превышение перпендикулярной компоненты скорости сканирования (относительно лазерного пучка), по сравнению с продольной. Увеличение поперечного сечения сплошных графитовых структур ограничено уровнем ~100 мкм2, при превышении которого возникает заметное повреждение окружающего алмаза.
10) Согласно данным спектроскопии комбинационного рассеяния, модифицированный лазерным излучением материал представляет собой нанокристаллический графит со средним размером кристаллита около 2 нм.
11) Уменьшение плотности материала при лазерно-индуцированном фазовом переходе вызывает возникновение растягивающих механических напряжений в окружающем алмазе. Видимые повреждения алмаза возникают, если кратковременные (динамические) или остаточные (статические) напряжения превышают соответствующее предельное значение. Величина динамических напряжений определяется объемом материала, модифицируемого единичным импульсом, который зависит от размера лазерного пятна, энергии импульса и скорости сканирования. Растрескивание алмаза наблюдалось в экспериментах при превышении критического объема ~20 мкм3. Статические напряжения увеличивается с ростом поперечного сечения созданной структуры (критическое значение ~100 мкм2). Статические напряжения локализуются вблизи границы модифицированной области (~5 мкм), однако между близко расположенными модифицированными областями зона напряжений заметно расширяется.
12) Измеренное удельное сопротивление лазерно-модифицированного материала составило 3.9÷3.6 Омсм в диапазоне температур 300÷530 K, что заметно выше типичных значений для различных сортов поликристаллического графита (10-5÷510-3 Омсм).
13) Отжиг микроструктурированного образца на воздухе при температуре ~600С позволяет селективно удалять модифицированный материал со скоростью ~2÷3 мкм/час. Зависимости скорости травления от глубины канала (<50 мкм) и диаметра (> 1.5 мкм) не обнаружено.
14) В результате экспериментальных исследований взаимодействия лазерного излучения с алмазными пленками исследованы основные закономерности процесса лазерной абляции алмазных пленок (получаемых методом осаждения из газовой фазы) с использованием фемтосекундного импульсного лазера. Определены пороги разрушения, скорости абляции алмаза в процессе многоимпульсного воздействия и режимы облучения, обеспечивающие селективное травление алмазной поверхности с пространственным разрешением до 1 мкм. Разработаны способы создания на поверхности алмазных пластин упорядоченных периодических микроструктур в фокусирующей схеме со сканированием луча по поверхности пластин с использованием лазера. Показано, что лазерная обработка позволяет контролировать параметры (глубину и скважность) структур. Получены одномерные поверхностные решетки, состоящие из параллельных микроканалов, и двумерные периодические структуры (ряды микрократеров), минимальный период которых составлял 1мкм (рис. 4).
15) В результате измерения пропускания алмазных пленок с модифицированным рельефом поверхности на длине волны 10.6 мкм с помощью установки на основе непрерывного CO2 лазера экспериментально продемонстрирован эффект просветления лазерно структурированной поверхности алмаза. Для двумерных периодических структур (период 4 мкм), сформированных на двух сторонах алмазных пленок и состоящих из отдельных микрократеров, интегральная величина оптического пропускания на длине волны 10.6мкм составила 83% (по сравнению с теоретическим значением 70.9% для неструктурированной алмазной пластины). В результате анализа ИК спектра одномерных поверхностных решеток с периодом 4 мкм на двух сторонах алмазной пластины, зарегистрировано просветление в диапазоне длин волн 10-20 мкм с максимальным увеличением пропускания на 10%. Экспериментально подтверждено, что на величину просветления влияют параметры микроструктуры (глубина, период), причем зависимость коэффициента пропускания от глубины соответствует тенденциям, следующим из расчетов. А влияние величины периода совпадает с предсказаниями теории рельефной микроструктуры на поверхности диэлектрика количественно.

Поставленные в НИР задачи выполнены полностью и в соответствии с требованиями технического задания. Суммируя сказанное, проведенные исследования показали, что импульсное лазерное излучение является эффективным инструментом для контролируемой локальной перестройки структуры алмаза как на поверхности, так и в объеме, и как следствие модификации его свойств.

2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами.
В проекте развивается новое научно-техническое направление – технологии производства элементной базы углеродных интегральных устройств для миниатюрной квантовой и оптоэлектроники. В частности, на данном этапе в рамках данной НИР проведено всестороннее исследование лазерной технологии объемного микроструктурирования алмаза, основанной на локальной фазовой трансформации углерода (алмаз->графит) под действием ультракоротких лазерных импульсов.
Важнейшими особенностями этой уникальной технологии являются: 1) отсутствие ограничений на глубину проникновения в объем материала, 2) возможность создания как проводящих, так и пустотелых структур, 3) разнообразие доступных форм (отдельные графитовые “капли”, одиночные прямые нити и периодические решетки на их основе, нитевидные структуры и сплошные объекты большого сечения), 4) высокое пространственное разрешение (потенциально - до сотен нанометров).
Насколько известно авторам такая задача поставлена и решается впервые в мире, что обуславливает высочайшую степень новизны применяемых решений.


