Во вопросам приобретения сборника трудов ФизикА.СПб/2016
следует обращаться по адресу dv_chern@mail.ru
доставка Почтой России

Тезисы конференции ФизикА.СПб/2016

Астрономия и астрофизика [28]

Атомная физика и физика элементарных частиц [5]

Биофизика [16]

Другие вопросы физики [10]

Матфизика и численные методы [17]

Наноструктурированные и тонкопленочные материалы [49]

Оптика и спектроскопия [41]

Оптоэлектронные приборы [13]

Поверхностные явления [4]

Приборы и материалы ТГц и СВЧ диапазона [13]

Примеси и дефекты в твердом теле [6]

Физика и технология преобразования энергии [7]

Физика квантовых структур [17]

Физика плазмы, гидро- и аэродинамика [21]

Физика ферроиков [16]

Астрономия и астрофизика

Метод определения положения центра масс небесных тел относительно их фигуры на основе гармонического анализа разложения по сферическим функциям с целью уточнения параметров физической либрации

Демина Наталья Юрьевна1, Андреев А. О.1,  Демин С. А.1, Нефедьев Ю. А.1

1КФУ

Эл. почта: vnu_357@mail.ru

В современном программном обеспечении, предназначенном для космических исследований, используются методы структурного анализа внутреннего строения небесных тел, а также демонстрируются возможности и преимущества междисциплинарного подхода: астрофизические наблюдения и теоретическое моделирование дополняются геофизическими задачами и методами. Ключевую роль при этом играет анализ физической либрации, прежде всего, в части создания численных теорий. Основной проблемой таких теорий остается обнаружение планетного ядра и определение его параметров, в частности, положения центра масс небесного тела относительно его фигуры. Если для Земли решение данной задачи производится на основе большого массива наземных и космических вычислений, то для других небесных тел такие возможности сильно ограничены. В настоящей работе предлагается метод определения положения центра масс в первую очередь Луны относительно центра ее фигуры, что связано  с наиболее полной базой космических наблюдательных данных для нашего естественного спутника.

Следует  отметить, что численный подход к построению теории физической либрации Луны (ФЛЛ) [1, 2] позволяет учитывать многие элементы внутренней стратиграфии лунного тела. Это дает возможность выполнить высокоточное описание современных данных лазерной локации Луны (ЛЛЛ). Несмотря на усложнение, данную идеологию логично развивать и в аналитическом подходе ФЛЛ, поскольку появляются уникальные возможности разделения вынужденной и свободной либрации и отождествления многих тонких эффектов лунного вращения с физической природой их происхождения. Подобный вариант получения информации на основе различных моделей ФЛЛ стимулировал ряд работ, в которых очерчен круг проблем [3, 4].

На сегодняшний день ЛЛЛ, реализуемая более 45 лет, является одним из самых эффективных источников информации о Луне. Точность лазерных измерений достигла уровня, достаточного для определения даже релятивистских эффектов в системе «Земля-Луна». Анализ лазерных данных при определении параметров лунного вращения позволил не только уточнить числовые характеристики динамической фигуры Луны (безразмерные моменты инерции и коэффициентов упругости), но и однозначно определить амплитуды и фазы чандлеро-подобных мод в свободной либрации и, в то же время, открыть наличие сильной диссипации вращения. Хотя проблема длительного существования свободной либрации при наличии сильной вращательной диссипации пока не решена окончательно, в настоящее время в этом направлении сделаны серьёзные шаги. Как было доказано в серии работ [1, 3] одной из причин диссипации является не только приливное трение, но и наличие у Луны жидкого ядра. Диссипативные процессы при дифференциальном вращении ядра и вязкоупругой мантии вызывают отклонение вращения Луны от законов Кассини: вследствие диссипации ось вращения Луны выходит из плоскости, в которой лежат ось эклиптики и лунного экватора, на постоянную величину в 0.26 секунд дуги [5]. Точность описания ФЛЛ в первую очередь определяется точностью описания селенопотенциала. Динамическая модель зависит от коэффициентов Стокса, получаемых из гравиметрических спутниковых измерений и безразмерных моментов инерции, определяемых из ЛЛЛ. Перспективы лазерной локации и радио-интерферометрии Луны в рамках международной кооперации космических держав, как в области наблюдений, так и в области обработки и интерпретации данных наблюдений требует создание адекватного теоретического обеспечения для современных технологий определения расстояния от Земли до Луны с точностью до 1 мм. Таким образом, определение положения центра масс Луны, выполненное в настоящей работе, а в итоге построение селеноцентрической системы, в дальнейшем позволит решить описанные выше задачи с большей точностью и достоверностью.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов 15-02-01638 a, 16-02-00496 a, 16-32-60071 мол_a_дк (Н.Д.).

Список литературы

  1. Rambaux N., Williams J.G., The Moon’s physical librations and determination of their free modes, Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 109(1), 85-100, 2011;

  2. Williams J.G., Boggs D.H., Yoder Ch.F., Ratcliff J.T., Dickey J.O., Lunar rotational dissipation in solid body and molten core, Journal of Geophysical Research: Planets, 106 (E11), 27933-27968, 2001;
  3. Williams J.G., Turyshev S.G., Boggs D.H., Ratcliff J.T., Lunar laser ranging science: Gravitational physics and lunar interior and geodesy, Advances in Space Research, 37(1), 67-71, 2006;
  4. Dickey J.O., Bender P.L., Faller J.E. et al., Lunar Laser Ranging: A Continuing Legacy of the Apollo Program, Science, 265, 482-490, 1994;
  5. Williams J.G., Boggs D.H., Folkner W.M., DE421 lunar orbit, physical librations, and surface coordinates, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Interoffice Memorandum, 2008.



Фрактальный анализ гравитационного поля и топографии Марса

Демин Сергей Анатольевич1, Андреев А. О.1, Демина Н. Ю.1, Нефедьев Ю. А.1

1КФУ

Эл. почта: serge_demin@mail.ru

Title: The fractal analysis of the gravitational field and topography of the Mars (Demin Sergey, Andreev Alexey, Demina Natalia, Nefedyev Yuri (Kazan Federal University).

Abstract: The aim of this paper is structured fractal analysis of gravity and topological parameters of Mars based on data space missions. For analyzes of the Martian fractal structures were used data derived from the space missions, including "Mars Global Surveyor". Model gravitational potentials presented as analytic functions of the coordinates was used. The model was made on base of the study the variations artificial satellites orbits of the Mars and made by other methods the gravitational observations. As a result of the work  the fractal correlations of the Martian geoid anomalies and the gravitational potential about the longitude and latitude were determined and the average value of the fractal dimensions were calculated.

В фундаментальных и прикладных задачах изучения нелинейных  процессов и  структуры природных объектов, в том числе определения  их свойств, большое значение имеет фрактальная геометрия, это в полной мере касается гравиметрических и топографических параметров Марса [1, 2]. Дилатационная симметрия и пространственно-временная неоднородность являются общими свойствами различных физических систем. Такие свойства при изменении масштаба системы приводят к инвариантности основных геометрических параметров. Фрактальная размерность является количественной мерой, характеризующей структуру объекта. Связь между геометрическими параметрами объекта и процессами его образования можно изучить на основе анализа фрактальных размерностей. Поэтому построение методов с целью  определения фрактальных структур систем является актуальной проблемой. Необходимо отметить, что чем более существенно топологическая размерность структуры отличается от фрактальной, тем  сложнее является организация системы. При осуществлении космических миссий к телам Солнечной системы было получено много информации по геофизике, морфологии, о гравитационных полях и атмосферах планет. В результате этих исследований существенное развитие получила сравнительная планетология. В данном направлении рассматриваются вопросы, связанные не только с космогонией и теорией по эволюции тел солнечной системы, но и анализируются свойства и процессы физической природы. Цель настоящей работы - фрактальный структурированный анализ гравиметрических и топологических параметров Марса на основе данных космических миссий.

Для анализа марсианских фрактальных структур были использованы данные, полученные с бортов космических кораблей, в частности «Марс Глобал Сервейор» [3, 4, 5]. Была использована модель гравитационных потенциалов, представленных как аналитические функции координат. Модель включала в себя исследования вариации орбит искусственных спутников Марса и гравитационные наблюдения, выполненные другими методами [6, 7]. Построенный геоид Марса (как известно, название гравиметрических и топографических характеристик для тел солнечной системы совпадает с земными и отличны только для Луны) определяет как потенциал силы тяжести, так и отличие нормального и реального потенциалов силы тяжести. С помощью данной модели можно исследовать гравитационное поле вблизи поверхности Марса и  изучать распределение масс в марсианских недрах. Определение основной уровенной поверхности на Марсе задается точкой на его поверхности, совпадающей с  поверхностью геоида или определенным значением потенциала. Соответственно, в зависимости от гравиметрического потенциала геоид может располагаться как над физической поверхностью Марса, так и под ней, аналогично земному геоиду [8].

В результате выполнения работы были определены фрактальные зависимости для марсианского геоида и аномалий гравитационного потенциала как по долготе, так и по широте и вычислены значения средних фрактальных размерностей: гравиметрические аномалии по широтам d=1.02,  по долготам d=1.92; аномалии марсианского геоида по широтам d=0.865, по долготам d=0.878. Отметим, что метод фрактального анализа позволяет вводить независимые  оценки марсианской макроструктуры, что приводит к новым подходам в интерпретации физических процессов, происходящих на Марсе.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов 15-02-01638 a, 16-02-00496 a, 16-32-60071 мол_a_дк (Н.Д.).

Список литературы

  1. Turcotte D.L., A fractal interpretation of topography and geoid spectra on the Earth, Moon, Venus, and Mars, Journal of Geophysical Research, 92(B4), 597-601, 1987;
  2. Stepinski T.F., Collier M.L., McGovern P.J., Clifford S.M., Martian geomorphology from fractal analysis of drainage networks, Journal of Geophysical Research: Planets, 109(E2), E02005-1-12, 2004;
  3. Genova A., Goossens S., Lemoine F.G., Mazarico E., Neumann G.A., Smith D.E., Zuber M.T., Seasonal and static gravity field of Mars from MGS, Mars Odyssey and MRO radio science, Icarus, 272, 228-245, 2016;
  4. Shan J., Yoon J.-S., Lee D.S., Kirk R.L., Neumann G.A., Acton C.H., Photogrammetric analysis of the Mars Global Surveyor mapping data, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 71(1), 97-108, 2005;
  5. Ferguson B.B., Cain J.C., Crider D.H., Brain D.A., Harnett E.M., External fields on the nightside of Mars at Mars Global Surveyor mapping altitudes, Geophysical Research Letters, 32(16), L16105-1-44, 2005;
  6. Rizvanov N.G., Nefed'ev Yu.A., Kibardina M.I., Research on selenodesy and dynamics of the Moon in Kazan, Solar System Research, 41(2), 140-149, 2007;
  7. Nefedjev Yu.A., Rizvanov N.G., Photographic observations of solar system bodies at the Engelhardt astronomical observatory, Astronomy and Astrophysics, 444(2), 625-627, 2005;

  8. Lapaeva V.V., Meregin V.P., Nefedjev Y.A., Study of the local fluctuations of the Earth's crust using data of latitude observations, Geophysical Research Letters, 32(24), 1-3, 2005.


Поздние стадии тепловой эволюции белых карликов

Кожберов Андрей Андреевич1

1ФТИ

Эл. почта: kozhberov@gmail.com

Белые карлики представляют собой компактные звёзды с массами, сравнимыми c массой Солнца, но с радиусами в сотни раз меньше. Считается, что вещество в их недрах при плотностях больше 104 г/см3 состоит из вырожденного релятивистского электронного газа и полностью ионизированных ионов, голых атомных ядер. Ионы в основном представлены изотопами углерода 12C и кислорода 16O, хотя могут присутствовать и примеси других элементов. На начальных стадиях эволюции (до нескольких миллионов лет) эта ионная смесь находится в жидкой неупорядоченной фазе, но по мере остывания кристаллизуется, образуется так называемый кулоновский кристалл. На стадии кристалла белые карлики практически лишены собственных источников термоядерной энергии и светят в основном за счёт остывания. Следовательно, их светимость и тепловая эволюция определяются термодинамическими свойствами недр.

Данная работа посвящена описанию термодинамических свойств кулоновских кристаллов, с помощью различных методов теории твердого тела. Исследован вопрос, как величина и направление магнитного поля, изотопические примеси, поляризация электронного фона и тип кристаллической решетки влияют на теплоёмкость внутренних слоёв белых карликов. Показано, что наибольшую роль в процесс остывания вносят магнитное поле и массивные неоднородности химического состава. Так поля порядка 1014 Гс при температуре ниже плазменной и плотности 108 г/см3 способствуют уменьшению теплоёмкости кристалла в несколько десятков раз, что в свою очередь приводит к заметному увеличению скорости остывания. Другие рассматриваемые эффекты вносят не столь ощутимый вклад, однако и они оказываются важны для построения более надежной модели тепловой эволюции вырожденных звезд.



Анализ наблюдений гамма-пульсара J1932+1914 в рентгеновском диапазоне

Карпова Анна Викторовна1, Зюзин Д. А. 1, Штернин П. С. 1, Шибанов Ю. А. 1, Даниленко А. А.1

1ФТИ

Эл. почта: annakarpova1989@gmail.com

В работе представлен анализ рентгеновских наблюдений поля радиотихого гамма-пульсара J1932+1914 с характеристическим возрастом 35 тыс. лет, недавно открытого обсерваторией Fermi [1].  В работе использовались архивные данные обсерваторий Suzaku и Swift. На изображении, полученном обсерваторией Swift (время экспозиции 9 кс), обнаружен точечный источник, позиционно совпадающий с J1932+1914. На изображении, полученном Suzaku (время экспозиции 24 кс), точечный источник не разрешается, но наблюдается диффузный источник протяженностью {4}' (FWHM).  Спектральный анализ показал, что протяженный источник имеет фотонный индекс \Gamma =2.0\pm 0.4, а точечный источник - \Gamma =1.5\pm 0.5.  Данные параметры типичны для системы пульсар+пульсарная туманность. Оцененные рентгеновские светимости также характерны для подобных систем с возрастом 10-100 тыс. лет. J1932+1914 находится вблизи края остатка сверхновой G54.4-0.3. Колонковая плотность поглощающего вещества до остатка оценивается в \sim10^{22} см-2 [2], что согласуется со значением, полученном при анализе рентгеновского спектра J1932+1914, (1.4\pm 0.2)\times 10^{22} см-2. Таким образом, J1932+1914 может являться пульсаром, связанным с этим остатком. В этом случае он должен иметь значительное собственное движение.

Список литературы

  1. Pletsch H. J. et al. Einstein@Home discovery of four ypung gamma-ray pulsars in Fermi LAT data. ApJ, 779, L11 (2013);
  2. Junkes N. G54.4-0.3 - Multi-Frequency Investigation of an SNR in Interaction with the ISM. Proceedings of the 169th Symposium of the International Astronomical Union, p.627 (1996)



Аналитическая аппроксимация численных решений уравнения Лейна - Эмдена

Куричин Олег Алексеевич1, Варшалович Д. А.2,

1СПбПУ

2ФТИ

3 СПбПУ

Эл. почта: hagibator98@gmail.com

Для описания термодинамического равновесия в самогравитирующих сферах удобно использовать политропное приближение P \sim \rho ^n. В этом случае зависимость всех величин от радиуса выражается через единственную функцию \theta (\xi , n), являющуюся решением уравнения Лейна- Эмдена [1]. В общем случае, это уравнение не имеет точного аналитического решения и может быть решено только численно. Данная функция является положительной монотонно убывающей от \xi = 0  до \xi = \xi_R (n), где \xi_R (n) — первый ноль этой функции, соответсвующий границе политропной сферы. В приложениях в первую очередь нужно иметь простые аппроксимации для \xi_R (n) и  \theta^{\prime} (\xi_R , n). В данной работе обсуждаются различные виды аппроксимаций этих величин в интервале n \in [-0.9 , 5), что как раз и нужно для астрофизических приложений. В частности, исследуются степенные аппроксимации, дающие погрешность менее 1.1% в области n \in [-0.9 , 4.9]

Список литературы

  1. Horedt G.P. , Exact solutions of the Lane–Emden equation in N-dimensional space, Astronom. Astrophys., v. 160, p.148, (1986);


Численное моделирование альбедо фотонов жесткого рентгеновского излучения во время солнечных вспышек

Елфимова Евгения Петровна1, Шабалин Александр Николаевич1

1ФТИ

Эл. почта: elfimovaevgeniya@gmail.com

Жесткое рентгеновское излучение (ЖРИ), испускаемое во время солнечных вспышек представляет собой суперпозицию потока квантов напрямую распространяющихся к наблюдателю и потока отраженных от плотных слоев фотосферы и хромосферы Солнца, которые  не являются оптически тонкими. Фотоны по направлению на Солнце, могут испытывать комптоновское рассеяние, вследствие чего изменяют свое направление, “отражаются” от поверхности, и присоединяются к потоку первичного (тормозного) излучения. Вклад отраженных фотонов в спектральное распределение ЖРИ солнечных вспышек был впервые подробно рассмотрен в [1] и показано, что наибольший вклад отраженных фотонов в рентгеновский спектр имеет в области от 10-100 кэВ. Таким образом, источники ЖРИ необходимо рассматривать как совокупность первичного и отраженного излучения, т.к. альбедо может изменять спектральные, пространственные и временные характеристики наблюдаемого излучения. В большинстве работ по восстановлению спектров ЖРИ и  ускоренных электронов не учитывается вклад  компонента  альбедо. Для разных положений вспышечной петли на Солнце соотношение отраженных фотонов к первичным в потоке может быть различным, следовательно, необходимо рассматривать задачу расчета вклада альбедо для различных положений наблюдателя и петли на Солнце.

