Поздравляем сотрудников ИОФ РАН - победителей конкурса 2021 года на получение грантов РНФ

13.04.2021

РНФ


Поздравляем  сотрудников ИОФ РАН - победителей конкурса 2021 года на получение грантов Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»




21-12-00299. Павлова Т.В. Оборванные связи кремния на галогенированной поверхности Si(100) в качестве одноатомных квантовых точек

Продолжающаяся миниатюризация электронных устройств требует уменьшения размеров их активной области. Электрические, магнитные и оптические свойства квантовых точек открывают привлекательную возможность как для разработки новых электронных устройств, так и для фундаментальных исследований физики конденсированных сред. Данный проект направлен на решение проблемы уменьшения размеров квантовых точек за счет развития твердотельных квантовых структур размером с атом. Актуальность решения проблемы определяется необходимостью создания более компактных, более производительных и энергоэффективных электронных устройств. Оборванные связи кремния (DBs, dangling bonds) представляют собой квантовые точки, поскольку имеют три различных зарядовых состояния (положительное, нейтральное и отрицательное) в зависимости от заполнения уровней электронами (ноль, один или два электрона, соответственно). Энергетические уровни DB лежат в запрещенной зоне кремния и практически изолированы от объемных состояний. Оборванные связи на атомах Si приближаются к предельно малому размеру квантовой точки, следовательно, имеют преимущества перед квантовыми точками обычного размера. Во-первых, все DB идентичны, и неоднородности обусловлены только локальным окружением, которое в принципе можно эффективно минимизировать. Во-вторых, расстояние между энергетическими уровнями у них больше, что снижает требования к рабочей температуре. Оборванные связи кремния изучаются в контексте приложений наноэлектроники [Nat. Electron. 1, 636 (2018)], в качестве сенсора для исследования неизвестных заряженных дефектов вблизи поверхности [ACS Nano 13,10566 (2019)]. Более того, зарядовые и спиновые состояния DB рассматриваются в качестве кубитов для квантовых вычислений [New J. Phys. 12, 083018 (2010)]. DB также используются для внедрения фосфора в кремний с почти атомной точностью, для создания кубитов на электронных спинах примеси [Nature 571, 371 (2019)]. В мире в основном проводятся исследования оборванных связей Si в вакансиях H на поверхности Si(100)-2x1-H. Разработаны методы создания вакансий Н с атомной точностью в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) [Nanotechnology, 28, 075302 (2017)], залечивания ошибочно созданных вакансий [Nat. Comm. 9, 2778 (2018)], измерения и изменения зарядовых состояний DB в СТМ [Phys. Rev. B 88, 241406(R) (2013)] и nc-AFM [Phys. Rev. Lett. 121, 166801 (2018)]. Целью проекта является развитие направления одноатомных квантовых точек, для чего предлагается изучить новый вид – оборванные связи Si на галогенированной поверхности кремния. Для достижения поставленной цели в проекте предлагается решить следующие задачи: 1) Создание одноатомных квантовых точек из оборванных связей кремния методом СТМ-литографии по резисту из хемосорбированного монослоя галогенов на поверхности Si(100)-2x1. 2) Изучение зарядовых состояний оборванных связей кремния и манипулирования ими. 3) Реализация туннелирования между парой одноатомных квантовых точек для последующего моделирования молекулярных структур («искусственных молекул») из систем взаимодействующих точек. 4) Исследование взаимодействия газов с легирующей примесью (на примере PX3, где X=Br, Cl, I) с нейтральными и заряженными оборванными связями кремния на галогенированной поверхности Si(100)-2x1 с целью создания одноатомных квантовых точек другого типа – из примесных атомов, которые можно эффективно изолировать от внешних воздействий, закрыв слоем эпитаксиального кремния. Научная новизна настоящего проекта определяется созданием одноатомных квантовых точек на галогенированной поверхности Si(100)-2x1. Использование галогенов позволит расширить применение DB на галогенированную поверхность Si(100), используемую в технологии производства микросхем. Более того, внедрение примесей в кремний с использованием DB на Si(100)-2x1-H ограничено существованием гидридов только P и As (при комнатной температуре), но не других важных примесей, таких как Er, Al, B и др. Однако существуют галогениды указанных примесей, поэтому применение резиста из галогенов откроет возможность встраивания новых примесей в кремний. Благодаря большему радиусу атомов галогенов по сравнению с H, электронная плотность DB на галогенированной поверхности Si(100)-2x1 будет меньше «выступать» над поверхностью и можно в деталях изучить зарядовые состояния DB в СТМ. Таким образом, одноатомные квантовые точки в виде DB на галогенированной поверхности Si(100)-2x1 являются интересными объектами для изучения физических явлений и перспективны для создания на поверхности кремния электронных схем атомного масштаба.