3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Сегодня благодаря колоссальному прогрессу в технологии газофазного синтеза область применения синтетических углеродных материалов интенсивно расширяется. Этот процесс вызывает повышенный интерес к исследованиям в области развития соответствующих методов обработки, поскольку для большинства применений требуются прецизионные технологии контролируемого пространственного структурирования подложек и локальной модификации и перестройки структуры материала. Данная проект касается оптики - одной из глобальных областей современных технологий, в которой обработка исходного материала играет решающую роль. В проекте развивается новое научно-техническое направление – технологии производства элементной базы интегральных устройств для миниатюрной квантовой и оптоэлектроники. За отчетный период проведены исследования, касающиеся механизмов взаимодействия интенсивного лазерного излучения и алмаза.
Уникальные свойства алмаза делают его весьма привлекательным материалом для многих практических приложений. Алмаз обладает высочайшей механической прочностью и упругостью, экстремальной теплопроводностью и низким коэффициентом теплового расширения. Оптически он прозрачен в широчайшем диапазоне электромагнитного спектра (от 225 нм до радиочастот), имеет высокий коэффициент преломления и характеризуется большим набором центров люминесценции, многие из которых обусловлены примесями и дефектами кристаллической структуры, а значит, поддаются технологическому контролю. Микрообработка и формирование трехмерных структур в алмазе критически важны для создания фотонных устройств на основе алмаза, а также открывают обширные перспективы использования алмаза при конструировании микроэлектромеханических модулей, химических микрореакторов и др.

3.2. Оценка полученных результатов на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
В дополнение к научным исследованиям за отчетный период реализован ряд мероприятий по развитию ведущей научной школы член-корреспондента РАН Конова В.И (НШ-1746.2008.2):
• проведена модернизация материально-технической базы – в установку на основе фемтосекундного лазера внедрен параметрический усилитель излучения, что позволит получать фемтосекундные импульсы в ИК диапазоне спектра (до 3 мкм) ,
• закреплены 3 молодых исследователя в сфере науки (3 участника НИР приняты в аспирантуру ИОФ РАН),
• ведется интенсивная работа по развитию международных контактов и научного обмена.
Особое внимание уделяется программе по подготовке студентов-дипломников, бакалавров и магистров по программе базовых кафедр нанотехнологий МИРЭА. Организована научно-исследовательская работа по тематике проекта в рамках преддипломной практики, в которой участвует 10 студентов МИРЭА. За отчетный период организовано заседание семинара по физике углеродных наноматериалов для обсуждения важнейших и наиболее интересных результатов исследований по проекту.


4. Выводы
Работы по 2-му этапу НИР по Государственному контракту № 02.740.11.0417 от 30 сентября 2009г. выполнены на высоком научно-техническом уровне, в полном объеме и соответствии с ТЗ.
Развернуть
3
01.07.2010 - 15.12.2010
3.1. Исследование процессов фотовозбуждения и релаксации носителей в углеродных нанотрубках (НТ) методом фемтосекундной интерференции с временным разрешением на уровне 100 фс. Определение характерных времен жизни электронной экситонной плазмы в металлических полуроводниковых нанотрубках различной хиральности.
3.2. Разработка лазерных методик селекции углеродных одностенных нанотрубок (разделение металлических и полупроводниковых НТ, выделение ПТ определенного диаметра и хиральности).
3.3. Исследование лучевой стойкости тонкопленочных полимерных композитов с внедренными углеродными нанотрубками при их использовании для пассивном синхронизации мод.
3.4. Разработка методов лазерного формирования пространственной модуляции локальной концентрации углеродных нанотрубок в тонкопленочных полимерных композитах.
Развернуть
4
01.01.2011 - 30.04.2011
1. Лазерное формирование тестовых структур с гексагональной решеткой сквозных наноотверстий на пленках наноалмаза. Получение планарных волноводов, представляющих собой 2-х мерные фотонные кристаллы для работы в ИК и терагерцом диапазоне спектра.
2. Формирование трехмерных периодических полых структур в объеме монокристаллического алмаза, задающих решетку 3-х мерных фотонных кристаллов со специально привнесенными (для части образцов) фотонными дефектами различной конфигурации.
3. Изучение влияния полученных структур на спектр пропускания алмаза, спектр люминесценции алмаза.
Развернуть
5
01.05.2011 - 02.09.2011
1. Определены оптические свойства лазерно-модифицированного материала в диапазоне длин волн 1.5-12 мкм. Действительная часть комплексного коэффициента преломления составляет n=1.5; мнимая часть – k=0.02-0.1, что соответствует коэффициенту поглощения 1200-2000 см-1. Полученные значения существенно отличаются от оптических параметров графита, использовавшихся ранее при расчете свойств периодических проводящих структур
Методом спектроскопии комбинационного рассеяния исследована структура лазерно-модифицированного материала в зависимости от глубины залегания.
Результаты измерения удельного сопротивления лазерно-модифицированного материала (6÷8 Ом см) близки к ранее полученным данным. Показано, что дальнейшая графитизация материала и снижение удельного сопротивления возможно при высокотемпературном (>1000С) вакуумном отжиге. Получены новые данные об условиях механического разрушения алмазной матрицы вокруг лазерно-модифицированной области.