Для решения данной задачи была разработана методика учета геометрии вспышечной петли и расчета траектории отдельных фотонов, написан численный код на основе метода Монте-Карло, в котором учитывается положение петли на диске Солнца, положение наблюдателя, распределение ЖРИ вдоль петли. Для получения входного распределения ЖРИ рассматривается модель кинетики ускоренных электронов в магнитной петле. Основным варьируемым параметром в этой модели была функция распределения источника электронов. Постановка задачи кинетики ускоренных электронов с учетом различных процессов неоднократно обсуждалась (см., например, [2,3]). В коде программы отслеживается траектория каждого отдельного фотона ЖРИ. На основе сравнения сечений процессов комптоновского рассеяния и поглощения, обусловленного фотоэффектом,  определяется наиболее вероятное взаимодействие фотона с фотосферой. Учитывается возможность многократного комптоновского рассеяния.  Кроме расчета потока компонента альбедо строится изображение ЖРИ, которое может зафиксировать наблюдатель, находясь в некотором заданном положении относительно Солнца.

По результатам моделирования можно выделить несколько основных выводов: для разных областей петли вклад отраженных фотонов будет различным, влияние отраженных фотонов на наблюдаемое излучение будет увеличиваться при смещении положения вспышки на Солнце от лимба к центру диска, вклад отраженных фотонов имеет максимум на энергиях 30-40 кэВ. Для построенных изображений распределения ЖРИ наблюдается расплывание и смещение положения первичных источников тормозного ЖРИ к центру диска Солнца за счет добавления составляющей альбедо.

Список литературы

  1. Bai T. and Ramaty R. Astrophys. J., Vol. 219, p. 705, 1978.;
  2. Hamilton R.J., Lu E.T. and Petrosian V. ApJ. v.354. p. 726. 1990;
  3. Gorbikov S.P., Melnikov V.F. Mathematical Modeling. v.19. p.112. 2007. ;


Cвязь между напряженностью магнитных полей и жесткостью рентгеновских спектров массивных O звезд

Рыспаева Елизавета Борисовна1,2, Холтыгин А. Ф.1

1СПбГУ

2ГАО

Эл. почта: e.ryspaeva@yandex.ru

В работе исследована связь рентгеновских спектров массивных звезд спектрального класса O и их магнитных полей. Для этого были проанализированы архивные рентгеновские наблюдения 14 магнитных O звезд, выполненные с помощью орбитальных обсерваторий «Chandra» и «XMM-Newton» с 2000 по 2014 год. Мы извлекли из наблюдений спектры звезд и, используя метод полиномиальной аппроксимации континуумов, выделили спектральные линии. В результате была получена связь между жесткостью спектра и средней напряженностью магнитного поля звезды.

Список литературы

  1. P. Skoda "Common methods of stellar spectra analysis and their support in VO", 2014;
  2. Y. Naze et al. "HD 108: the mystery deepens with XMM-Newton observations" A&A, 2013;
  3. Y. Naze et al. "Hot and cool: two emission-line stars with constrasting behaviours in the same XMM -Newton field" A&A, 2014;
  4. Y. Naze et al. "High-resolution X-ray spectroscopy of the magnetic Of?p star HD 148937" The ApJ, 746:142(8pp), 2012;
  5. V. Petit et al. "X-ray emission from the giant magnetosphere of the magnetic O-type star NGC 1624-2" Mon. Not. R. Astron. Soc. 000, 1-13, 2014;


Угловые и энергетические распределения нейтронов, гамма и рентгеновских лучей во время солнечных вспышек. Сопутствующие изменения в изотопном составе фотосферы и солнечного ветра

Чакчурина Мария Евгеньевна1, Васильев Г. И.2

1СПбПУ

2ФТИ

Эл. почта: maria.chakchurina@yandex.ru

Расширение энергетического диапазона фотонов, регистрируемых во время солнечных вспышек, дает ценную информацию о процессах ускорения и структуре магнитных полей. Ускоренные атомные ядра, попадая в фотосферу, взаимодействуют с её ядрами. В результате изменяется изотопный состав. Образуются ядра в возбужденном состоянии. Возбуждение снимается при испускании гамма-квантов. Возможно экспериментальное наблюдение характерных линий таких как 0,511 (аннигиляция позитронов), 2,223 (образование дейтрона), 0,429 и 0,478 МэВ (взаимодействие двух альфа частиц с образованием 7Be и7Li). Образованные в ядерных реакциях гамма-лучи рассеиваются и поглощаются в фотосфере и покидающие ее лучи имеют искаженные спектры. По интенсивности линий можно судить о мощности вспышек и глубине образования изотопов. Наблюдаемые в образцах лунного грунта аномальные соотношения имплантированных изотопов солнечного ветра могут быть объяснены изменением состава изотопов в солнечной атмосфере [1]. Мы рассмотрели два предельных случая выхода этих изотопов в межпланетное пространство. В первом случае предполагалось образование изотопов непосредственно в тонком слое (несколько сотых г/см2) с дальнейшим быстрым истечением после вспышки с корональным выбросом.

Такой вариант наиболее вероятен для 6Li , так как реакции его образования, главным образом, происходят при взаимодействии ядер гелия с пороговыми энергиями (единицы – десятки МэВ/нуклон), где мал ионизационный пробег. Для других изотопов, образующихся при больших энергиях (сотни МэВ/нуклон), обогащение коронального выброса возможно только при определенной топологии магнитных полей, приводящей к касательному падению ускоренных частиц на фотосферу. Во втором случае предполагалось, что обогащение происходит в процессе длительного накопления изотопов в глубоких слоях с интенсивным конвективным перемешиванием.

В последнее время проводились эксперименты, например, с помощью нейтронного детектора в космическом магнитном спектрометре «Памела», по изучению спектров нейтронов, возникающих во время вспышек, одновременно с измерение спектров протонов на орбите Земли [2, 3]. Привлечение данных по нейтронам дает дополнительный метод исследования не только процессов на Солнце, но и в его магнитосфере.

Нами выполнены расчеты образования изотопов в фотосфере с фиксацией глубины образования каждого, угловых и энергетических распределений выходящих из фотосферы рентгеновских и гамма лучей, нейтронов, дейтронов, трития, ядер гелия для различных углов падения и показателей спектра протонов и ядер гелия. Исследована временная задержка линии 511 кэВ, образованной от бета-распадов радионуклидов. Полученные данные могут быть полезными при планировании экспериментов и и интерпретации зарегистрированных солнечных событий.

1. Chaussidon M. & Francois R. Letters to nature v. 402 | 18 NOVEMBER 1999.

2. Bruno A. Et al. J. Phys.: Conf. Ser., v.675, p. 032006, 2016

3. Bogomolov E.A., Vasilyev G.I., Krut`kov S.Y. 2015, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., v.79, 5 p. 580-581



Процессы переноса в оболочках сверхновых

Осипов Сергей Михайлович1, Быков А. М.1, Гладилин П. Е.1

1ФТИ

Эл. почта: osm2004@mail.ru

Проведен анализ плазменные неустойчивостей, связанных с анизотропией распределения ускоренных частиц и градиентом их давления, в условиях предфронтов ударных волн в оболочках сверхновых. Исследовано влияния усиления магнитных неоднородностей в предфронте ударной волны данными неустойчивостями на спектры и пространственное распределение ускоренных частиц.


Исследование параметров звездного ветра массивного компаньона рентгеновского пульсара OAO 1657-415

Ким Виталий Юрьевич1, Ихсанов Н. Р.1

1ГАО РАН

Эл. почта: ursa-majoris@yandex.ru

Доклад посвящен исследованиям аккреционных структур и параметров звездного ветра массивных компаньонов галактической популяции рентгеновских пульсаров, где на примере рентгеновского источника OAO 1657 мы предлагаем новый подход в изучении ветровых параметров, в котором основным “инструментом” служит аккрецирующая нейтронная звезда. Наблюдаемые характеристики рентгеновского пульсара могут быть использованы для оценки параметров аккреционного потока и, соответственно звездного ветра его массивного компаньона.



Cравнение численных подходов к моделированию ускорения частиц на ударных волнах

Лиознов Антон Валерьевич1, Гладилин П. Е.2

1СПбПУ

2ФТИ

Эл. почта: Lavton@gmail.com

Компьютерное моделирование процессов ускорения заряженных частиц в космическом пространстве является важным этапом теоретических исследований ускорительных механизмов во Вселенной. Обработка наблюдательных данных современных обсерваторий по исследованию космических лучей требует эффективных численных методов моделирования энергетического и пространственного распределения заряженных частиц. В связи с этим актуальной задачей является поиск оптимальных методов и алгоритмов решения вычислительных задач. 

В работе проведено сравнение описания процесса ускорения Ферми 1 рода путём решения разностных схем (методом Эйлера)  и решения стохастических уравнений методом Монте-Карло. Проводится анализ численного моделирования ускорения частиц на ударных волнах в одномерном и трёхмерном случаях с учётом времени работы кода, объема необходимой памяти, простоты реализации, расширяемости кода и возможности параллелизации. Вычисленные спектры ускоренных частиц (протонов и электронов) позволяют сделать вывод о согласованности исследуемых методов.

Список литературы

  1. Achterberg A., Krulls W. M. A fast simulation method for particle acceleration. AAP, Vol. 265. Pp. L13–L16 1992.;
  2. Axford W. I., Leer E., Skadron G. The acceleration of cosmic rays by shock waves, International Cosmic Ray Conference. Vol. 11. Pp. 132– 137. 1977;
  3. Bell A. R. The acceleration of cosmic rays in shock fronts. I. mnras . Vol. 182. Pp. 147–156. 1978.;
  4. Bell A. R. The acceleration of cosmic rays in shock fronts. II. mnras . Vol. 182. Pp. 443–455. 1978.;
  5. Berezhko E. G., Krymski˘i G. F., REVIEWS OF TOPICAL PROBLEMS: Acceleration of cosmic rays by shock waves, Soviet Physics Uspekhi. Vol. 31., Pp. 27–51. 1988.;
  6. Blandford R. D., Ostriker J. P. Particle acceleration by astrophysical shocks. ApJ, Vol. 221, Pp. L29–L32. 1978.;
  7. Kang H. Energy spectrum of nonthermal electrons accelerated at a plane shock. Journal of the Korean Astronomical Society, vol. 44, no. 2, pp. 49-58, 2011.;
  8. Krymskii G. F. A regular mechanism for the acceleration of charged particles on the front of a shock wave, Akademiia Nauk SSSR Doklady., Vol. 234, Pp. 1306–1308. 1977.;


Образование абсорбционных линий D Na I в спектре RZ Psc

Шульман Сергей Георгиевич1,2, Гринин В. П.1,2, Потравнов И. С.1, Мкртичан Д. Е.3

1ГАО

2СПбГУ

3National Astronomical Research Institute of Thailand

Эл. почта: sgshulman@gmail.com

В спектрах некоторых молодых звёзд и, в частности, RZ Psc наблюдается система узких смещённых в коротковолновую сторону спектра абсорбционных компонент в линиях резонансного дублета натрия. Подобные абсорбционные компоненты наблюдаются и у других спектральных линий. В ходе наблюдений была выявлена быстрая переменность положения абсорбционных компонент в спектре RZ Psc. Условия образование таких абсорбционных компонент до сих пор не ясны и обсуждаются в литературе [1].

В данной работе реализован метод анализа неопределённостей в применении к задаче о резонансном рассеянии в спектральной линии в предположении о небольшой оптической толщине рассеивающей среды, имеющей сложную геометрическую форму. В данном методе проводится дискретизация излучаемых звездой фотонов по направлениям и длинам волн, а также рассеивающего вещества, после чего анализируются траектории движения всех возможных в рамках дискретизации фотонов. Реализованный метод переноса излучения даёт заметный выигрыш по времени вычислений по сравнению с широко используемым методом Монте-Карло.

С использованием описанного выше метода рассматриваются спектры получаемые в рамках двух гипотез о пространственной форме рассеивающего вещества. В основе одной из них лежит предположение о возможном образовании спирали из вещества, выбрасываемого из околозвёздного диска при его взаимодействии с магнитосферой звезды. Другая основана на наличии слабого нестабильного конического ветра.

Проведено сравнение полученных при моделировании спектров с наблюдениями, проведёнными в КрАО, NOT и Таиландской национальной обсерватории. Отмечается согласование части модельных спектров с наблюдаемыми. Обсуждаются возможные причины отсутствия точного соответствия наблюдений с моделями. Полученные результаты используются для анализа возможных направлений дальнейших исследований рассматриваемой редкой спектральной переменности.

Список литературы

  1. Grinin V. P., Potravnov I. S., Ilyin I. V., Shulman S. G., Magnetic Propeller Effect in the Spectra of Young Stars, Astronomy Letters, 41, 407–416, 2015;
  2. Shulman S. G., Interaction of an accretion disk with the magnetosphere of a star: the magnetic propeller effect in the ballistic approximation, Astrophysics, 58, 258–275, 2015;
  3. Shulman S. G., Grinin V. P., Potravnov I. S., Propeller regime of the accretion onto young stars in the ballistic approach, Journal of Physics: Conference Series, 661, 012012, 2015;
  4. Potravnov I.S., Mkrtichian D.E., Grinin V.P., Ilyin I.V., Shakhovskoy D.N., Accretion and outflow activity on the late phases of PMS evolution. The case of RZ Piscium., Astronomy and Astrophysics, in press.;


Влияние теплоизолирующих оболочек на остывание нейтронных звезд

Безногов Михаил Викторович1, Яковлев Д. Г.2, Fortin M.3, Haensel P.3, Zdunik J. L.3

1СПбАУ НОЦ НТ

2ФТИ

3Nicolaus Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences

Эл. почта: mikavb89@gmail.com

Химический состав теплоизолирующих оболочек нейтронных звезд известен плохо. Хотя ранее считалось, что оболочки состоят преимущественно из железа, сейчас известно (см., например, работы [1-4]), что это не так и оболочки могут содержать значительное количество легких элементов (водорода, гелия, углерода). Неопределенность в составе оболочек значительно затрудняет интерпретацию наблюдений нейтронных звезд. Данная работа посвящена изучению влияния состава теплоизолирующих оболочек на тепловую эволюцию нейтронных звезд. Для этого использовались полученные нами ранее зависимости внутренней температуры Tb от поверхностной температуры Ts для теплоизолирующих оболочек звезд, состоящих из бинарных смесей ионов H – He, He – C и C – Fe [5]. Для сравнения рассматривалась стандартная “луковичная” (H + He +C + Fe) модель оболочки [6]. На примере пульсара Вела [7] продемонстрировано, что при известной из наблюдений поверхностной температуре Ts вследствие вариаций химического состава оболочки внутренняя температура Tb может меняться в ~ 2.5 раза, а функция нейтринного охлаждения [8] – примерно в 100 раз. В рамках модели минимального охлаждения [9] удалось наложить достаточно строгие ограничения на возможный состав оболочки пульсара Вела. Кроме того, показано, что наблюдаемые изолированные нейтронные звезды среднего возраста, находящиеся сейчас на стадии фотонного охлаждения, не могли ранее остывать быстрее, чем “стандартные нейтринные свечи” [8].

Список литературы

  1. Potekhin, A. Y., Atmospheres and radiating surfaces of neutron stars, Phys.-Usp., 57, 735, 2014;
  2. Ho, W. C. G., Heinke, C. O., A neutron star with a carbon atmosphere in the Cassiopeia A supernova remnant, Nature, 462, 71, 2009;
  3. Klochkov, D., Pühlhofer, G., Suleimanov, V., Simon, S., Werner, K., Santangelo, A., A non-pulsating neutron star in the supernova remnant HESS J1731-347/G353.6-0.7 with a carbon atmosphere, Astron. Astrophys., 556, 41, 2013;
  4. Blaes, O. M., Blandford, R. D., Madau, P., Yan, L., On the evolution of slowly accreting neutron stars, Astrophys. J., 399, 634, 1992;
  5. Beznogov M. V., Potekhin A. Y., Yakovlev D. G., Diffusive heat blanketing envelopes of neutron stars, MNRAS, 459, 1569, 2016;
  6. Potekhin A. Y., Chabrier G., Yakovlev D. G., Internal temperatures and cooling of neutron stars with accreted envelopes, Astron. Astrophys. 323, 415, 1997;
  7. Pavlov, G. G., Zavlin, V. E., Sanwal, D., Burwitz, V., Garmire, G. P., The X-Ray Spectrum of the Vela Pulsar Resolved with the Chandra X-Ray Observatory, Astrophys. J. Lett., 552, L129, 2001;
  8. Yakovlev, D. G., Ho, W. C. G., Shternin, P. S., Heinke, C. O., Potekhin, A. Y., Cooling rates of neutron stars and the young neutron star in the Cassiopeia A supernova remnant, MNRAS, 411, 1977, 2011;
  9. Page, D., Lattimer, J. M., Prakash, M., Steiner, A. W., Minimal Cooling of Neutron Stars: A New Paradigm, Astrophys. J. Suppl., 155, 623, 2004;


Гравитационный коллапс и свойства белодырных геодезических

Вертоградов Виталий Дмитриевич1

1РГПУ

Эл. почта: vdvertogradov@gmail.com

Как показал Джоши[1], результатом гравитационного коллапса может быть не только черная дыра, но и голая, т.е. не прикрытая кажущимся горизонтом, сингулярность. Конечный результат будет зависеть от изначальных данных. В работе исследуются различные модели гравитационного коллапса сферически-симметричного тела и находятся условия, при которых результатом коллапса будет либо черная дыра либо голая сингулярность. Также исследуется вопрос о том, является ли центральная сингулярность гравитационно сильной. Исследуются непространственно-подобные направленные в будущее геодезические, обрывающиеся в прошлом в сингулярности и рассматривается вопрос о сшивке таких геодезических с белодырными геодезическими в метрике Шварцшильда на границе коллапсирующего тела. Обсуждаются причины возникновения голой сингулярности в результате грав. коллапса.

Список литературы

  1. Joshi S.P., Gravitational Collapse and Spacetime Singularities, Cambridge University Press, p.273, 2007;


Моделирование неустойчивостей в плазме с анизотропным распределением методом Particle-in-Cell

Романский Вадим Игоревич1, Быков А. М.1

1ФТИ

Эл. почта: romanskyvadim@gmail.com

Вопрос о генерации магнитных полей, значительно больших, чем межзвездное поле, очень важен для понимания процессов, происходящих в астрофизической плазме, таких как распространение ударных волн в остатках сверхновых, движение потоков релятивистской плазмы и других. Для адекватного описания этих явлений необходимо изучение магнито-гидродинамических неустойчивостей как аналитически, так и с помощью численного моделирования.