21-12-00403. Ральченко В.Г. Алмазные фотонные кристаллы: плазмохимический синтез, структура, оптические свойства

Проект нацелен на исследование и разработку метода синтеза фотонных кристаллов с высоким диэлектрическим контрастом на основе упорядоченных 3-х мерных алмазных опалоподобных структур (АОС), и исследование их оптических свойств. Фотонные кристаллы (ФК) - среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света, являются важным элементом устройства для управления потоками света, в том числе для квантовых оптических технологий. ФК, синтетические структуры, которые могут быть сконструированы из различных веществ, но особо ценными являются материалы с высоким показателем преломления и широким окном прозрачности, к каковым относится и алмаз. В проекте планируется впервые создать ФК из монокристального алмаза методом осаждения из газовой фазы. Развиваемый подход основан на проращивании эпитаксиальным алмазом пористых опаловых темплатов из упорядоченных сфер SiO2, диаметром 250-1200 нм, наносимых на монокристальную подложку алмаза. Алмазные опаловые структуры (АОС) будут обладать повышенной оптической прозрачностью, прочностью и теплопроводностью благодаря монокристаллической природе алмаза, в отличие от реализованных ранее способов создания нанокристаллических (принципиально дефектных) алмазных ФК. Будут проведены исследования структуры композитов алмаз-опал и инвертированных алмазных опалов с помощью электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции, рентгеновской дифракции, и другими методами. Систематические измерения и анализ спектров оптического пропускания и отражения от АОС будут сопоставлены с результатами численного моделирования оптических свойств методом матрицы рассеяния. Одним из аспектов работы будет создание центров окраски (примесных дефектов в алмазе, оптически активных в видимой области спектра), в составе ФК. Центры окраски кремний-вакансия SiV (длина волны 738 нм), азот-вакансия NV (575 и 637 нм) и германий-вакансия GeV (602 нм), будут сформированы в объеме ФК в процессе синтеза алмаза путем легирования соответствующим элементом. Эти центры окраски рассматриваются в качестве вариантов однофотонных эмиттеров для квантовых информационных технологий. Будут рассмотрены особенности фотолюминесценции дефектов образцах алмазных ФК. Будет впервые исследована лазерная стойкость АОС и оценены перспективы применимости алмазных ФК в оптике высоких интенсивностей.


21-12-00407. Никитин П.И. Опто-магнитные методы для ультрачувствительной нанобиосенсорики

Проект посвящен созданию новых магнитных и композитных (с магнитным ядром) оптических наноструктур и наночастиц, функционализированных биораспознающими рецепторами, а также развитию высокочувствительных магнитных методов регистрации таких наноагентов в непрозрачных средах за счет нелинейного перемагничивания и повышения контраста магниторезонансной томографии для решения проблем нанобиосенсорики. На основе указанных магнитных методов детекции и томографии, а также полученных наноструктур будут разработаны новые методы измерения ультранизких концентраций целого ряда аналитов в непрозрачных средах сложного состава, в том числе в качестве важного шага на пути к решению проблем диагностики и целевой доставки лекарственных средств. В настоящее время разработка новых магнитных наноструктур для биомедицинских применений является актуальной задачей. По мере получения новых научных результатов привлекательность магнитных наночастиц по сравнению с агентами из других неорганических материалов в этой области только неуклонно возрастает. Это связано с целым рядом обстоятельств. Так, уже детально продемонстрирована низкая токсичность малых доз наночастиц оксидов железа, что снимает многие вопросы и опасения в отношении этих нанотехнологических объектов. Целый ряд препаратов на основе оксидов железа уже допущен для внутривенных инъекций человеку, например для увеличения контраста магниторезонансной томографии опухолей, при анемии и т. д. Кроме того, в отличие от остальных частиц магнитные нанообъекты обладают уникальными возможностями манипулирования с помощью внешнего магнитного поля, а также индукционного нагрева даже в глубоких тканях и органах внутри живого организма. Другим преимуществом магнитных наноструктур по сравнению с традиционными оптическими метками биохимических реакций является возможность их неинвазивной регистрации в различных непрозрачных средах, а также на большой глубине в живом организме, в том числе в глубине тела человека. В рамках проекта планируется разработка нового типа «умных» нанобиосенсоров, способных детектировать ультранизкие концентрации нуклеиновых кислот (без этапов усиления сигнала и амплификации реакций), низкомолекулярных соединений и других аналитов, что актуально для исследования новых возможностей задач ранней диагностики заболеваний и направленной доставки лекарственных препаратов. Решение этой задачи может значительно изменить существующий статус терапии и диагностики заболеваний, а также существенно расширить возможности в решении практических биомедицинских задач, имеющих высокую социальную значимость. 