2. Экспериментально реализованы различные проводящие структуры в объеме и на поверхности алмаза: пластины, периодические решетки из нитей, гребенки и т.д. Реализовано несколько вариантов фотонных структур в алмазе, имеющих квадратную или гексагональную геометрию, характерный поперечный размер 150x100 мкм и период 6-8 мкм. Измерены спектры пропускания созданных объемных структур в диапазоне длин волн 1-10 мкм и созданных поверхностных структур в диапазоне длин волн 5-25 мкм
Предложена и реализована технология формирования тонкой (~1.5 мкм) мембраны на монокристалле алмаза и создания в ней с помощью фемтосекундного лазерного излучения сквозных отверстий, формирующих периодическую структуру, заданной конфигурации. Для получения тонкой мембраны с помощью бомбардировки поверхности монокристалла алмаза легкими ионами дейтерия с дозой облучения 1017 см-2 создавался приповерхностный дефектный слой на глубине 1.5 мкм. Далее этот слой подвергался высокотемпературному (1700С) отжигу в вакууме, что приводило к его графитизации. При облучении модифицированной области 2-ой гармоникой (λ=400нм) Ti:Sapphire лазера на поверхности образовывались узкие (d~1÷1.5 мкм) периодические (~2 мкм) графитизованные каналы, достигающие этого заглубленного графитового слоя. Для отделения мембраны и удаления графитовой фазы из полученных структур использовался отжиг в печи в условиях окружающей атмосферы при температуре 580С в течение 10 часов. При указанной температуре происходило селективное окисление графитизованного материала как в созданных лазерным излучением каналах, так и в заглубленном слое. Полученные периодические структуры демонстрируют свойства фотонных кристаллов.

3. Представлена программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс, которая фактически осуществляется в течении всего срока выполнения проекта.
В результате с сентября 2011г. на кафедре нанотехнологий МИРЭА в ЦЕНИ ИОФ РАН начинает работать магистерская программа «Нанофотоника».
Особенностями внедрения результатов НИР в данном проекте является привлечение студентов кафедры МИРЭА к исследованиям, проводимым в рамках проекта и проведение на постоянной основе семинара ЦЕНИ ИОФ РАН, в котором основными докладчиками являются студенты МИРЭА, аспиранты и молодые специалисты ИОФ РАН.
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
2010 - 2012, 26 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Организация
ИНХ СО РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2007 - 2008, 15 мес.
Бюджетные средства
1,5 млн
Организация
ИТ СО РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2012 - 2013, 14 мес.
Бюджетные средства
1,28 млн
Организация
ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2009 - 2011, 25 мес.
Бюджетные средства
2,4 млн
Организация
ИНХ СО РАН
профинансировано
Тема
«Организационно-техническое обеспечение проведения международной научной школы «Диагностика углеродных наноструктур»»
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
0
Тема
Оптимизация методов синтеза углеродных нанотрубок различных модификаций для применения в материалах функциональных элементов наноэлектроники
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
10
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и формированию научно-технического задела в области создания углеродных наноматериалов и структур.
Продолжительность работ
2009, 6 мес.
Бюджетные средства
8,7 млн
Количество заявок
32
Тема
Создание нового типа наноразмерных моноэнергетических источников электронов на основе упорядоченных углеродных наноструктур для приборов вакуумной электроники
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Количество заявок
3
Тема
Исследование путей создания материалов на основе фуллеренов и углеродных нанотрубок для управления фотофизическими процессами в лазерных системах
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
3