Одним из наиболее эффективных методов исследования процессов в астрофизической бесстолкновительной плазме является метод численного моделирования Particle-in-Cell. Этот метод исходит только из уравнений Максвелла и уравнений движения частиц, и позволяет не использовать модельные приближения. С помощью такого подхода возможно подробное изучение разнообразных магнито-гидродинамических неустойчивостей – определение коэффициентов роста, пределов насыщения и других параметров.

В данном докладе представлены результаты Particle-in-Cell моделирования развития неустойчивостей в магнитной плазме с анизотропным распределением частиц, и с учетом наличия примесей в ионном составе с различными температурами. Проведено исследование влияния параметров плазмы на характер развития неустойчивостей.

Список литературы

  1. Bykov A.M., Brandenburg A., Malkov M.A., Osipov S.M. «Microphysics of Cosmic Ray Driven Plasma Instabilities» Space Science Reviews, Volume 178, Issue 2-4, pp. 201-232 (2013);

  2. Lapenta G., Brackbill J. U., Ricci P. «Kinetic approach to microscopic-macroscopic coupling in space and laboratory plasmas» Physics of Plasmas, Volume 13, 055904 (2006);

  3. Lashmore-Davies C. N., Dendy R. O., Kam K. F. «Electromagnetic ion cyclotron instability driven by a hot minority ion species with temperature anisotropy» Plasma Physics and Controlled Fusion, Volume 35, pp. 1529-1540 (1993);



Глитчи и затухание прецесии в рамках 3-х компонентной модели нейтронной звезды

Краав Кирилл Юрьевич1, Цыган А. И.2, Барсуков Д. П.2,1, Юркин А. Н.1

1СПбПУ

2ФТИ

Эл. почта: kirill-kraav@yandex.ru

  Данная работа посвящена исследованию эволюции угла наклона радиопульсаров и связанному с ним затуханию прецессии. Нейтронная звезда рассматривается в рамках 3-х компонентной модели, то есть предполагается состоящей из трех свободно вращающихся друг относительно друга компонент: коры и двух компонент внутри ядра. При этом вращение компонент полагается твердотельным. Кроме того считается, что одна из ядерных компонент содержит припинингованную сверхтекучую жидкость.

  Оказывается, что решение данной задачи допускает существование глитчеобразных событий у нейтронной звезды, успешно сосуществующих с ее медленной прецессией. Также показано, что в рамках представленной модели случай с малым количеством припингованной сверхтекучей жидкости лучше согласуется с наблюдениями.



Исследование влияния светового давления на астероиды, впоследствии упавшие на Землю

Мартюшева Александра Андреевна1

1ГАО РАН

Эл. почта: alex.mart13@gmail.com

В рамках модельной задачи учета влияния светового давления на орбитальное движение астероидов были вычислены величины отклонений для астероида-метеороида 2008 TC3 и астероида, ставшего впоследствии Челябинским метеоритом. Данные объекты представляют особенный интерес для исследования, поскольку вследствие тесных сближений с Землей их орбиты претерпели существенные изменения, что, в свою очередь, привело к их падению. Вычисления производились для нескольких значений альбедо астероидов, чтобы сравнить величины отклонений. Полученные результаты позволили сделать оценку воздействия светового давления в зависимости от изменения отражательной способности поверхности объектов.



Моделирование медленных баров в анизотропных дисковых системах

Смирнов Антон Александрович1,2, Сотникова Н. Я.1

1СПбГУ

2 ГАО

Эл. почта: zeleniikot@gmail.com

Из данных наблюдений известно, что примерно 50% спиральных галактик имеют характерную вытянутую крупномасштабную структуру, напоминающую ``перемычку''. Эта ``перемычка'' называется баром. Свойства бара зависят от Хаббловского типа подстилающей галактики. Как правило, у ранних типов галактик профиль поверхностной яркости бара плоский, у поздних - экспоненциальный. Обычно бары сильно вытянуты. Например, для Галактики отношение большой полуоси к малой равно примерно 3:1.

Несколько связанных между собой вопросов до сих пор находятся в центре внимания астрономов. Каковы механизмы образования баров? Почему они имею такие характеристики (скорость узора, размер, профиль плотности), которые наблюдаются?

По скорости узора бары разделяют на два вида: ``быстрый'' и ``медленный''. Скорость узора ``медленного'' бара меньше характерных скоростей прецессии орбит звезд диска. Скорость узора ``быстрого'' бара может превышать максимальную скорость прецессии орбит.

Изучению быстрых баров посвящено множество теоретических и численно-экспериментальных работ. Как правило, бары, наблюдаемые в галактиках, это быстрые бары (Селвуд, 2013). Что касается медленных баров, которые могут образовываться в центральных областях звездных дисков, то работ, как теоретических, так и экспериментальных на этот счет практически нет.

В качестве механизма образования медленных баров Линден-Беллом (1979) была предложена неустойчивость радиальных орбит. При определенных условиях вытянутые орбиты в центральных областях галактик можно рассматривать как медленно прецессирующие ``спицы''. Под действием взаимной гравитации такие орбиты начинают ``налипать'' друг на друга, образуя при этом медленный бар.

В данной работе с помощью численного моделирования исследовалось возникновение медленного бара в дисковых звездных системах в сильной анизотропией диска в каждой его точке. В качестве таких систем были рассмотрены обобщенно-политропные модели звездных дисков конечного размера. Ранее подобные модели были рассмотрены в работе Поляченко и Поляченко (1994). Однако, авторами был не учтен эффект возможной численной релаксации моделей, что могли привести их к неверной интерпретации результатов моделирования. В данной работе были оценены времена релаксации для таких моделей и показано, что при любой степени анизотропии орбит такие системы являются неустойчивыми относительно образования бара.

Для исследования механизма образования бара был проведен детальный анализ распределения параметров орбит  в начальном фиксированном потенциале. Оказалось, что в таких системах соблюдаются все условия для возникновения неустойчивости радиальных орбит, сформулированные Ленден-Беллом (1979):  для орбит с эксцентриситетами близкими к единице хорошо выполняется приближение адиабатичности, т. е. характерные скорости прецессии частиц, двигающихся по таким орбитам, много меньше характерной скорости обращения по орбите; для всех частиц частная производная от скорости прецессии по угловому моменту при фиксированном адиабатическом инварианте оказалась больше нуля, что является необходимым условием для ``слипания'' орбит.

В то же время, сравнение скорости узора бара с начальными скоростями прецессии показало, что для некоторых моделей из рассматриваемого семейства наблюдаемая мода оказывается быстрой. Это говорит о том, что, возможно, понятие неустойчивости радиальных орбит гораздо шире, чем предполагалось ранее, и благодаря неустойчивости радиальных могут образовываться и быстрые моды. Аналогичный результат был получен для некоторых терхмерных систем в работах других авторов (Поляченко и Шухман, 2016).

Список литературы

  1. Линден-Белл (D. Lynden-Bell), ``On a mechanism that structures galaxies'', Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 187 , 101-107 (1979);

  2. Поляченко В.Л., Поляченко Е.В., ``Галактический медленный бар как неустойчивая мода звездного диска'', Письма в Астрон. журн., 20, 416-423 (1994);
  3. Поляченко Е.В., Шухман И.Г., ``Об одной классической проблеме в теории неустойчивости радиальных орбит'', Письма в Астон. журн., 42, 100-114 (2016);
  4. Селвуд (J. Sellwood), ``Secular Evolution in Disk Galaxies'', Rev. Mod. Phys., 86 , 1-48 (2014);



Аналитическое описание нейтринных светимостей и теплоёмкостей нейтронных звёзд

Офенгейм Дмитрий Дмитриевич1, Яковлев Д. Г.1, Fortin M.2, Haensel P.2, Zdunik J. L.2

1ФТИ

2N. Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences

Эл. почта: ddofengeim@gmail.com

Один из способов изучения свойств сверхплотного вещества нейтронных звёзд - анализ их нейтринного охлаждения (Yakovlev & Pethick, 2004). Нейтринное охлаждение играет важную роль в объяснении наблюдений по крайней мере остывающих изолированных нейтронных звёзд среднего возраста и старых аккрециркющих нейтронных звёзд в спокойном состоянии рентгеновских транзиентов. Громоздкое численное моделирование этих объектов крайне желательно упростить при помощи удобных аналитических аппроксимаций различных величин (см., например, Yakovlev et al. 2011 и приведённые там ссылки, Ofengeim et al. 2015). В частности, очень полезны аппроксимации интегральных нейтринных светимостей L_\nu и теплоемкостей C нейтронных звёзд. В работе получены аппроксимации L_\nu и C аналитическими функциями массы M и радиуса R нейтронных звёзд. Найденные выражения пригодны для широкого класса уравнений состояния вещества нейтронных звёзд с нуклонными ядрами. При расчёте L_\nu рассмотрены три основных механизма нейтринного охлаждения ядер звезд - прямой и модифицированный урка-процессы в отсутствие сверхтекучести нуклонов в ядре звезды, и тормозное нейтринное излучение при столкновениях нейтронов в случае сильной сверхтекучести протонов. Теплоёмкость C вычислена в двух случаях - отсутствия сверхтекучести и сильной протонной сверхтекучести. Полученные аппроксимации позволяют кардинально упростить анализ остывания изолированных нейтронных звезд среднего возраста и теплового квазиравновесия нейтронных звёзд в составе рентгеновских транзиентов. Это проиллюстрировано применением найденных аппроксимаций для модельно независимого анализа тепловых состояний нейтронных звёзд в рентгеновских транзиентах.

Список литературы

  1. Yakovlev D. G., Pethick C. J., Neutron Star Cooling, Annu. Rev. Astron. Astrophys., 42, 169-210, 2004;
  2. Yakovlev D. G., Ho W. C. G., Shternin P. S., Heinke C. O., Potekhin A. Y., Cooling rates of neutron stars and the young neutron star in the Cassiopeia A supernova remnant, MNRAS, 411, 1977-1988, 2011;
  3. Ofengeim D. D., Kaminker A. D., Klochkov D., Suleimanov V., Yakovlev D. G., Analysing neutron star in HESS J1731–347 from thermal emission and cooling theory, MNRAS, 454, 2668-2676, 2015;


Приливное ускорение частиц в эргосфере керровской черной дыры

Расулова Анна Мурадовна1,2

1РГПУ

2РГПУ

Эл. почта: ARasulova@gmail.com

Структура пространства-времени Керра такова, что вокруг черной дыры, за счет эффекта Лензе-Тирринга,  образуется вращающееся пространство.  Эта область пространства называется эргосферой  и ограничена с одной стороны горизонтом событий черной дыры, с другой - пределом статичности. Любое тело, попав в эргосферу, приобретает угловую составляющую скорости. Т.е.  в простейшем случае в эргосфере 4-скорость тела имеет вид [1]:

u^i=(u^0,0,0,u^3) \eqno(1)

где u^0=(-g_{00}-2\Omega g_{03}-\Omega^2 g_{33})^{-1/2}, \Omega - угловая скорость частицы в эргосфере, g_{ik} - компоненты метрического тензора в пространстве Керра.

В работе рассматриваются две тестовые частицы в эргосфере. Согласно уравнению девиации геодезических [2]:

\frac{d^2 \eta^{i} } { ds^2 } - R^{i}_{jkm} u^{j} \eta^{k} u^{m}=0 (2),

где \eta^i - бесконечно малый вектор отклонения, R_{ijkm} - тензор кривизны, u^{j} - 4-скорость, любые две бесконечно близкие геодезические в искривленном пространстве отклоняются друг от друга, и соответственно, тестовые частицы, находящиеся на них испытывают приливное ускорение.

В исследовании проведен анализ знака компонент вектора девиации (2), который показывает, в каком направлении тело испытывает приливное сжатие, в каком – растяжение.

Так, например, знак полярной и азимутальной компонент вектора девиации зависит от расстояния до предела статичности, углового момента черной дыры, скорости частиц и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. 

 

 

Список литературы

  1. А. Лайтман, В. Пресс, Р. Прайс и С. Тюкольски, Сборник задач по теории относительности и гравитации, Издательство: МИР, 536 с, 1979;
  2. Дж. Синг, Общая теория относительности, Издательство: М., 432 с, 1963;


Низкоэнергетичная ядерная изомерия в астрофизике и космохронологии

Мартынова Наталья Сергеевна 1,2, Филянин П. Е.1

1ПИЯФ

2СПбГУ

Эл. почта: martynova.natali.serg@gmail.com

Продолжен цикл работ по изучению явления ядерной изомерии, акцентированный на более детальном анализе низколежащих изомерных состояний, энергия которых меньше нескольких десятков кэВ. Явление изомерии искуственных нуклидов было открыто во ФТИ в группе И.В. Курчатова и через много лет продолжено в ПИЯФ  с целью изучения их места в ядерной физике и их влияния на различные ядерные и астрофизические процессы. В высокотемпературных звёздных условиях эти низколежащие возбуждённые состояния могут заселяться с немалой вероятностью. Это приводит к открытию новых разрешенных каналов бета-распада с этих равновесно заселённых уровней, что может существенно изменить эффективное время жизни нуклида. Будучи квазистабильным в земных условиях, нуклид может оказаться короткоживущим в звёздных. Мощность  канала разрядки во многом определяется энергией бета-перехода, которая, в свою очередь, зависит от  разности масс соответствующих нуклидов в земных условиях. 

Астрофизический аспект ядерной изомерии получил новый виток развития с применением метода прямого измерения масс нуклидов ионными ловушками, который оказался востребован при определении разности масс (Q-значений распада) ряда «астрофизических» нуклидов, имеющих времена жизни, сравнимые или больше возраста вселенной (например, 187Re, 176Lu, 123Te, 113Cd и др.) [1,2]. Образуемые в астрофизических r- или  s-процессах, эти нуклиды  несут важную информацию о характеристиках самих этих процессов.  

Представленное исследование проводилось в рамках кампании точного измерения Q-значений долгоживущих нуклидов на базе установки SHIPTRAP с помощью ловушек Пеннинга  в немецком научно-исследовательском центре ГСИ (Дармштадт). Для примера в работе показано, как  определялась разность масс двух пар нукдидов 113Cd − 113In и 176Lu − 176Hf. Полученные экспериментальные данные о Q-значениях исследуемых нуклидов подтвердили уже имеющуюся информацию, однако, они являются гораздо более точными, а главное,  надежными и обладают погрешностью в несколько раз меньше той, что была представлена в литературе до настоящего момента.

Измерение Q-значения с помощью ионной ловушки для космохронометра 187Re сняло существовавшую неопределённость в этой величине, вызванную разными методами измерения [1]. Проведён анализ возможного обратного электронного захвата с возбуждённого состояния 187Os, способного существенно изменить эффективное время жизни этих «часов Вселенной».  

Впечатляющей оказалась картина изменения эффективного времени жизни  123Те в высокотемпературных условиях s-процесса. Усиление процесса может достигать четырнадцати порядков величины по сравнению с земными условиями [2].

Список литературы

  1. D. Nesterenko et al. Phys. Rev. C 90 (2014) 042501.;
  2. P.E. Filianin et al. Phys. Lett. B 758 (2016) 407.



Нейтронные звезды с внутренними переменными источниками нагрева

Чайкин Евгений Александрович1, Кауров А. А.2, Каминкер А. Д.3, Яковлев Д. Г.3

1СПбПУ

2Department of Astronomy and Astrophysics, University of Chicago, Chicago IL 60637, USA

3ФТИ

Эл. почта: bowowoda@gmail.com

Выполнено моделирование тепловой эволюции достаточно нагретой нейтронной звезды с переменным во времени слоевым источником нагрева в коре звезды. Сильные эффекты общей теории относительности, а также сложные вариации коэффициентов теплопроводности и температуры внутри нейтронных звезд требуют использования оригинальных программ моделирования тепловой эволюции. Разработана новая программа, использующая адекватные численные методы для рассмотрения сравнительно быстрых изменений теплового состояния звезд. Программа имеет ряд преимуществ при интегрировании на малых временных масштабах, что позволяет исследовать вариации источников с характерными временами порядка сотен и даже десятков дней. В данной работе предположено, что источник в целом квазистационарен, но его нагрев либо ослабляется, либо усиливается в определенные периоды времени. Исследованы вариации теплового излучения звезды, связанные с переменностью источника. Показано, что с поверхности звезды излучается лишь небольшая часть тепловой энергии источника, а остальная часть уносится из звезды потоками нейтрино. Вариации теплового излучения поверхности звезды запаздывают, размываются во времени и ослабляются по сравнению с вариациями источника. Эти эффекты зависят от мощности, размеров и глубины расположения источника. Результаты полезны для интерпретации наблюдений магнитаров и аккрецирующих нейтронных звезд в составе рентгеновских транзиентов. В том числе они могут объяснить немонотонное поведение во времени наблюдаемой светимости ряда компактных объектов, связанных с нейтронными звездами, в период длительного повышения их активности.

Список литературы

  1. Kaminker A. D., Kaurov A. A., Potekhin A. Y., Yakovlev D. G., Thermal emission of neutron stars with internal heaters. MNRAS, 442, 3484-3494, 2014;
  2. Popov S. B., Kaurov A. A., Kaminker A. D., Central compact objects in Kes 79 and RCW 103 as 'Hidden' Magnetars with crustal activity. PASA, 32, e018 7, 2015;


Зависимость рентгеновской поляризации аккрецирующих черных дыр от заряда и момента вращения черной дыры

Белоновский Алексей Владимирович1, Гнедин Ю. Н.2, Дымникова И. Г.3

1СПбАУ НОЦ НТ

2ГАО

3ФТИ

Эл. почта: leha.s92.92@gmail.com

В данной работе изучается влияние заряда и момента вращения черных дыр на поляризацию их излучения. Эти данные в дальнейшем будут использованы при анализе наблюдения рентгеновской поляризации аккрецирующих черных дыр. Радиус последней устойчивой орбиты уменьшается с ростом заряда и момента вращения, что приводит к увеличению магнитного поля в аккреционном диске. Магнитное поле, в свою очередь, влияет на поляризацию рентгеновского излучения. Увеличение значения магнитного поля  приводит к уменьшению поляризации, по сравнению с классической теорией Соболева–Чандрасекара. В работе (1) Представлены оценки величин магнитных полей для ряда активных галактических ядер. Эти оценки выполнены с использованием полученных из наблюдений величин степени линейной поляризации и позиционных углов в широких линиях Hα и в близлежащем непрерывном спектре. Найденные значения магнитных полей на расстояниях, где излучаются широкие линии, позволяют получить оценки величин магнитных полей в области первой от центра стабильной орбиты и на горизонте центральной чёрной дыры.