21-17-00114. Веселовский И.А. Исследование атмосферного аэрозоля и облаков лидарными методами спектроскопии комбинационного рассеяния и лазерно - индуцированной флуоресценции

Предлагаемый проект направлен на разработку технологий лидарного мониторинга параметров аэрозоля и облаков на основе методов спектроскопии комбинационного и флуоресцентного рассеяния в комбинации с многоволновыми лидарными измерениями. Современные многоволновые лидары способны профилировать коэффициенты экстинкции и обратного рассеяния аэрозоля на нескольких длинах волн. Соответствующие измерения инвертируются в микрофизические свойства аэрозоля, такие как объем, эффективный радиус и комплексный показатель преломления. Возможности этих лидаров по идентификации типов аэрозоля могут быть существенно расширены за счет использования лазерно - индуцированной флуоресценции частиц. Многочисленные типы атмосферных аэрозолей, такие как биологические частицы, дым, сульфаты и, даже, пыль, флуоресцируют под действием УФ излучения. Спектр флуоресценции меняется в зависимости от типа аэрозоля, что делает возможным его идентификацию. Более того, поскольку чистая вода не флуоресцирует, измерение флуоресценции облаков позволяет получать информацию об аэрозольных частицах в облачном слое. В процессе реализации данного проекта будет создан флуоресцентный лидар, использующий лазерное излучение с длиной волны 354.7 нм и содержащий пять измерительных каналов для проведения флуоресцентных измерений в спектральном диапазоне 410 – 700 нм. Выделение участков спектра флуоресценции производится с использованием дихроичных зеркал и широкополосных интерференционных фильтров. Чувствительность каналов будет калиброваться с использованием вольфрамовой лампы, а коэффициент обратного флуоресцентного рассеяния вычисляться из отношения сигналов флуоресцентного рассеяния и комбинационного рассеяния азота. Флуоресцентные измерения будут проводится одновременно с измерениями многоволнового лидара ЦФП ИОФ РАН, измеряющего три коэффициента обратного рассеяния (355, 532, 1064 нм), два коэффициента экстинкции (355, 532 нм) и три коэффициента деполяризации аэрозоля. В процессе реализации проекта будут определены сечения флуоресценции для различных типов аэрозолей и разработан алгоритм определению вертикального распределения основных компонент аэрозольной смеси на основе совместного использования многоволновых и флуоресцентных лидарных измерений. Флуоресцентный лидар будет также использован для определения содержания аэрозоля внутри облаков. Исследование модификации характеристик облаков под воздействием аэрозоля требует создания технологий, позволяющих определять содержание воды в облаке и размер капель. Одним из способов определения содержания жидкой воды является измерение ее спектра комбинационного рассеяния (КР), наиболее интенсивные области которого находятся в частотном диапазоне 2800 см-1 –3900 см-1. Сечения КР и упругого рассеяния имеют различную зависимость от размера частицы, поэтому одновременное измерение упругого рассеяния и КР воды позволяет измерять также и средний размер капель в облаке. При попытках создания соответствующих лидарных систем использовалось, главным образом, излучение на длине волны 354.7 нм. Однако, флуоресценция аэрозоля в спектральном диапазоне, соответствующем КР жидкой воды, является значительной и не позволяет проводить количественные измерения. В предлагаемом проекте для минимизации вклада флуоресценции при исследовании КР жидкой воды в облаках и аэрозолях будет, использовано излучение с длиной волны 532 нм. Прогресс в разработке современных интерференционных фильтров и детекторов позволяет обеспечить надежную регистрацию сигнала КР для этой длины волны. 


21-19-00528. Бубнов М.М. Новые конструкции волоконных световодов для решения практически значимых задач