Список литературы

  1. Силантьев Н.А., Гнедин Ю.Н. и др., Астрофизический бюллетень, 68(1):14–26, 2013.;
  2. Parthapratim Pradhan. arXiv: 1205.5656v3, 2016.;
  3. S. Chandrasekhar, The Mathematical Theory of Black holes, Oxford, Cl;arendon, 1983.;


Моделирование недиссоциативных ударных волн в межзвездной среде: первые результаты

Нестерёнок Александр Владимирович1

1ФТИ

Эл. почта: alex-n10@yandex.ru

В областях межзвездной среды, где магнитное поле достаточно сильное, и степень ионизации вещества не велика, скорость газа может оказаться меньше магнитозвуковой скорости, но выше скорости звука для нейтрального компонента газа. В этом случае имеет место сжатие ионного компонента газа и магнитного поля перед фронтом ударной волны. За счет рассеяния ионов на нейтральных частицах, фронт ударной волны размывается, и параметры нейтрального компонента газа испытывают плавные изменения. Формируется ударная волна С-типа (от слова "continuous"). Данные ударные волны характеризуются интенсивным излучением в молекулярных линиях. В настоящей работе представлены первые результаты моделирования ударных волн этого типа. Построенная модель будет использована для исследования химической эволюции газа в межзвездных облаках, для моделирования излучения молекул, в частности, мазерного излучения.



Разработка контрольно-испытательной аппаратуры для наземной отработки прибора "Геликон-И"

Ковылова Екатерина Григорьевна1

1СПбПУ

Эл. почта: fomalhaut.hm@gmail.com

Установка сцинтилляционного гамма-спектрометра Геликон-И на борту космического аппарата (КА) Интергелиозонд позволит организовать многолетние наблюдения всплесков жесткого рентгеновского излучения Солнца и космических гамма-всплесков в широком энергетическом диапазоне 10 кэВ – 15 МэВ в оптимальных условиях межпланетного пространства.

Необходимым этапом создания аппаратуры спектрометра является отработка ее взаимодействия с бортовыми системами КА. Для этих целей должна быть создана контрольно-испытательная аппаратура (КИА), призванная обеспечить полную имитацию взаимодействия прибора Геликон-И с КА.

В данной работе рассматривается процесс разработки КИА Геликон-И, а также результаты калибровки прибора, произведенной с ее помощью.



Моделирование процессов взаимодействия релятивистского пульсарного ветра с межзвездной средой

Петров Алексей Евгеньевич1, Быков А. М.1

1ФТИ

Эл. почта: a.e.petrov@mail.ioffe.ru

Изучение физических процессов в сильнонеравновесной релятивистской плазме пульсарных ветров представляет большой интерес для астрофизики высоких энергий. Значительные успехи этих исследований связаны с наблюдениями с высоким угловым разрешением таких источников, как Крабовидная туманность и туманность Вела. Эти наблюдения, в частности, позволяют изучать сильно неравновесные процессы, связанные с высокоэффективным преобразованием энергии в пульсарном ветре и проявляющиеся в вариациях интенсивности синхротронного излучения частиц туманности.

Существенный интерес представляет изучение взаимодействия релятивистского пульсарного ветра с межзвездной средой. Частицы плазмы ветра могут проникать в межзвездную среду, двигаясь в крупномасштабных магнитных полях сложной структуры и взаимодействуя с неоднородностями турбулентных магнитных полей в окрестностях ударных волн, обусловленных торможением пульсарного ветра и сверхзвуковым движением пульсара.

Моделирование этих процессов и синхротронного излучения рассматриваемых частиц необходимо для корректной интерпретации данных наблюдений пульсарных туманностей, а также позволяет изучать свойства межзвездной среды. В частности, сопоставление результатов моделирования синхротронного изучения источников с данными наблюдений может дать объяснение происхождения наблюдаемых вблизи туманностей структур, а также ответ об энергетическом распределении частиц ветра. Результаты моделирования могут позволить наложить ограничения на концентрацию частиц межзвездной среды вблизи туманности и на величину и направление индукции локального межзвездного магнитного поля. В данной работе будут представлены результаты моделирования распределения частиц ветра, распространяющихся в межзвездную среду, и их синхротронного излучения, а также сделаны выводы о происхождении некоторых наблюдаемых структур.

Список литературы

  1. Bucciantini N., Review of the theory of pulsar-wind nebulae, Astron. Nachr., Vol. 335, Issue 3, P. 234-239, 2014;
  2. Kargaltsev O., Cerutti B., Lyubarsky Yu. and Striani E., Pulsar-Wind Nebulae. Recent Progress in Observations and Theory, Space Sci. Rev., Vol. 191, Issue 1-4, P. 391-439, 2015;
  3. Olmi B., Del Zanna L., Amato E. and Bucciantini N., Constraints on particle acceleration sites in the Crab nebula from relativistic magnetohydrodynamic simulations, MNRAS, Vol. 449, Issue 3, P. 3149-3159, 2015;
  4. Porth O., Komissarov S. S. and Keppens R., Three-dimensional magnetohydrodynamic simulations of the Crab nebula, MNRAS, Vol. 438, Issue 1, P. 278-306, 2014;


Пулковская цифровая зенитная камера

Мохнаткин Артем Витальевич 1, Воротков М. В.1, Горшков В. Л.1, Девяткин А. В.1, Куприянов В. В.1

1ГАО РАН

Эл. почта: artspace3@mail.ru

Астрономо-геодезичесикие наблюдения позволяют определять уклонение отвеса для заданного пункта в геометрическом смысле, т. е. угол между направлением отвесной линии и нормалью к земному эллипсоиду. Величины уклонений отвеса могут дать представление о локальных аномалиях силы тяжести; необходимы для создания или уточнения региональных систем ортометрических высот (над поверхностью геоида), проверки глобальных гравитационных моделей. Применение астрономических наблюдений для определения уклонений отвесной линии утратило широкое распространение с развитием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и гравиметрии. Однако внедрение ПЗС-приемников и автоматизация наблюдений могут дать толчок к возрождению астрономических наблюдений в интересах физики Земли и геодезии.

Для создания первого рабочего прототипа цифровой зенитной камеры был использован опыт работы нескольких инструментов Пулковской обсерватории. Уклонение отвеса выражается из разностей астрономических и геодезических координат места. Астрономические координаты определяются по наблюдениям звезд в зенитной области неба, а геодезические -- с помощью ГНСС-измерений. Особенностью создаваемого инструмента является конструкция, имеющая малый вес, компактность, обеспечивающая возможность транспортировки в любое заданное место для проведения наблюдений. Оценочная погрешность в определении уклонения отвеса для наблюдений продолжительностью в несколько часов не превышает 0.1 секунды дуги. Подобная точность сопоставима с точностью абсолютных гравиметров, которые тем не менее уступают в дешевизне и простоте транспортировки. В то же время, измерения аномалий силы тяжести с помощью низкоорбитальных спутников на данный момент имеют разрешение около 100 км, что явно недостаточно для решения многих геодезических задач. Таким образом, цифровая зенитная камера может занять свою нишу в региональных задачах по уточнению формы земного геоида, особенно в горных и труднодоступных районах.

Работы по созданию цифровой зенитной камеры ведутся в разных странах, но далеко не все из них дошли до стадии рабочего прототипа, удовлетворяющего заявленной точности. Несмотря на относительную простоту в изготовлении и обслуживании, для эффективной работы данного инструмента требуется создание и тщательная отладка алгоритмов выполнения наблюдений и обработки ПЗС-кадров. 

Список литературы

  1. Hirt C. and Bürki B., The Digital Zenith Camera – A New High-Precision and Economic Astrogeodetic Observation System for Real-Time Measurement of Deflections of the Vertical, 3rd Meeting International Gravity and Geoid Commission of the International Association of Geodesy,Thessaloniki, Greece: Editions Ziti, pp. 161‒166, 2002 ;
  2. Hirt C., Bürki B., Somieski A. et al, Modern determination of vertical deflections using digital zenith cameras, Journal Surveying Engineering 136, pp, 1‒12, 2010;
  3. Halicioglu K., Deniz R., Ozener H., Digital zenith camera system for Astro-Geodetic applications in Turkey, Journal of Geodesy and Geoinformation, Vol.1, Iss.2, pp.115‒120, 2012;
  4. Серапинас Б. Б., Геодезические основы карт, МГУ им. М. В. Ломоносова. Геогр. фак.— Москва: Издательство МГУ, с. 101—120, 2001;


Релятивистская динамика сверхпроводящих вихрей в нейтронных звездах

Доммес Василий Александрович1, Гусаков М. Е.1,2

1ФТИ

2СПбПУ

Эл. почта: vasdommes@gmail.com

Рассматриваются уравнения релятивистской магнитной гидродинамики [1], описывающие сверхтекучее/сверхпроводящее вещество в ядрах нейтронных звёзд. Исследуется выталкивание сверхпроводящих вихрей и магнитного поля из ядра нейтронной звезды при её остывании. Получены оценки на характерные времена выталкивания магнитного поля.

Список литературы

  1. Gusakov M.E., Dommes V.A., Relativistic dynamics of superfluid-superconducting mixtures in the presence of topological defects and the electromagnetic field, with application to neutron stars, arXiv:1607.01629, 2016, submitted to Phys.Rev.D.;


Атомная физика и физика элементарных частиц

Исследование электронной структуры атома франция для поиска эффектов нарушения пространственной и временной инвариантности

Майсон Даниэль Евгеньевич1, Скрипников Л. В.2

1СПбГУ

2ПИЯФ

Эл. почта: daniel.majson@mail.ru

Одним из наиболее перспективных способов проверки Стандартной модели электрослабых взаимодействий и её расширений являются эксперименты по поиску электрического дипольного момента электрона (еЭДМ). Наиболее перспективными в этом направлении являются эксперименты на тяжелых атомах и молекулах, их содержащих. Такого рода системы позволяют, во-первых, рассматривать взаимодействие электрона с внешним полем без необходимости дополнительного удержания, во-вторых, при выполнении некоторых условий, ``эффективное’’ поле, действующее на электрон в такой системе, может значительно превышать приложенное внешнее. Для корректной трактовки результатов эксперимента необходимо значение т.н. коэффициента усиления eЭДМ, получить который можно только теоретически.

В проведенной работе выполнены расчеты коэффициента усиления eЭДМ, молекулярной постоянной усиления магнитного квадрупольного момента ядра, постоянной сверхтонкого расщепления основного и первого возбужденного состояний для атома $^{223}Fr_{87}$. Выполнены как полноэлектроннные расчеты, так и расчеты при помощи метода обобщенного релятивисткого псевдопотенциала. Совпадение результатов со значительной точностью позволяет с уверенностью говорить о высокой степени достоверности расчета. Проводимые на данный момент эксперименты на атомах франция [1] направлены на определение величины eЭДМ., Полученные экспериментальные данные с высокой долей вероятности дадут новое ограничение на величину $d_e$, поскольку для рассматриваемого атома, по полученным данным, коэффициент усиления приблизительно в полтора раза больше аналогичной величины для атома таллия, на котором было получено в 2002 году ограничение $d_e<1.6 \cdot10^{-27} e \cdot cm$ [2]. Это даст возможность  сделать вывод о том, какие из существующих обощений Стандартной Модели могут оказаться истинными. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта президента Российской Федерации  № 7631.2016.2.

Список литературы

  1. Sakemi Y. et al. Search for a permanent EDM using laser cooled radioactive atom //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2011. – Т. 302. – №. 1. – С. 012051.;
  2. Regan B. C. et al. New limit on the electron electric dipole moment //Physical Review Letters. – 2002. – Т. 88. – №. 7. – С. 071805.;


Рождение нейтральных мезонов в Cu+Au столкновениях при энергии 200 ГэВ

Жарко Сергей Вячеславович1,, Бердников Я. А.1,2, Бердников А. Я.1, Котов Д. О.1,2, Радзевич П. В.1, Рябов В. Г.1,2

1СПбПУ

2ПИЯФ

Эл. почта: zharkosergey94@gmail.com

В 2005 году, ряд важных открытий, позволил всем коллаборациям на коллайдере RHIC (БНЛ, США) сделать заявление об обнаружении нового состояния ядерного вещества – сильновзаимодействующей кварк-глюонной плазмы (сКГП), представляющего собой идеальную жидкость с партонными степенями свободы [1].

Первым из открытий стал эффект гашения струй, который заключается в подавлении выходов частиц с большими поперечными импульсами в ядро-ядерных взаимодействиях и объясняется в предположении того, что жёстко рассеянные партоны перед тем, как фрагментировать в адроны, теряют часть свой энергии в плотной ядерной среде, образующейся в конечном состоянии [2]. Открытие большой азимутальной анизотропии на RHIC также стало одним из важнейших сигналов образования плотной партонной материи в ядро-ядерных столкновениях. При достаточно интенсивных взаимодействиях между квантами среды, материя в области взаимодействия ядер может  быть описана в рамках гидродинамических подходов. В этом случае начальная пространственная анизотропия области перекрытия ядер трансформируется в импульсную анизотропию рождающихся частиц. Эллиптические потоки изучаются путём измерения коэффицента v2, который представляет собой второй коэффицент в разложении Фурье углового распределения рождающихся частиц относительно плоскости реакции. Одним из свидетельств наличия коллективного потока на партонном уровне стало обнаружение универсальности масштабирования эллиптического потока v2 с числом валентных кварков в столкновениях ядер золота при энергии 200 ГэВ [3]. На образование сКГП также указывали оценки величины температуры в центральных ядро-ядерных столкновениях, полученные при помощи измерения выходов прямых фотонов и превышающие значение температуры фазового перехода между адронной материей и кварк-глюонной плазмой [4].

В настоящее время исследования на коллайдере RHIC направлены на более глубокое и детальное изучение нового состояния ядерной материи и получения его количественного теоретического описания. Существенный прогресс в данном направлении ожидается при изучении ассиметричных взаимодействий ядер меди и золота (Cu+Au). Принципиальные отличия в геометрии области перекрытия ядер в случаях взаимодействия симметричных и асимметричных тяжелых ядер позволяют провести систематическое изучение эффектов гашения струй и развития коллективного потока, являющихся одними из основных сигнатур образования сКГП.

Измерение выходов нейтральных мезонов (\pi^{0}, \eta) является удобным инструментом для измерения свойств сКГП. Во-первых, нейтральные мезоны обильно рождаются в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях. Их свойства сравнительно легко измерить в условиях большой множественности частиц, рождающихся во взаимодействии ядер. Во-вторых, нейтральные мезоны являются носителем важной информации как о механизмах рождающихся частиц, так и о свойствах ядерной материи в условиях больших плотностей и температур. 

В настоящем докладе представлены результаты измерения инвариантных спектров по поперечному импульсу и факторов ядерной модификации \pi^{0}-мезонов в Cu+Au, Cu+Cu и Au+Au столкновениях при энергии 200 ГэВ в эксперименте PHENIX на коллайдере RHIC. Факторы ядерной модификации, полученные для \pi^{0}-мезонов в центральных Cu+Au взаимодействиях, совпадают с факторами ядерной модификации, полученными ранее в Au+Au и Cu+Cu взаимодействиях при одинаковом числе нуклонов участвующих во взаимодействии Npart, что указывает на отсутствие зависимости коллективных эффектов от размера сталкивающихся ядер и геометрии области их перекрытия. В периферийных Cu+Au столкновениях наблюдается ненулевой избыток выхода \pi^{0}-мезонов, в то время как в периферийных Cu+Cu, Au+Au столковениях наблюдается подавление выходов \pi^{0}-мезонов при том же числе Npart.

Список литературы

  1. Adcox K., Adler S.S., Afanasiev S. et al. Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus–nucleus collisions at RHIC, Nuclear Physics A, Volume 757, Issues 1–2, Pages 184-283, 2005 ;
  2. Adare A., Afanasiev S., Aidala C. et al. Evolution of pi-zero Suppression in Au+Au Collisions from 39 to 200 GeV, Phys. Rev. Lett., 109, 152301, 2012;
  3. Afanasiev S., Aidala C., Ajitanand N.N. et al. Systematic studies of elliptic flow measurements in Au+Au collisions at 200 GeV, Phys. Rev. C, 80, 024909, 2009;
  4. Afanasiev S., Aidala C., Ajitanand N.N. et al. Measurement of Direct Photons in Au+Au Collisions at 200  GeV, Phys. Rev. Lett., 109, 152302, 2012;


Вычисление сверхтонкой магнитной аномалии в спектрах изотопов тяжёлых атомов

Коновалова Елена Александровна1, Козлов М. Г.1,2, Демидов Ю. А.1,2

1ПИЯФ

2СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: lenaakonovalova@gmail.com

С повышением точности измерений ядерных моментов атомов и ионов начинают проявляться такие эффекты как пространственное распределение магнитного момента по объёму ядра (эффект Бора-Вайскопфа). Этот эффект ослабляет магнитное взаимодействие между электронами и ядром и вызывает сверхтонкую магнитную аномалию (СМА). По значениям СМА можно судить о ряде важных параметров ядер: о среднем радиусе распределения в ядре валентных нуклонов, которые определяют величину магнитного момента, об отношении составляющих его спиновой и орбитальной компонент. Эти ядерные параметры являются во многих случаях решающими критериями применимости различных моделей, описывающих структуру атомных ядер.

Для нейтронно-дефицитных ядер вблизи замкнутой протонной оболочки Z = 82 характерно возникновение состояний различной формы (от близкой к сферической до сильно деформированной) при малых энергиях возбуждения. Данный феномен “сосуществования форм” является предметом интенсивного экспериментального и теоретического изучения. На основании экспериментальных данных, полученных на базе синхроциклотрона «Петербургского института ядерной физики», были определены значения параметров сверхтонкой структуры нескольких короткоживущих изотопов золота. Экспериментально может быть получено лишь отношение констант сверхтонкого расщепления изотопов, для перехода к абсолютным величинам требуется привлечение теоретических данных.

В работе выполнен прецезионный расчет низколежащих спектральных линий и констант сверхтонкого расщепления для нейтральных изотопов 197Au, 192Au и 202Au, а также предложен метод вычисления СМА. Эффективный гамильтониан валентного электрона строится либо на основе многочастичной теории возмущений, либо с помощью метода связных кластеров, что позволяет неявно учитывать валентно-остовные корреляции. Точность применяемых методов оценена из сравнения с экспериментально наблюдаемыми спектрами изотопов золота. 



Численное моделирование взаимодействия модифицированного ПЛА-пластика с ионизирующим излучением

Данилова Ирина Борисовна1, Стучебров С. Г.1, Милойчикова И. А.1

1ТПУ

Эл. почта: irisna2809@gmail.com

На сегодняшний день в медицинских центрах для успешной диагностики и лечения онкологических заболеваний применяется широкий спектр ионизирующих излучений [1]. Рентгеновская компьютерная томография является основополагающим источником информации при проведении диагностических процедур, а так же при планировании лучевой терапии. Для высокоточного контроля работы узлов рентгеновского томографа используются дорогостоящие специализированные медицинские томографические фантомы [2]. Кроме этого для проведения радиотерапевтических процедур повсеместно используются гамма-аппараты, линейные и циклические ускорители, генерирующие пучки гамма-излучения и электронов [3]. Современные тенденции обеспечения качества лечения требуют высокоточных методов контроля дозовой нагрузки на очаг злокачественного процесса и окружающие нормальные ткани. Как следствие, на первый план выходит разработка экспериментальных методов планирования подобных медицинских процедур, включающих в себя возможность дозиметрии, позволяющей проводить точную оценку неинвазивным способом.

Поиск новых материалов и методов изготовления более дешевых аналогов, при сохранении точности изготовления и хорошего качества изделий, позволит снизить стоимость тестового оборудования, как следствие, и проведения процедуры медицинского томографического обследования пациентов в целом, а также радиотерапевтических процедур. Для этих целей в работе предложен метод создания фантомов, пригодных для медицинских задач. Однако в первую очередь необходимо провести теоретическую оценку характера взаимодействия разных видов излучения с модифицированным ПЛА-пластиком.

Для решения вышеперечисленных задач необходимо иметь не только способ изготовления тканеэквивалентных материалов, но и метод быстрого создания изделий из них. Таким требованиям отвечают технологии 3D-печати [4]. Решением может стать разработка филаментов (расходных материалов для 3D печати) с заданными индексами Хаунсфилда, соответствующих реальным плотностям тканей и органов, путем добавления в пластиковый филамент примесей. В качестве основы было решено использовать ПЛА-пластик, являющийся одним из самых распространенных материалов для трехмерной печати [5].

В рамках данного исследования был проведен численный анализ характера взаимодействия ионизирующих излучений с модифицированным ПЛА-пластиком. Настоящая работа включает в себя исследование профилей и глубинных распределений дозы пучков электронов, рентгеновского и гамма излучений в ПЛА-пластике с металлическими примесями разной концентрации, их численное моделирование.

Список литературы

  1. Черняев А.П. Ядерно-физические технологии в медицине. Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2012. Т. 43. №. 2;
  2. AAPM СТ комбинированный фантом для компьютерной томографии [Электронный ресурс]: http://www.doza.ru/catalog/CT_phantom/235/;
  3. Климанов В.А. Радиобиологическое и дозиметрическое планирование лучевой и радионуклидной терапии. Часть 1. Радиобиологические основы лучевой терапии. Радиобиологическое и дозиметрическое планирование дистанционной лучевой терапии пучками тормозного и гамма-излучения и электронами. Учебное пособие. НИЯУ МИФИ, Москва, 2011. С 500;
  4. Баева Л.С., Маринин А.А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов. Вестник Мурманского государственного технического университета, 2014. Т. 17. № 1. С. 7-13;
  5. PLA-пластик для печати на 3D-принтерах [Электронный ресурс]: http://3dprofy.ru/pla-plastik-dlya-pechati-na-3d-printerakh/;


Исследование энергетических потерь тяжелых кварков в ядерной среде в процессе глубоконеупрогого рассеяния электронов на ядрах с использованием Монте-Карло генератора HARDPING++

Тянгов Кирилл Дмитриевич1, Бердников Я. А.1,2, Бердников А. Я.1, Ким В. Т.2,1, Суетин Д. П.1,2, Иванов А. Е.1

1СПбПУ

2ПИЯФ

Эл. почта: tiangovk@gmail.com

Понимание процесса распространения кварков в ядерной среде важно для интерпретации данных, полученных в результате лептон-ядерных столкновений.

Для описания таких столкновений коллективом сотрудников СПбПУ и ПИЯФ был разработан программный пакет HARDPING++[1].

Кварки и адроны, образовавшиеся в жестком процессе, могут испытывать мягкие соударения с внутриядерными нуклонами (с малой величиной передачи импульса (|t| ≤ 1 ГэВ2)), что ведет к уширению распределения по поперечному импульсу. Увеличение поперечного импульса кварка, распространяющегося через ядро, представляет собой достаточно сложный процесс, вовлекающий в себя рассеяние кварка, которое сопровождается испусканием глюонов и, как следствие, дополнительными энергетическими потерями кварка в ядерной среде.

При рассмотрении процесса рассеяния лептонов на ядрах с рождением адронов необходимо учитывать эффекты, связанные с мягкими перерассеяниями и энергетическими потерями адронов их составляющих кварков в ядерной среде. Также необходимо учесть длину формирования адронов.

Процесс адронизации выбитого кварка начинается в ядре, ввиду этого, из-за энергетических потерь выбитого кварка в ядерной среде происходит подавление выхода вторичных адронов.

В настоящей работе были учтены эффекты, связанные с мягкими перерассеяниями, длиной формирования адронов и энергетическими потерями партонов после жесткого столкновения в процессе глубоконеупругого рассеяния электронов на ядрах.

В данной работе основное внимание уделяется нейтральным K-мезонам. Энергетические потери K0-мезоны изучаются для того, чтобы понять одинаково ли легкие и тяжелые кварки теряют энергию в ядерной среде.

Экспериментальные данные коллаборации CLAS[2] представлены в виде зависимости фактора ядерной модификации, представляющего собой отношение выхода вторичных адронов на различных ядрах-мишенях C, Fe, Pb к ядру-мишени D, от доли энергии виртуального фотона, унесенной образовавшимся адроном (z) и квадрата поперечного импульса (pt2).

Фактор ядерной модификации RhA дает нам информацию о том, как рождение адронов h в лептон-ядерных столкновениях отличается от рождения с эквивалентным числом лептон-протонных столкновений.

В результате моделирования, c помощью Монте-Карло генератора HARDPING++, были получены отношения множественностей RhA на различных ядрах-мишенях C, Fe, Pb к ядру-мишени D, как функции доли энергии виртуального фотона, унесенной образовавшимся адроном (z) и квадрата поперечного импульса (p t2). Было проведено сравнение с экспериментальными данными коллаборации CLAS и зафиксирована величина энергетических потерь. 

Список литературы

  1. 1) Ya.A. Berdnikov, A.E. Ivanov, V.T. Kim, D.P Suetin, MC generator HARDPING: nuclear effects in hard interactions of leptons and hadrons with nuclei, AIP Conference Proceedings– 2016. Vol. 1701 – art. no – 080005.;
  2. 2) Measurement of the nuclear multiplicity ratio for K0s hadronization at CLAS A. Daniel, K. Hicks, W. K. Brooks, H. Hakobyan, CLAS Collaboration [arXiv:1111.2573 [nucl-ex]].;


Биофизика

Термодинамика перехода проникающего пептида через модельную клеточную мембрану

Свирина Анна Александровна1, Тертеров И. Н.1

1СПбАУ НОЦ НТ

Эл. почта: anyasvirina@gmail.com

Внутриклеточная доставка лекарств является одной из важных проблем современной биомедицины. Многие лекарственные молекулы, нацеленные на внутриклеточные мишени, не способны самостоятельно пересекать клеточную мембрану, что ограничивает их клиническое применение. Одним из перспективных методов решения этой проблемы является внутриклеточный транспорт терапевтических молекул с помощью проникающих пептидов [1]. Для разработки оптимальной стратегии их применения критически важно понимание физического механизма проникновения пептидов внутрь клетки.

Проникающие пептиды могут пересекать мембрану разными путями, однако в основном переход определяется несколькими параметрами, в числе которых важную роль играет вторичная структура пептида и свободная энергия встраивания в липидную мембрану [1]. Многие проникающие пептиды при связывании с мембраной обретают спиральную структуру, которая является энергетически выгодной. С другой стороны, транслокация через мембрану ограничена переходом пептида с поверхности мембраны в липидный бислой. Зная свободную энергию этого перехода, можно определить наиболее вероятный механизм транслокации [2].

Одним из перспективных проникающих пептидов является пептид EB1, эффективность которого в качестве агента для внутриклеточного транспорта была продемонстрирована в статье [3]. Однако механизм проникновения этого пептида через мембрану был предложен только в виде гипотезы, а биофизических исследований его взаимодействия с мембраной ранее проведено не было. Данная работа посвящена изучению термодинамики и механизма перехода пептида EB1 через модельную клеточную мембрану.

Было исследовано взаимодействие пептида с липосомальной моделью клеточной мембраны из незаряженного липида POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine). Изменение вторичной структуры пептида определялось с помощью кругового дихроизма. Было показано, что как и многие проникающие пептиды, EB1 находится только в двух конформациях: случайный клубок в водном растворе и альфа-спираль на поверхности мембраны. В результате экспериментов была построена кривая связывания пептида с модельной мембраной и вычислена свободная энергия его перехода с поверхности мембраны в липидный бислой. Вычисленное значение свободной энергии свидетельствует о том, что для пептида EB1 характерен диффузный механизм перехода через клеточную мембрану.

Список литературы

  1. [1] Bechara, Chérine, and Sandrine Sagan. "Cell-penetrating peptides: 20 years later, where do we stand?."FEBS letters 587.12 (2013): 1693-1702.;
  2. [2] Almeida, Paulo F., and Antje Pokorny. "Mechanisms of antimicrobial, cytolytic, and cell-penetrating peptides: from kinetics to thermodynamics."Biochemistry 48.34 (2009): 8083-8093.;
  3. [3] Lundberg, Pontus, et al. "Delivery of short interfering RNA using endosomolytic cell-penetrating peptides."The FASEB Journal 21.11 (2007): 2664-2671.;


Interaction of indole-papaverine with DNA in solutions with various ionic strength

Travkina Veronika Igorevna1, Moroshkina E.B.1, Osinnikova D.N.1

1Saint Petersburg State University

Эл. почта: chudo-trava@yandex.ru

The study of mechanisms of interaction between biologically active substances and DNA is of great interest. The understanding of these processes plays an important role in the improvement of existing drugs, and may serve as the first step in designing of the new ones.

In the present work, the interaction of DNA with synthetic alkaloid indole-papaverine, which is the isoquinoline derivative having indole substitute in the first position, was studied by spectral, microcalorimetric and hydrodynamic methods at various ionic strengths of the medium. In a solution at neutral pH, DNA is a polyanion with negatively charged phosphate groups of the sugar-phosphate backbone. The considered compound has a positive charge on the isoquinoline chromophore therefore the electrostatic interactions are essential for the ligand-DNA complex formation. Thereby the ionic strength of the medium should have a significant impact on the compound binding to DNA.

It was found that the compound might interact with DNA in various ways depending on the ligand-DNA concentration ratios and the ionic strength of the solution μ. When μ = 0,001 M the compound interacts with DNA in three ways: intercalation, dimer and non-specific aggregation with excess ligand. The affinity of the compound to DNA decreases and the way of monomer binding changes with an increase in μ. 

Isothermal titration calorimetry was conducted using facilities of St. Petersburg State University resource center "Thermogravic calorimetric methods of research".



Изменение кристаллической структуры костного гидроксиапатита под воздействием препаратов различной этимологии

Черкасская Кристина Вилоровна1, Максимова Е. М.1, Наухацкий И. А.1, Шульгин В. Ф.1, Мостовой С. О.1

1КФУ им. В.И. Вернадского

Эл. почта: kristina_cherkasskaya@mail.ru

Интерес исследователей к изучению апатитных соединений и, прежде всего, гидроксиапатита Ca10(PO4)6(OH)2 связан с тем, что он  является кристаллохимическим аналогом минеральной составляющей тканей скелета животных и людей.

В последние годы заметно возросло число обращений в челюстно-лицевые отделения стационаров СНГ пациентов с нетипичными формами воспалительных заболеваний челюстей. При этом основная масса таких пациентов употребляют психотропные препараты суррогатного производства  [1, 2, 3].

Ранее было проведено исследование, связывающее этиологию данного заболевания с действием примесей аминофосфонатной природы. Однако ранее в качестве объекта исследования использовались только бедренные кости [4], что было недостаточно для корректного обоснования патоморфологии данного заболевания.

В данной работе методами растровой электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии изучены изменения кристаллической структуры и морфоструктуры внешней и внутренней поверхности нижних челюстей лабораторных белых крыс при воздействии ненаркотического препарата, моделирующего примеси, образующиеся при синтезе метамфетамина в кустарных условиях.

Установлено, что исследуемый препарат обладает выраженным деструктивным действием на кристаллическую структуру кости, что является одним из важнейших факторов, объясняющих возникновение остеонекрозов нижних челюстей у лиц с наркотической зависимостью.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (базовая часть государственного задания в сфере научной деятельности 2015/701, тема № 3874 «Металлоорганические и биоорганические комплексы и коньюгаты как основа функциональных материалов и лекарственных препаратов нового поколения»).

Список литературы

  1. Маланчук В.А., Бродецкий И.С., Остеомиелит челюстей у больных на фоне наркотической зависимости: учебное пособие, Национальная академия медицинских наук Украины, Национальный медицинский университет имени А. А. Богомольца, К., 252 с., 2013 ;
  2. Медведев Ю., Басин Е., Остеонекрозы костей лицевого скелета у лиц с наркотической зависимостью: клиника, диагностика, принципы лечения, Врач., №2. с.55-60, 2012;
  3. Rustemeye J., Melenberg А., Junker К., Sari-Rieger A., Osteonecrosis of the maxilla related to long-standing methamphetamine abuse: a possible new aspect in the etiology of osteonecrosis of the jaw, Oral and Maxillofacial Surgery,V. 18. Issue 2, P. 237-241, 2014.;
  4. Semen O. Mostovoy, Viktor F. Shul’gin, Elena M. Maksimova, Igor A. Nauhatsky, Elena T. Melucova, Kristina A. Plehanova.Mineralizing process and morphological structure of the femoral bone in rats under influence of aminophosphonates. Journal of Experimental and Integrative Medicine; 4(2): c 1-4, 2014. 


Разработка датчика контроля внутричерепного давления на основе электретного микрофона

Сумовский Александр Сергеевич1,, Андреева А. В.1, Лютецкий Н. А.1

1ИТМО

Эл. почта: aerbium@gmail.com

История изучения синдрома внутричерепной гипертензии (ВЧГ) насчитывает более 200 лет. Синдром ВЧГ является одной из основных проблем в клинической неврологии и нейрохирургии. Основные патологические состояния, такие как внутричерепные объемные процессы, черепномозговая травма, субарахноидальные кровоизлияния, инфекционные менингиты, гидроцефалия, очень часто сопровождаются клиникой синдрома ВЧГ вплоть до необратимых нарушений функций центральной нервной системы. 

ВЧГ является фактором неблагоприятного исхода при травматическом повреждении головного мозга. Прогностическое значение имеет не только выраженность, но и длительность гипертензии. Поскольку уровень и длительность ВЧГ влияет на исход патологического процесса в головном мозге, его контроль и своевременное проведение мероприятий, направленных на нормализацию, приобретают важнейшее значение. Золотым стандартом для оценки и измерения ВЧД считается применение инвазивных методов. Различные типы сенсоров (эпидуральные, интрапаренхиматозные, внутрижелудочковые) используются для мониторинга ВЧД. Однако данные методы ассоциируются с риском кровотечений, инфекции и повреждением вещества мозга. Кроме того, инвазивная оценка ВЧД возможна только в условиях стационара. Все это накладывает определенные ограничения на их широкое использование в практике, поэтому поиск эффективных неинвазивных методов объективной диагностики внутричерепной гипертензии на сегодняшний день остается одной из сложнейших проблем неврологии и нейрохирургии. Проводятся попытки оценки ВЧД с помощью транскраниальной допплерографии, офтальмодинамометрии, папиллометрии, оценки ликвородинамики с помощью магнитно-резонансной томографии и других. 

В данной работе исследован перспективный метод измерения ВЧД – отоакустический. Основанием для использования этого метода, явилась тесная связь периферического отдела слухового и вестибулярного анализатора с внутричерепными структурами. В соответствии с целевым назначением разрабатываемый электретный микрофон, который ляжет в основу датчика, должен обеспечивать высокую чувствительность в частотном диапазоне 20—2000 Гц, малые габариты и вес, малую потребляемую мощность. 

При разработке конструкции корпуса микрофона пришлось решать инженерную задачу по созданию помехозащищенного датчика. Основные пути передачи помех к чувствительному элементу следующие: передача звука (переизлучение) непосредственно через стенку корпуса во внутреннюю полость датчика к чувствительному элементу; улавливание акустических помех поверхностью кабеля датчика с последующей передачей поверхностными волнами во внутреннюю полость датчика; улавливание звука поверхностью тела больного с последующим переизлучением. 

Планируемые характеристики опытного образца: 

рабочая полоса частот 20—2000 Гц; 

чувствительность на частоте 1000 Гц не хуже 10 мВ·Па-1 ; 

мощность потребления согласующим каскадом 5 мВт. 