Создание первого волоконного лазера относится к началу 60-х годов прошлого века. При этом структура, использованная в качестве активной среды, лишь крайне отдаленно напоминает конструкцию световода в современном его понимании, а схема лазера, содержащая единственный волноведущий компонент, только условно может быть названа «волоконной». С тех пор, развитие как самих активных волоконных световодов, так и элементной базы, в значительной степени определило нынешнюю популярность волоконных лазеров и их широчайшее применение в самых различных областях. Так создание сначала одномодовых полупроводниковых диодов накачки, а затем многомодовых диодов с высокой яркостью, определяло прогресс в масштабировании выходной мощности волоконных лазеров и усилителей. Создание элементной базы на основе волоконных световодов, например, внутриволоконных брэгговских решеток, объединителей накачки и сигнала, изоляторов и прочего сделало возможной реализацию полностью волоконных лазерных схем, что обеспечило одно из главных преимуществ волоконных лазеров и усилителей – отсутствие необходимости юстировки и, как следствие, беспрецедентную надежность. В свою очередь реализация новых конструкций волоконных лазеров (различные схемы лазеров с синхронизацией мод, с модуляцией добротности, лазерные схемы типа задающий генератор/усилитель мощности и т.п.) открыло дорогу для появления огромного количества импульсных волоконных источников, в том числе достаточно мощных для того, чтобы применяться в сфере обработки материалов. Не меньшую роль в развитии волоконных лазеров сыграла разработка световодов с двойной отражающей оболочкой, а также световодов, активированных различными элементами. Так переход от одномодовых источников накачки к световодам с двойной отражающей оболочкой (и, соответственно, схемам с накачкой по оболочке) позволил значительно увеличить выходную мощность волоконных лазерных систем. В свою очередь использование световодов, легированных ионами различных редкоземельных элементов, и даже переходными металлами (висмутом), сделало возможным расширение спектрального диапазона генерации волоконных лазеров. Тем не менее, примечательно, что наиболее распространенной волноведущей (для излучения сигнала) конструкцией используемых на практике волоконных световодов является простейший случай световода со ступенчатым профиля показателя преломления. В связи с этим можно заключить, что дальнейший прогресс в области волоконных лазеров и усилителей, по всей видимости, может быть связан с развитием и модификацией конструкций волоконных световодов. Так увеличение пиковой и средней мощности возможно лишь за счет разработки и применения конструкций световодов, обеспечивающих одновременно одномодовый режим распространения и высокий порог нелинейных эффектов; получение генерации на новых длинах волн, либо достижение улучшенной эффективности преобразования излучения накачки в сигнал, зачастую связано с необходимостью создания световодов, обеспечивающих увеличенный уровень потерь в спектральной области нежелательной генерации активной среды; оптимизация состава сердцевины световода, и его геометрических размеров так же позволяет существенно улучшить эффективность преобразования излучения накачки в сигнал в имеющихся конструкциях волоконных лазеров. Настоящий проект посвящен разработке и исследованию новых конструкций волоконных световодов и их практическому применению. Необходимо отметить, что сегодня создание новых типов волоконных световодов возможно лишь при теснейшем взаимодействии физики, химии и технологии – не все спроектированные конструкции световодов могут быть реализованы, и часто именно развитие и отработка нового технологического решения позволяет реализовать необходимые конструкции световодов. Более того активные свойства световодов в значительной степени определяются именно составом стекла и лишь решение сложных химических задач по одновременному введению в сетку стекла необходимых элементов позволяет добиться создания световодов с требуемыми свойствами. Так же конструкция световода, будучи идеальной “на бумаге”, в реальном эксперименте может проявить свойства, исключающие ее пригодность для практического использования, что в свою очередь требует обязательного тестирования создаваемых световодов в реальных условиях. В целом проектирование новых конструкций волоконных световодов является важным и не простым направлением волоконной оптики, которое позволит существенно расширить области применения устройств на основе волоконных световодов. К сожалению, к настоящему моменту существует лишь поверхностное понимание процессов, которые могут быть инициированы при создании более сложных структур. Проблема заключается еще и в том, что ограниченное число исследовательских групп в мире может позволить себе разработку и реализацию новых волоконных структур, а так же обладает необходимым аппаратом для их моделирования и оборудованием для их исследования. Именно поэтому большинство работ проводится посредством применения коммерчески доступных волоконных световодов. В связи с этим крайне важным направлением исследований является разработка новых волоконных структур, изучение физики процессов, происходящих в них, исследование технологических аспектов реализации структуры, разработка новых методов волоконной оптики для реализации структур с заданными свойствами. В этом состоит актуальность настоящей работы. Научная новизна проекта, посвященного разработке новых типов волоконных световодов для решения практически значимых задач, состоит в то, что впервые будет проведено детальное экспериментально-теоретическое исследование влияния конструктивных особенностей световода на его волноводные свойства. Так помимо прочего в рамках проекта планируется исследовать новые подходы к подавлению нежелательных мод, внесению спектрально-селективных потерь, обеспечению эффективной генерации на новых длинах волн и т.п. Понимание физики процессов, происходящих при модификации волоконной структуры, откроет новые горизонты для проведения дальнейших исследований и позволит увеличить диапазон применений методов волоконной оптики. Сравнение уже известных структур и разрабатываемых новых конструкций световодов позволит найти оптимальное (с практической и экономической точек зрения) решение для задач, выполнение которых невозможно при использовании стандартных волоконных световодов. 

Другие записи