Список литературы

  1. Ильков А.В. Конструктивно-технологический базис микроэлектромеханических систем для диафрагменных электроакустических преобразователей [Текст] //Москва. – 2007;
  2. Черний В.И. и др. Новые направления коррекции повышенного внутричерепного давления у пациентов с острой церебральной недостаточностью [Текст] //Мед неотл. сост. – 2008. – Т. 3. – С. 58-61;
  3. Телешова Е.Г., Семенова Ж.Б., Капитанов Д.Н. Возможности использования позиционной тимпанометрии в оценке внутричерепного давления у детей с заболевания ЦНС по данным литературы [Текст]/ // НЕЙРОХИРУРГИЯ И НЕВРОЛОГИЯ. – 2014. – С. 19;


Неинвазивный глюкометр на основе биоимпедансной спектрометрии

Карпович Наталья Игоревна1

1ТПУ

Эл. почта: karpovichnatalia88@gmail.com

Введение

На сегодняшний день СД занимает третье место в структуре смертности взрослых людей после сердечно-сосудистых и онкологических болезней [1]. Для предотвращения осложнений, связанных с последствиями сахарного диабета, пациентам необходимо постоянно следить за концентрацией глюкозы в крови. Обычные глюкометры имеют ряд недостатков: процедура достаточно болезненая, пользователь рискует заразиться инфекцией и др. Более быстрой, безопасной и удобной альтернативой обычному методу проверки является неинвазивный глюкометр. К приборам, измеряющим уровень сахара неинвазивными способами,  предъявляются следующие требования: в первую очередь это надежность, дешевизна и простота использования.

Цели и задачи

Целью работы является разработка неинвазивного глюкометра на основе измерения биоимпеданса крови. Поставлены следующие задачи: разработать принципиальную схему прибора, разработать или выбрать оптимальную модель электрода для крепления к месту обследования, провести клинические испытания.

Методы и материалы

Для создания неинвазивных приборов рассматриваются различные физические и физико-химические методы [2]. Однако многие из них не позволяют достичь необходимой точности из-за влияния условий внешней среды и индивидуальных особенностей кожного покрова.  В ходе проделанной работы был разработан неинвазивный глюкометр, использующий метод биоимпедансной спектрометрии. Биомпедансная спектроскопия – это новый метод измерения глюкозы, который основан на измерении импеданса крови при прохождении через нее тока. Из-за схематического решения во время измерения исключаются все паразитные емкости возникающие при контакте электрода с кожей. 

Описание и обсуждение результатов

Для проверки работоспособности прибора была собранна схема, моделирующая сопротивление  тканей [3]. Результаты измерения схемы совпадают с теоретическими данными, что свидетельствует о достаточной точности прибора.

Далее провели  измерения калибровочных кривых для различного уровня глюкозы с помощью глюкометра IME-D и разработанного прибора на основе биоимпенданса. Измерение производились  в диапазоне частот 10 кГц-100 кГц. Из полученных данных можно заключить, что при увеличении уровня глюкозы в крови значения импеданса уменьшается. Затем произвели измерение уровня глюкозы для  2 добровольцев. На основе полученных калибровочных кривых был рассчитан уровень глюкозы. При сравнении с результатами, полученными на глюкометре IME-D, можно говорить о достаточной точности неинвазивного глюкометра на основе биоимпедансной спектрометрии.  

На следующих этапах будут проведены клинические испытания устройства и набрана статистика. После этого прибор может найти широкое применение в повседневной жизни пациентов, страдающих сахарным диабетом, чтобы контролировать уровень глюкозы в крови и исключить риск осложнений. Также прибор может быть использован в медицинских учреждениях в качестве замены лабораторных анализаторов крови при проведении операций, когда требуются частые и быстрые измерения уровня глюкозы в крови.

Список литературы

  1. Ахманов М., Чайковский И., Неинвазивный глюкометр: обзор проблемы, Диабет. Образ жизни, № 2, 2013 ;
  2. Tara A., Maran A., Pacini G., Non-invasive glucose monitoring: Assessment of technologies and devices according to quantitative criteria, Diabetes Research and Clinical Practice, pp. 16-40, 2007;
  3. Кореневский Н.А., Попечителев Е.П., Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий: Монография, Курская городская типография, 1999;


Выделение ДНК под воздействием физических полей различной природы

Петров Дмитрий Григорьевич1, Петрова А. В. 2,, Малышин С. Н.1, Антифеев И. Е.1, Макарова Е. Д.1

1ИАП РАН

2СПбПУ

Эл. почта: dimoon88@mail.ru

В настоящее время, применение для твердофазной экстракции нуклеиновых кислот (НК), некоторых вспомогательных полей, таких как: магнитное постоянное и переменное, температурное, привело к существенному увеличению скорости процесса и повышению его надёжности [1].

Известно, что начальные скорости адсорбции ДНК на различных гидрофобных и гидрофильных поверхностях контролируются процессами диффузии [2]. Поэтому для повышения эффективности выделения и концентрирования ДНК может быть использовано не только изменение температуры, но и эффекты, возникающие при действии ультразвука. Уникальной особенностью ультразвуковых полей является возникновение в озвучиваемых средах множества физических и химических эффектов, которые могут применяться с различными целями [3,4].

В предлагаемой работе была исследована эффективность выделения ДНК на магнитных частицах под воздействием полей различной природы. Показано, что зависимость эффективности извлечения ДНК от изменения температуры  во время сорбции в широком диапазоне (от 20оС до 90оС), не носит линейный характер, а максимум эффективности наблюдается при температуре близкой к 70 оС [5].

Зависимость эффективности выхода ДНК из модельных проб при комнатной температуре, под воздействием ультразвука мегагерцового диапазона в диапазоне мощностей от 1,2 – 3,0 Вт/см2, также не носит линейный характер, максимум эффективности находиться в районе 2,2 Вт/см2.

Для корректного сравнения влияния температурного и ультразвукового воздействий на эффективность выделения ДНК использовали одинаковое время воздействия - одну минуту, во время стадии сорбции ДНК на магнитных частицах. За основу была взята методика выделения ДНК с применением силикатных сорбентов [6].

По результатам проведённых исследований показано, что ультразвуковое воздействие позволяет заменить температурное без потери эффективности выхода ДНК. Также показано, что воздействие ультразвука мегагерцового диапазона в течении одной минуты не приводит к разрушению целостности плазмидной ДНК (плазмида микобактерий m.tuberculesis) во всём диапазоне используемых мощностей. В свою очередь, более длительное воздействие (более 5 минут) на ДНК в форме плазмиды, мегагерцового ультразвука может привести к разрушению целостности кольцевой структуры. 

Список литературы

  1. Д. В. Капустин, А. И. Простякова, Я. И. Алексеев, Д. А. Варламов, В. П. Зубов, С. К. Завриев. Высокоэффективный метод одностадийного выделения ДНК ддля ПЦР-диагностики Mycobacterium tuberculosis. ACTA NATURE. ТОМ 6. №2. 2014. С52-57.;

  2. Chattoraj D.K., Mitra A. Adsorption of DNA at solid-water interfaces and DNA-surfactant binding interaction in aqueous media // Current Science. 2009. V. 97, # 10. P. 1430;
  3. Князьков Н.Н., Курочкин В.Е., Макарова Е.Д. и др. Аналитические и препаративные системы на основе ультразвуковых полей // Материалы Четвертого съезда Общества биотехнологов России им. ЮА Овчинникова: Пущино, 6-7 декабря 2006 г. / Под ред. РГ Василова, - М.: МАКС Пресс, 2006, с. 104-106.;
  4. Luque de Castro M.D., Priego Capote F. Analytical Applications of Ultrasound. Elsevier. 2007. 350 p.;

  5. Д.Г. Петров, Е. Д. Макарова, Н. А. Корнева, А. С. Альдекеева, Н. Н. Князьков. Воздействие полей разной природы на выход ДНК из модельных растворов на двуокиси кремния. 1. Влияние температуры. Научное приборостроение, 2015, том 25 №2.;

  6. Breadmore M.C., Wolfe K.A., Arcibal I.G., et al. Microchip-Based Purification of DNA from Biological Samples // Anal. Chem. 2003. V. 75. P. 1880–1886;



Исследование влияния дипептидов на конформационную динамику ДНК

Дмитриев Артем Владимирович1,2, Федосеев А.И1, Захаров Г.А3, Журавлев А.В3, Медведева А.В3, Савватеева-Попова Е. В.3, Лушников С. Г.1, Хавинсон В.Х4

1ФТИ

2СПбГУ

3ИФ им. Павлова РАН

4Санкт-Петербургский институт биорегуляции и геронтологии

Эл. почта: art41090@gmail.com

Последние исследования показали, что множество клеточных процессов, таких как транскрипция, репарация, репликация, связаны с локальными изменениями структуры ДНК [1] и как следствие, с развитием нейродегеративых заболеваний (НДЗ). Поэтому, на сегодняшний день одной из актуальных проблем биофизики становится изучение динамики структурных изменений (конформационной динамики) ДНК, и факторов, влияющих на неё. Пептидная терапия, в основе которой лежит возможность сайт-специфичного связывания дипептида с ДНК [2], влияющего на экспрессию генов, является одним из перспективных методов лечения и профилактики НДЗ. А изучение конформационной динамики ДНК позволит понять механизмы взаимодействия ДНК с дипептидами.  В качестве основного метода, позволяющего изучить динамику биополимеров, в данной работе использовался метод мандельштам-бриллюэновского рассеяния (МБР) света, который с успехом применялся при изучении низкочастотной динамики таких объектов как ДНК [3] и пептидов [4]. В дополнение, был использован анализ плавления ДНК с высоким разрешением (HRMA), который позволяет определить температуры плавления нуклеиновых кислот.

Целью данной работы являлось исследование влияния дипептида АД7[4] на низкочастотную динамику молекулы ДНК, выделенной из мух вида Drosophila melanogaster, с помощью МБР света. В качестве объекта исследования была выбрана последовательность ДНК мутантной линии  – agnostic (agnts3), характеризующаяся резкими нарушениями обучения и памяти, что соответствует основным симптомам НДЗ [3]. Мутантная линия отличается от дикой наличием АТ богатой вставки в 28 п.н. В измерениях использовали раствор ДНК в натрий-фосфатном буфере (pH = 7,5), полученной посредством полимеразной цепной реакции, с концентрацией ДНК 500 мкг/мл и концентрацией пептида АД7 0,5 мкг/мл. Рассеянный свет анализировался с помощью трехпроходного, пьезосканируемого интерферометра Фабри-Перо в 1800 геометрии рассеяния. Источником света служил аргоновый лазер с длинной волны λ = 488 нм. HRMA проводился с использованием системы ПЦР реального времени StepOnePlus производства Applied Biosystems.

Были получены температурные зависимости сдвига, интенсивностей и полуширины на полувысоте дублетов МБР света и интенсивностей компонент упругого рассеяния в растворах в диапазоне температур от 303 до 363 К. Было показано, что низкочастотная динамика ДНК в присутствии АД7 менялась существенным образом.Сочетание двух методов HRMA и МБР позволило описать влияние коротких пептидов на конформационную динамику ДНК. Полученные нами результаты хорошо согласуются с данными нейро-генетических исследований поведения мух вида Drosophila melanogaster мутантной линии  agnts3 , показавших восстановление краткосрочной и долговременной памяти при добавлении в питательную среду дипептида АД7.

 

Список литературы

  1. Brazda V., et.al.,Cruciform structures are a common DNA feature important for regulating biological processes, BMC MolBiol, 12, 2011 ;
  2. Л.И. Федореева, Т.А. Смирнова, Г.Я. Коломийцева, В.Х. Хавинсон, Б.Ф. Ванюшин, Взаимодействие коротких пептидов с FTIC-мечеными гистонами пшеницы и их комплексами с дезоксирибоолигонуклеотидами, БИОХИМИЯ,78(2), 230 ,2013;
  3. Lushnikov S.G., Dmitriev A.V., Fedoseev A.I. et.al., Low-frequency dynamics of DNA in Brillouin light scattering spectra, Pis’ma v ZhETF, 98(11), 830, 2013;
  4. Vashchenkov V.E., Fedoseev A.I., Petukhov M.G., et.al., Study of low-frequency dynamics of short peptides by Brillouin light scattering and Monte-Carlo global energy minimization, Journal of Physics: Conference Series, 572, 012015, 2014;


Разработка и изготовление экспериментальной установки для измерения электрического мембранного потенциала клеток методом сахарозного моста

Южаков Александр Дмитриевич

1ТПУ

Эл. почта: alx-142@yandex.ru

Постановка проблемы

Изучение работы различных  клеток организма является крайне важным аспектом в исследовании любой ткани и организма в целом, так как именно действия клеток лежат в основе подавляющего большинства ответных реакций биологической системы. Однако, исследования на клеточном уровне крайне сложны в связи с малыми размерами объектов и относительно небольшим временем протекания реакций.  

Метод сахарозного мостика является внеклеточным способом регистрации параметров потенциала действия. Использование изолирующих межклеточных участков сахарозных протоков позволяет ограничить внеклеточное шунтирование и достаточно уверенно регистрировать параметры биопотенциалов. Основные преимущества метода обуславливаются тем, что экспериментатор работает не с отдельной клеткой, а с фрагментом ткани, например, с нервным или мышечным волокном. Это значительно упрощает проведение экспериментов, а так же снижает стоимость оборудования, так как нет необходимости в применении микроэлектродов или микропипеток.

На сегодняшний день установки подобного типа серийно не выпускаются. Аналогичные аппараты можно заказать за рубежом, однако они имеют крайне высокую стоимость, не позволяют получить данные о сократительной активности исследуемого препарата и ориентированы на работу с нервными тканями.

 Цель работы:

Основная задача -  изготовить установку для измерения электрического потенциала клеточных мембран, основываясь на методе двойного сахарозного моста, с возможностью измерения сократительного усилия при исследовании мышечной ткани. Для этого необходимо провести обзор литературы по выбранной тематике, установить ключевые технические требования к установке, разработать конструкцию установки, техническую документацию, изготовить элементы установки, произвести сборку и отладку.  

Базовые положения

Разрабатываемая установка будет использована не только при проведении исследований, но и в образовательных целях. Предполагается подготовка серии лабораторных работ для студентов медицинских ВУЗов.  

Конструкция разрабатываемой установки упростит подготовку к проведению экспериментов, а так же расширит возможности исследователя, позволив изучать корреляции между электрической  и  сократительной активностями тканей. Одним из важных требований является обеспечение высокой надежности и ремонтопригодности установки.

Основные технические требования к установке:

1)  Возможность регистрации электрических потенциалов с точностью до 10-6 Вольт с  временным разрешением порядка  10-4 секунд. 

2)  Поддержание заданной температуры растворов с точностью до 0.1 градуса Цельсия. 

3)  Обеспечение надёжной фиксации препаратов длиной от 30 мм до 60мм и диаметром менее 4 мм, с круглым, сферическим или плоским сечением.

4)  Регистрация сократительной активности с точностью до 10-3 Н с  временным разрешением порядка  10-4 секунд.

Результаты работы

В рамках выполнения научно-исследовательской работы была изучена литература по выбранной тематике, определены основные технические проблемы.

Было разработано уникальное конструкционное решение при создании рабочей секции установки, изготовлена и протестирована масштабная модель.

Создана трехмерная компьютерная модель установки, которая будет использована для изготовления компонентов методом трехмерной печати.

На конец сентября 2016 года запланирована предварительная сборка экспериментальной установки для проведения серии экспериментов с целью выявления неисправностей и дефектов.  На основании данных, полученных в ходе испытаний,  будут внесены доработки в конструкцию установки.

По завершению разработки, созданная установка будет передана СибГМУ с целью обучения студентов по медицинским и биологическим направлениям, а так же проведения научных исследований, а установки данной конструкции будут выпускаться  для высших учебных заведений и научных институтов. 

Данные, полученные при исследовании процессов, происходящих на клеточном уровне крайне важны при разработке лекарственных препаратов для оценки их эффективности.

Список литературы

  1. Velumian A.A., Wan Y., Samoilova M., Fehlings M.G., Contribution of fast and slow conducting myelinated axons to single-peak compound action potentials in rat spinal cord white matter preparations, J Neurophysiol. 2011 Feb;105(2):929-41. doi: 10.1152/jn.00435.2010. Epub 2010 Dec 8.;
  2. Костюк П.Г., Гродзинский Д.М. Шуба М.Ф. Биофизика, Киев, издательство «Выща Школа» 1988г.;
  3. Ефимов И.Р. Прогресс в изучении механизмов электрической стимуляции сердца, Москва, ВА-N28, 2002г. ;
  4. J.Malmivuo, R.Plonsey. Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, Oxford. 1995 г.;
  5. Рубин А.Б., Современные методы биофизических исследований. Москва, 2004 г.;
  6. Баскаков М.Б. Капилевич Л.В. Лекции по биофизике. Томск, издательство СибГМУ, 2009 г.;


Особенности люминесцентной спектроскопии при изучении зеленых листьев растений

Кудряшова Ирина Сергеевна1, Ляпищев В. А.1, Глинушкин А. П.2, Рудь В. Ю.3, Рудь Ю. В.1, Шпунт В. Х.3

1СПбПУ

2ВНИИФ

3ФТИ

Эл. почта: Kudr.Ira.96@yandex.ru

Бурное развитие биологических и сельскохозяйственных наук, которое вызвано необходимостью находить продовольствие для увеличивающегося население планеты, диктует важность углубленного изучения устройства и функционирования живых систем. Знания этих вопросов позволяет улучшить ситуацию с селекцией растений, развитием устойчивого сельского хозяйства, повышения комфортности жизни человечества. В этой связи возрастает необходимость использования в исследованиях хорошо зарекомендовавших себя в других научных вопросах методы и экспериментальные методики. В последнее время наблюдается расширение применения методов исследования различных характеристик оптических свойств растений.

При всем при этом практически неизвестны эксперименты, в которых зеленые растительные объекты исследовались бы как обычные твердотельные полупроводниковые образцы. При этом анализ результатов можно проводить исходя из установленных для твердотельных объектов представлений и получить новую информацию об растительных объектах. Именно поэтому применение хорошо развитой в применении к физике твердого тела методики исследования фотолюминесценции [1] для изучения живых зеленых растений видится нам целиком инновационным и перспективно востребованным [2, 3, 4, 5].

Исследование фотолюминесценции было проведено нами на зеленых листьях Allium Sativum L., а также зеленых листьях и лепестках Calendula officinalis L. Источником возбуждения фотолюминесценции в эксперименте было излучение аргонового лазера ILA-120-1 Carl Zeiss c энергиями возбуждения hwexc = 2,1; 2,50; 2,54; 2,6; 2,71 эВ. Для каждой из вышеуказанных энергий плотность мощности составляла 50-100 мВт/см2. Излучение фотолюминесценции далее поступало на монохроматор МДР-3 с решеткой 600 штрихов /мм и детектировалось фотоэлектронным умножителем. Спектральное разрешение экспериментальной установки было не хуже 1 мэВ. Все исследования были проведены при температуре Т=300 К.

Эксперимент обнаружил, что зеленые листья при их возбуждении излучением с энергиями возбуждения указанными выше, показывают яркую фотолюминесценцию красного цвета.

Спектры фотолюминесценции для зеленых листьев во всех случаях представляют собой две близкорасположенные полосы. Важно отметить, что энергии обоих полос для различных типов растений практически не отличались друг от друга.

Изучение спектров фотолюминесценции живых листьев ( находящихся в составе живого растения) показало, что спектральный контур люминесценции нечувствителен к энергии возбуждающих фотонов. При этом интенсивность излучения во всех случаях находилось в прямопропорциональной зависимости от интенсивности излучения.

Изучены временные закономерности интенсивности фотолюминесценции для зеленых листьев, находящихся в составе растения.

Выяснилось, что такая зависимость имеет две стадии. Первая стадия соответствует понижению интенсивности в течение 30-40 секунд после включения возбуждающего излучения. После достижения своего минимума фотолюминесценция начинает возрастать, достигая своего равновесного состояния.

Установлено, что наблюдаемая стадия восстановления люминесценции свидетельствует о своеобразной мобилизации жизненных ресурсов растения, чтобы подавить падение интенсивности фотолюминесценции, с последующим возрастанием интенсивности фотолюминесценции при непрерывном освещении возбуждающим лазерным излучением.

Изученные закономерности позволяют с точки зрения сформировавшихся методов экспериментальной физики раскрыть природу живых объектов, которые могут расширить аппаратный набор экспериментальных методик контроля качества, резистентности и воспроизводимости растений, а также повысить эффективность сельского хозяйства.

Список литературы

  1. Рудь В. Ю., Фотоплеохроизм алмазоподобных полупроводников и поляриметрические структуры на их основе, диссертация на соискание степени доктора физико-математических наук Ульяновск, УлГУ, 374 c, 2005 ;
  2. Самойлов В.О., Медицинская биофизика, СПб, 479 с, 2004;
  3. Пряхина Ю.Ю., Картабаева Б.Б., Сидорова О.П., Глинушкин А.П., Элементы инновации в производстве земляники, Russian Agricultural Science Review, Т. 6. № 6-2, с.29-33, 2015.;
  4. Суров Н.В., Биктеева Р.Ш., Рагулин В.С., Глинушкин А.П., Дускаев Г.К., Биотика. Влияние норм расхода препарата на развитие болезней и реализацию продуктивного потенциала тыквы, Т. 3. № 2, с.15-23, 2015;
  5. Глинушкин А.П., Возможности реализации потенциальной продуктивности растений, Владикавказ, с. 222-225, 2014;


Численное моделирование кристаллизации белка при контрдиффузии

Соколовский Андрей Сергеевич1, Трушин Ю. В.1, Лубов М. Н.1, Елисеев И. Е.1, Юденко А. Н.1, Дубина М. В.1

1СПбАУ РАН

Эл. почта: patronplay@gmail.com

Знание пространственной структуры макромолекулы – это ключ к пониманию её функций и свойств. Структурные исследования белков позволяют выявить молекулярные механизмы биологических процессов и рационально конструировать новые лекарства. Одним из основных методов получения структурной информации высокого разрешения на сегодняшний день является макромолекулярная кристаллография. Центральной проблемой любого кристаллографического исследования является поиск условий кристаллизации заданного белка.

Одним из наиболее перспективных подходов к кристаллизации белков является т.н. метод контрдиффузии, в котором встречная диффузия молекул белка и осадителя в длинном капилляре создает градиент пересыщения, инициируя нуклеацию и рост кристаллов.   Данная работа посвящена построению численной модели, описывающей процессы нуклеации и роста кристаллов белка при кристаллизации методом контрдиффузии. Главной особенностью задачи является невозможность использования уравнения Фоккера-Планка для функции распределения (как в большинстве задач по кристаллизации), из-за малого количества кристаллов, наблюдаемых в эксперименте (~100 штук). Ключевым параметром численной модели является растворимость белка. Известно, что растворимость зависит нелинейно от температуры, концентрации осадителя, pH и концентрации буферного раствора [1]. В данной работе для предсказания поведения растворимости белка в зависимости от различных параметров была использована нейронная сеть с методом обратного распространения ошибки [2].

Построенная численная модель с хорошей точностью описывает процессы нуклеации и роста кристаллов белка на протяжении длительного времени, что подтверждается серией экспериментов. Данная численная модель может быть использована для предсказания оптимальных условий кристаллизации различных белков в методе контрдиффузии.

Список литературы

  1. Howard, S. B.; Twigg, P. J.; Baird, J. K.; Meehan, E. J. The solubility of hen egg-white lysoyzme. Journal of Crystal Growth, 90, 94-104, 1988;
  2. Zhang X., Zhang S., He X. Prediction of solubility of lysozyme in lysozyme–NaCl–H2O system with artificial neural network, Journal of Crystal Growth, 264, 409–416, 2004;


Микрофлюидные чипы с механическими ловушками для исследования гетерогенности клеточного цикла

Букатин Антон Сергеевич1, Малышев Е. И.1, Белоусов К. И.2, Евстрапов А. А.3, Дубина М. В.1

1СПбАУ РАН

2ИТМО

3ИАП РАН

Эл. почта: antbuk.fiztek@gmail.com

Дискретность природы молекулярных сигналов в клетках приводит к возникновению внутриклеточного шума и вызывает гетерогенность в клеточной популяции [1]. Для выявления особенностей развития гетерогенности требуется анализ жизнедеятельности клеток на индивидуальном уровне. К параметрам, характеризующим метаболизм клеток, относятся длительность клеточного цикла, уровень экспрессии генов, мембранный потенциал и др.

 Основным методом изучения параметров индивидуальных клеток является проточная цитометрия (FACS - fluorescence-activated cell sorting). Однако она не позволяет проводить длительные наблюдения за одиночными клетками, которые необходимы для получения динамики отклика клеток на внешнее воздействие, например, ввод биоактивного вещества. Для решения такой  задачи могут использоваться микрофлюидные устройства, обеспечивающие прецизионное управление течением жидкостей, перемещение микрообъектов и их фиксацию в заданной области реакционной камеры.

Фиксация индивидуальных клеток в микрофлюидных устройствах осуществляется за счет их взаимодействия с механическими микроструктурами – ловушками или с электрическими, магнитными полями или оптическим излучением [2]. С целью минимизации воздействия ловушек на метаболизм клеток были разработаны микрофлюидные устройства с массивами U -  образных механических ловушек для фиксации индивидуальных клеток млекопитающих [3].

Конструкция микрочипа и расположение ловушек в рабочей камере были оптимизированы с помощью методов численного моделирования с целью повышения вероятности фиксации одиночных клеток. При помощи двух дополнительных микроканалов, введенных в конструкцию ловушки, обеспечивается эффективный отвод метаболитов от клеток, а также осуществляется регулирование силы, прижимающей клетки к стенкам ловушки при изменении скорости течения жидкости в микрочипе.

Изготовление микрофлюидных устройств осуществлялось из полидиметилсилоксана (ПДМС) при помощи технологии “мягкая” литография (soft lithography), которая заключается в отливке ПДМС реплики по кремниевой мастер-форме с нанесенным на нее рельефом микроканалов из резиста SU – 8 [4]. С помощью этой технологии возможно изготовление  микроструктур в микрофлюидных устройствах с отношением высоты к ширине 10 – 25, что позволило изготовить U – образные ловушки с дополнительными микроканалами шириной 5 мкм для фиксации клеток диаметром 15 – 25 мкм.

Изучение процесса фиксации клеток в механических ловушках было проведено с применением полимерных микрочастиц, меченых флуоресцеином, и с помощью клеток хронического миелоидного лейкоза человека K562. Было показано, что вероятность фиксации клеток уменьшается при уменьшении расстояния между ловушками при заданной скорости движения потока с пробой.

Культивирование индивидуальных клеток в ловушках осуществлялось на протяжении 24 – 72 часов. Регистрация актов деления клеток проводилась методом оптической микроскопии, для визуализации живых и мертвых клеток в питательную среду RPMI был добавлен иодистый пропидий в концентрации 10 мкл/мл. В ходе экспериментальных исследований исследовалось деление клеток К562 в реакционных камерах объемом 3, 60 и 300 нл, была определена длительность клеточного цикла и показана его зависимость от объема камеры и скорости течения питательной среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 26 16-38-00813\16.

Список литературы

  1. Rao C.V., Wolf D. M., Arkin A. Control, exploitation and tolerance of intracellular noise, Nature, vol. 420, p. 231 – 237, 2002;
  2. Lindstrom S., Andersson-Svahn H. Overview of single-cell analyses: microdevices and applications, Lab Chip, 10, 3363–3372, 2010;
  3. Кухтевич И.В., Белоусов К.И., Букатин А.С., Дубина М.В., Евстрапов А.А. Микрофлюидный чип с гидродинамическими ловушками для микроскопических исследований одиночных клеток in vitro, Письма в ЖТФ, том 41, вып. 5, с. 103-110, 2015;
  4. Букатин А.С., Мухин И.С., Малышев Е.И., Кухтевич И.В., Евстрапов А.А., Дубина М.В. Особенности формирования микроструктур с высоким аспектным соотношением при изготовлении полимерных микрофлюидных чипов для исследования единичных живых клеток in vitro, ЖТФ, том 86, вып. 10, с. 125 – 130, 2016;


PMF calculations for partitioning a DNA molecule into a phospholipid bilayer. Structural and dynamic analyze of DNA-lipid complex

Antipina Aleksandra Yur'evna1, Gurtovenko A. A.1,2

1St. Petersburg State University

2Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Sciences

Эл. почта: aaju@yandex.ru

Attachment of DNA molecule to zwitterionic phospholipid bilayer is one of the most modern technic in investigations of numerous biological processes. There are many experimental efforts demonstrating that DNA molecule does not bind with zwitterionic phospholipid bilayer in usual conditions. In this study we calculated potential of mean force (PMF) profile for partitioning a DNA molecule into a phospholipid bilayer, which represents absence of energetic premise for DNA attraction to a lipid membrane and gives clear justifications to previous vain experimental attempts. It is known divalent cations are often used as anchors for binding DNA with lipid bilayer surface by means of electrostatic interactions. Really, our molecular dynamics simulations confirm that the corresponding PMF profile for partitioning DNA into a lipid bilayer with adsorbed Ca ions is characterized by a deep minimum. In addition we analyze dynamic of DNA adsorption on a lipid bilayer with pre-adsorbed calcium and also detailed structure of formed DNA-lipid complex. In the end we observed, that in addition to divalent cations DNA molecule also makes influence on mobility of lipids: diffusion coefficient decreases with adsorption DNA to lipid membrane with pre-adsorbed calcium. Our results can serve as a basis in technic of DNA anchoring to the cell-like lipid membrane by means of electrostatic interactions and can be a guide in liposome-based gene-delivery area.

The authors wish to acknowledge the use of the Lomonosov supercomputer at the Moscow State University and the computer cluster of the Institute of Macromolecular Compounds RAS. This work was partly supported by the Presidium of the Russian Academy of Sciences through the grant program “Molecular and Cellular Biology” and also by the Russian Foundation of Basic Research through Grant No. 16-33-00167.



Strong temperature sensitivity of the ligand activated ion channels: ryanodine receptor case

Iaparov B.I.1, Moskvin A.S.1

1Ural Federal University

Эл. почта: bogdan.iaparov@urfu.ru

Temperature influences all biochemical processes and excitation-contraction coupling (ECC) in cardiac cells is not a special case. Experiments [1] show, that hypothermia increases action potential duration, intracellular Ca2+ transients and muscle contraction amplitude. Key elements of ECC are ryanodine receptors (RyRs) which govern the Ca2+ release from sarcoplasmic reticulum (SR), intracellular calcium storage. Abnormal RyR gating leads to cardiac arrhythmias and heart failure[2], that’s why understanding the RyR gating is mandatory in order to understand the excitation-contraction coupling .

According to single channel patch clamp experiments [3], RyR gating changes significantly with temperature. Low temperatures (5 oC) are characterized by longer openings (<topen> ~ 50 ms) with smaller ion current amplitude (~2 pA) while high temperatures (23 oC) are characterized by shorter openings (<topen> ~ 2 ms) with higher ion current amplitude(~4 pA). From the viewpoint of the condensed matter physics it seems to be absolutely inexplicable how the ∼6 % change in absolute temperature can produce manyfold effect in the channel activity. How can the temperature sensitivity of the RyR gating be so high?

We address a simple physically clear electron-conformational model [4] to describe the RyR gating. The model starts with the RyR energy depending on its electronic and conformational state. The RyR dynamics includes fast electronic transitions triggered by intracellular Ca2+, tunneling effects between electronic states and slow conformational Langevin dynamics which does not obey the fluctuation-dissipation theorem and implies both internal or non-solvent friction(caused by interaction between RyR residues and interaction of RyR with membrane) [5] and conventional thermal fluctuation forces. We argue that a synergetic effect of external thermal fluctuation forces and internal friction via the temperature stimulation/suppression of the RyR tunneling probability [4] can be considered as a main contributor to the temperature effects on the RyR gating. Results of computer modeling allowed us to reproduce all the temperature effects observed for an isolated RyR gating in vitro under hypothermia [3]: increased open probability Popen; increased mean open time; insignificant change of the mean closed time; reduced maximal conductance.

Список литературы

  1. Shutt R. and Howlett S., Hypothermia increases the gain of excitation-contraction coupling in guinea pig ventricular myocytes, Am J Physiol Cell Physiol., 295(3):C692-700,2008;
  2. Györke S. and Carnes C., Dysregulated sarcoplasmic reticulum calcium release: potential pharmacological target in cardiac disease, Pharmacol Ther.,119(3):340-54,2008;
  3. Sitsapesan R. and Montgomery R., Sheep cardiac sarcoplasmic reticulum calcium-release channels: modification of conductance and gating by temperature, J Physiol.,434:469-88,1991;
  4. Moskvin A. and Iaparov B.,Electron-conformational transformations govern the temperature dependence of the cardiac ryanodine receptor gating, JETP Letters, 102(1): 62-68, 2015;
  5. Hagen S.,Solvent viscosity and friction in protein folding dynamics, Curr Protein Pept Sci.,11(5):385-95,2010;


Способ регистрации биоэлектрических сигналов через емкостную связь

Симон Всеволод Алексеевич1, Герасимов В. А.1, Кострин Д. К.1, Селиванов Л. М.1, Ухов А. А.1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: vsev.simon@gmail.com

В современной клинической практике при регистрации различных биоэлектрических сигналов обычно используют омический контакт между электродом (датчиком) и поверхностью кожных покровов. Для обеспечения надежного омического контакта используются проводящие гели, которые хорошо работают в течение небольших промежутков времени. При длительной регистрации сигнала гель постепенно высыхает, что приводит к увеличению контактного сопротивления. Также контактные электроды могут вызывать раздражение кожи у пациентов, страдающих аллергией на металлы. Кроме того, использование электродов с резиновой грушей, закрепляющихся на коже путем разрежения воздуха, может привести к некрозу кожных покровов в результате сдавливания [1].

Однако регистрация биоэлектрических сигналов возможна не только через прямой омический контакт, но и через емкостную связь, представляющую собой конденсатор, образованный поверхностью кожи, пластиной электрода и слоем диэлектрика (ткань одежды, волосы). Возможность регистрации биоэлектрических сигналов через емкостную связь была продемонстрирована в работах [1–6].

В диапазоне частот, характерном для биоэлектрических сигналов (1–100 Гц), емкостная связь обладает высоким импедансом, порядок величины которого составляет 1–100 ГОм. Для качественного приема и усиления сигнала, полученного через емкостную связь, в ряде исследований используются инструментальные усилители со сверхвысоким входным сопротивлением (входные токи утечки составляют порядка 0.01 пА). Однако сигнал, прошедший через электрическую емкость, не содержит постоянной составляющей, что может вызвать насыщение инструментального усилителя. В работах [4] и [5] предпринимались различные способы предотвращения насыщения: периодическое подключение входов усилителя к «земле» схемы, использование петли обратной связи с диодами. В работе [6] утверждается, что инструментальный усилитель не насыщается и при отсутствии дополнительных мер защиты.

Все вышеперечисленные подходы к проблеме насыщения усилителя не представляются достаточно надежными для длительной регистрации биоэлектрических сигналов. В связи с этим возникла необходимость разработать оригинальный способ предотвращения насыщения. В результате исследования [7] была разработана оригинальная схема петли обратной связи, подающая на вход усилителя сверхмалый ток. Форма сигнала, переносимого этим током, повторяет форму сигнала, поступающего на вход усилителя. Аналогичный эффект достигался бы при использовании резистора номиналом 1–100 ТОм, подключенного между входом усилителя и общей точкой схемы и задающего смещение по постоянной составляющей.

Работоспособность схемы была проверена путем SPICE-моделирования и экспериментов на макетах. На основе входного каскада с инструментальным усилителем, к которому подключена петля обратной связи, разработан прототип устройства для бесконтактной регистрации электрокардиограмм (ЭКГ).

При использовании емкостной связи, обладающей высоким импедансом, воздействие различных электромагнитных наводок на полезный сигнал значительно усиливается. Наибольшее негативное влияние на качество низкочастотных сигналов оказывает помеха промышленной частоты. Это обстоятельство послужило причиной включения режекторного фильтра в состав устройства для регистрации ЭКГ. В отличие от схемы двойного Т-фильтра, схема разработанного режекторного фильтра обеспечивает независимую регулировку подавляемой частоты и добротности.

Для записи электрокардиосигнала в цифровой форме используется внешняя звуковая карта с аналого-цифровым преобразователем разрядностью 24 бита и частотой дискретизации 44.1 кГц. Сигнал записывается на персональном компьютере в программе Audacity. Цифровая обработка сигнала заключается в ограничении полосы сигнала: снизу – частотой 1 Гц, сверху – частотой 100 Гц. На записанной ЭКГ ясно различим QRS-комплекс, а также T- и P-зубцы [8].

Список литературы

  1. A. Aleksandrowicz, S. Leonhardt, “Wireless and Non-contact ECG Measurement System – the “Aachen SmartChair”, Acta Polytechnica, vol. 47, no. 4-5, pp. 68–71, 2007;
  2. R. J. Prance, A. Debray, T. D. Clark et al., “An ultra-low-noise electrical-potential probe for human-body scanning”, Meas. Sci. Technol., vol. 11, pp. 291–297, 2000;
  3. C. J. Harland, T. D. Clark and R. J. Prance, “Electric potential probes – new directions in the remote sensing of the human body”, Meas. Sci. Technol., vol. 13, pp. 163–169, 2002;
  4. T. J. Sullivan, S. R. Deiss, and G. Cauwenberghs, “A Low-Noise, Non-Contact EEG/ECG Sensor”, Proc. IEEE Biomedical Circuits and Systems Conf., pp. 154–157, 2007;
  5. Y. M. Chi and G. Cauwenberghs, “Micropower Non-contact EEG Electrode with Active Common-Mode Noise Suppression and Input Capacitance Cancellation”, Proc. 31st Annual International Conf. of the IEEE EMBS, pp. 4218–4221, 2009;
  6. Y. M. Chi, “Wireless Non-contact EEG/ECG Electrodes for Body Sensor Networks”, Proc. International Conf. on Body Sensor Networks, pp. 297–301, 2010;
  7. A. A. Uhov, V. A. Gerasimov, L. M. Selivanov et al., “A Method of Cardiac Signal Registration Through a Capacitive Coupling Between Sensors and Patient’s Skin”, Proc. IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conf., pp. 797–799, 2016;
  8. A. Gacek, W. Pedrycz, “ECG Signal Processing, Classification and Interpretation: A Comprehensive Framework of Computational Intelligence”, New York: Springer, 2011.


Специализированные зонды с нановискерами для проведения высокоточных измерений объектов в жидкости методом атомно-силовой микроскопии

Жуков Михаил Валерьевич1, Комиссаренко Ф. Э.1, Кухтевич И. В.1, Чубинский-Надеждин В. И.2

1ИТМО

2ИНЦ

Эл. почта: cloudjyk@yandex.ru

Большой интерес представляют работы, посвященные исследованию неорганических и биологических объектов (клеток, бактерий, вирусов, белков, ДНК и т.д.) в жидкостных растворах методом атомно-силовой микроскопии [1, 2], так как позволяют проводить прецизионные высокоточные in situ исследования биологических объектов в нативном состоянии с нанометровым разрешением. При этом качество изображения и достоверность получаемых данных напрямую зависят от параметров используемых зондовых датчиков.

В последнее время перспективными для исследования образцов с развитым поверхностным рельефом являются зонды, на вершинах которых локализованы одиночные кристаллические или аморфные нановискеры (НВ). Это обусловлено их высоким аспектным отношением, высокой прочностью и жесткостью k = (4÷15) Н/м, высокой резонансной частотой собственных колебаний f = 100 МГц, малым поперечным размером r = (10÷100) нм [3, 4].

Целью данной работы являлось создание и апробация зондов с нановискерными структурами для проведения высокоточных исследований объектов органической и неорганической природы в жидких средах методом атомно-силовой микроскопии.

В ходе предварительных экспериментов по выявлению наилучших режимов работы в жидкости исследовалась калибровочная решётка TGQ01 (НТ-МДТ, Россия), представляющая собой набор периодически расположенных ячеек квадратной формы и постоянной высоты. В качестве тестовых жидкостных сред были выбраны: дистиллированная вода, натрий-фосфатный буфер PBS, боратный буфер (pH 9,18), NaOH 0,1 M и NaOH 0,5 M. Исследования проводились в контактом и полуконтактном режимах АСМ зондами фирмы Veeco (США) с кантилеверами треугольной формы на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Ntegra Aura фирмы НТ-МДТ.

В результате проведённых исследований было выяснено, что лучшими растворами для проведения измерений в жидкости методом АСМ являются буферы PBS, а также NaOH. Для получения наилучшего соответствия размерам по осям X,Y,Z стоит использовать полуконтактные режимы сканирования, для получения наилучшего качества изображения - контактную методику измерения.

При использовании PBS и NaOH буферов замечено общее снижение уширения границ перепадов высот при использовании зондов с НВ в 3-4 раза и увеличение шероховатости поверхности в 2-3 раза по сравнению со стандартными зондами, что говорит о лучшей проникающей способности данного типа зондов. Однако замечены колебания на границе перепадов высот в верхней и нижней области, что может быть обусловлено высоким аспектным отношением НВ (наличие двойных касаний при сканировании). Кроме того, в среде NaOH был замечен артефакт инверсии изображения, который предположительно может быть связано с химическими свойствами щелочных сред (разъедание материала стандартных зондов и углеродной части нановискерных структур в процессе сканирования).

Получены предварительные результаты изучения структуры бактерии E.Coli в жидкости в нативном состоянии. Для закрепления бактерий использовался агар-агар массовой долей 1,8 %. При исследовании единичных бактерий E.Coli обнаружено улучшение контраста и разрешения при использовании зондов с НВ, при использовании которых была обнаружена тонкая наноразмерная волокнистая структура по периметру бактерии E.Coli. Использование стандартных зондов не позволило выявить данную структуру.

Таким образом, при работе зондами с НВ в жидких средах замечено общее улучшение пространственного разрешения и контраста получаемых изображений, что может быть использовано для более детального и точного изучения нативных объектов живой природы со сложной топологией структуры.

Список литературы

  1. Ahmed Touhami, Manfred H. Jericho, Terry J. Beveridge. Atomic Force Microscopy of Cell Growth and Division in Staphylococcus aureus. // Jurnal of bacteriology, Vol. 186, No. 11, – P. 3286-3295, – 2004.;
  2. Yuri L. Lyubchenko. Preparation of DNA and nucleoprotein samples for AFM imaging. // Micron, Vol. 42, No. 2, – P. 196-206, – 2011.;
  3. V. V. Levichev, M. V. Zhukov, I. S. Mukhin, A. I. Denisyuk, A. O. Golubok. On the operating stability of a scanning force microscope with a nanowhisker at the top of the probe. // Technical Physics., Vol. 58, Issue 7, – P. 1043-1047, – 2013.;
  4. Branner S S. The Growth and properties of whiskers. // Science, vol. 128, № 3324, – P. 569-575, –1958.;


Динамические и стохастические особенности ЭЭГ-сигналов человека при биполярном аффективном расстройстве

Панищева Светлана Николаевна1, Панищев О. Ю.1, Демин С. А.1, Латыпов Р. Р.1

1КФУ

Эл. почта: opanischev@gmail.com

Объективная диагностика психических и неврологических расстройств на ранних стадиях развития затруднена из-за отсутствия инструментальных методов фиксации, хотя связь такого рода заболеваний с неизбежными изменениями в активности отдельных участков коры головного мозга человека кажется достаточно очевидной [1-3]. Одна из возможностей инструментальной диагностики психических расстройств – исследование сигналов мозговой активности человека: электроэнцефалограмм (ЭЭГ), магнитоэнцефалограмм (МЭГ), отражающих функциональную активность разных участков мозга [4-6]. В настоящей работе в рамках формализма функций памяти (ФФП) мы проводим анализ динамических, релаксационных и стохастических особенностей биоэлектрической активности коры головного мозга здоровых испытуемых и пациентов с биполярным аффективным расстройством (БАР). ФФП – метод, который позволяет ввести совокупность информационных мер для количественного сопоставления времен затухания корреляций и существования статистической памяти в исследуемой динамике [7, 8]. В ходе ФФП-анализа выявлены области коры головного мозга для ЭЭГ-сигналов которых наблюдается кардинальное различие формы фазовых облаков, а также степень проявления эффектов статистической памяти у здоровых испытуемых и пациентов. Дополнительную информацию об особенностях паталогической биоэлектрической активности позволяют получить кинетические и релаксационные параметры, вводимые в рамках ФФП. В частности, обнаружно не только различие в средних значениях указанных параметров, но специфическая форма их локальной динамики. В работе отмечены возможности использования ЭЭГ-записей в разработке объективных методов выявления и идентификации прочих психических и неврологических заболеваний.

Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.

Список литературы

  1. Demin S.A., Yulmetyev R.M., Panischev O.Yu., Hanggi P., Statistical quantifiers of memory for an analysis of human brain and neuro-system diseases, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 387, 2100-2110, 2008;

  2. Timashev S.F., Polyakov Yu.S., Yulmetyev R.M., Demin S.A., Panischev O.Yu., Shimojo S., Bhattacharya J., Analysis of biomedical signals by flicker-noise spectroscopy: Identification of photosensitive epilepsy using magnetoencephalograms, Laser Physics, 19(4), 836-854, 2009;

  3. Yulmetyev R.M., Demin S.A., Panischev O.Yu., Hanggi P., Timashev S.F., Vstovsky G.V., Regular and stochastic behavior in Parkinsonian pathological tremor signals, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 369, 655-678, 2006;

  4. Panischev O.Yu., Demin S.A., Kaplan A.Ya., Varaksina N.Yu., Use of Cross-Correlation Analysis of EEG Signals for Detecting Risk Level for Development of Schizophrenia, Biomedical Engineering, 47(3) 153-156, 2013;

  5. Timashev S.F., Panischev O.Yu., Polyakov Yu.S., Demin S.A., Kaplan A.Ya., Analysis of cross-correlations in electroencephalogram signals as an approach to proactive diagnosis of schizophrenia, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 391, 1179-1194, 2012;

  6. Panischev O.Y., Demin S.A., Bhattacharya J., Demina N.Y., The study of frequency behaviour and effects of statistical memory of eeg-signals of a man with bipolar affective disorder, International Journal of Applied Engineering Research, 10(24), 44636-44641, 2015;

  7. Yulmetyev R., Demin S., Emelyanova N., Gafarov F., Hanggi P., Stratification of the phase clouds and statistical effects of the non-Markovity in chaotic time series of human gait for healthy people and Parkinson patients, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 319, 432-446, 2003;

  8. Panischev O.Yu., Demin S.A., Bhattacharya J., Cross-correlation markers in stochastic dynamics of complex systems, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 389, 4958-4969, 2010.



Другие вопросы физики

Новый метод определения концентрации компонент смеси при экспресс-контроле

Рукин Егор Владимирович1, Мязин Никита Сергеевич1

1СПбПУ

Эл. почта: e.rukin@yandex.ru

В настоящее время одной из актуальных задач является создание надежных методов экспресс-контроля конденсированных сред, которые позволяют на месте проведения измерения получать информацию о степени отклонения исследуемой среды от стандартного состояния.

Решением этой задачи может быть разработанный нами малогабаритный ядерно-магнитный релаксометр, единственным условием применения которого является наличие достаточного количества ядер с большим значением магнитного момента в исследуемой среде. Большинство жидких и вязких сред содержат ядра водорода (протоны), обладающие наибольшей чувствительностью к методу ЯМР.

Основными параметрами любой среды, по которым можно мгновенно установить изменение её состояния (изменение температуры, появление примесей), являются времена продольной Т1 и поперечной Т2 релаксации. Измерив значения Т1 и Т2 на месте взятия пробы и сравнив их со значениями, соответствующими стандартному состоянию исследуемой среды, можно мгновенно определить изменение состояния. Измерение только T1 или T2 не позволяет однозначно определять наличие изменений в среде, так как, например, в некоторых соединениях химически неэквивалентных протонов времена релаксации Т1 различны для одной и той же молекулы.

В нашем приборе исследование сред происходит в слабом магнитном поле, поэтому для регистрации сигнала ЯМР используется модуляционная методика. Известные методы измерения времени T1 в этом случае неприменимы, поэтому нами был разработан новый метод определения времени продольной релаксации, который заключается в следующем: амплитуда регистрируемого сигнала ЯМР пропорциональна намагниченности

M=M_0\left(1 - \frac{1-\exp{(-\frac{\tau}{T_1})}}{1+\exp{(-\frac{\tau}{T_1})}} \right )

Для определения Т1 необходимо измерить амплитуду сигнала ЯМР при двух различных  (Tm=1/fm, fm — частота модуляции) и решить систему уравнений. Время поперечной релаксации Т2 определяется по спаду огибающей регистрируемого ЯМР-сигнала.

Использование предлагаемых нами методик позволяет измерять времена релаксации в диапазонах от 0.001 до 20 с для Т1, от 0.00005 до 2.5 с для Т2, при температурах окружающего воздуха от 3 до 35 °С. В данный диапазон работы прибора попадают почти все жидкие и вязкие среды, для исследования которых может быть применен релаксометр.

Для расширения функциональных возможностей прибора был разработан новый метод обработки сигнала, позволяющий определять концентрацию компонент смеси по регистрируемому от неё сигналу ЯМР. Реализация метода была осуществлена с использованием уравнений Блоха, в которые были введены дополнительные члены для учёта особенностей модуляционной методики регистрации сигнала ЯМР. Это позволило описать форму сигнала ЯМР от смесей жидких сред. Наблюдаемый сигнал ЯМР представляет собой сумму сигналов поглощения и дисперсии в определенном соотношении.

Если смесь образована веществами, близкими по химическому составу и физической структуре (например, смеси бензинов), то растворения одной среды в другой не происходит, а образуется конгломерат, имеющий достаточно однородный характер.

Регистрируемый сигнал ЯМР от такой смеси представляет собой суммарный сигнал от каждой из компонент смеси, причем коэффициентами в этой сумме будут выступать их относительные концентрации.

Нами была предложена математическая модель, которая позволяет описать регистрируемый сигнал ЯМР от такой смеси и определить её состав:

\sqrt{v_c^2(t)+U_c^2(t)}=\frac{A N_{1p}}{N_{1p}+N_{2p}}\sqrt{v_1^2(t)+U_1^2(t)}+\frac{B N_{2p}}{N_{1p}+N_{2p}}\sqrt{v_2^2(t)+U_2^2(t)}

где v(t), U(t) — сигналы поглощения и дисперсии, N1p и N2p  — число протонов в единицу объема для веществ смеси,  A+B≤1 — относительные концентрации веществ смеси.

Проведённые экспериментальные исследования смесей различных бензинов с использованием разработанного нами метода подтвердили возможность определения предложенным нами методом концентраций компонент, из которых образована смесь

Список литературы

  1. Давыдов В.В., Величко Е.Н., Карсеев А.Ю., Ядерно-магнитный минирелаксометр для контроля состояния жидких и вязких сред, Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Т. 15. № 1, 115–121, 2015;
  2. Давыдов В.В., Дудкин В.И., Карсеев А.Ю., О возможности метода ядерно-магнитной спектроскопии для экспресс-контроля жидких сред., ЖПС, Т. 82. № 5, 736–742. 2015;
  3. Давыдов В.В., Дудкин В.И., Петров А.А., Мязин Н.С., О чувствительности ядерно-резонансных магнитометров с текущей жидкостью., ПЖТФ, Т. 42. № 13. С. 64–71.;


Кулоновский взрыв цилиндрических наноразмерных мишеней

Михин Евгений Александрович1, Головинский П. А.1

1Воронежский государственный технический университет

Эл. почта: mihinzheny@mail.ru

Современные технологии позволяют получать сверхмощные лазерные импульсы с пиковой интенсивностью, превышающей 1019 W/cm2, и длительностью в несколько  фемтосекунд. При действии таких импульсов на нанокластеры и микромишени происходит пространственное разделение составляющих их электронов и ионов. В результате мишень приобретает нескомпенсированный положительный заряд, приводящий к разлёту ионов за счет кулоновского отталкивания. Такой разлет наноразмерных кластеров называется кулоновским взрывом [1-3]. Получаемые при этом  потоки ионов, представляют несомненный интерес в связи с возможными применениями при создании источников нейтронов, производстве изотопов и в иных приложениях, включая технологии радиационного воздействия на твердые тела и стимулирование ядерных реакций.

На динамику кулоновского взрыва существенное влияние оказывает геометрия мишени [4]. Нами исследован разлет ионов после воздействия сверхмощного лазерного импульса на кластеры цилиндрической формы, содержащие от нескольких сотен до нескольких миллионов атомов с характерными размерами до 100 nm. Выбор такой геометрии обусловлен тем, что вблизи цилиндрической мишени поле спадает с расстоянием медленнее по сравнению со сферическим кластером и возможно получение ионов с большей энергией при равенстве диаметров мишеней.

Процесс ионизации мишени рассмотрен на основе механизма надпороговой  ионизации Бёте [5, 6]. Необходимым условием для её реализации является понижение максимальной энергии потенциального барьера ниже потенциала на границе кластера. Полученное значение степени ионизации для цилиндрической мишени оказывается в 6 раз меньше по сравнению с соответствующим значением для случая сферической мишени. Таким образом, достичь полной ионизации цилиндрической мишени труднее, а её использование может быть оправдано только в случае значительного выигрыша в энергиях ионов при кулоновском разлете.

Для полностью ионизованного однородного по плотности цилиндрического кластера электрическое поле монотонно растет в радиальном направлении от центра до границы кластера.  Поэтому в результате его кулоновского взрыва не возникает ударных волн. Кинетическая энергия иона на бесконечности в этом случае определяется электрическим потенциалом цилиндрического слоя, внутри которого расположен данный ион. Прямое использование модели бесконечного цилиндра для определения конечного распределения ионов по энергиям для цилиндрической мишени конечной длины невозможно, поскольку реальный потенциал имеет на бесконечности иную асимптотику, соответствующую точечному кулоновскому источнику. Поэтому, определяя энергию разлетающихся ионов,  заменим бесконечный цилиндр сильно вытянутым эллипсоидом, на поверхности которого известен электрический потенциал [7].

Согласно проведённым нами расчётам, в результате кулоновского взрыва полностью ионизованного сферического кластера, состоящего из атомов Xe и имеющего радиус 1.1 nm, максимальная энергия ускоренных ионов составляет 396 keV. В аналогичном случае с кластером имеющим форму цилиндра того же радиуса длиной 11 nm, величина максимальной энергии ускоренных ионов – 1191 keV. Полная ионизация такой цилиндрической мишени возможна при интенсивности лазерного излучения >1019 W/cm2. Увеличивая длину цилиндрического кластера, можно повысить энергию разлетающихся ионов. Максимально возможные размеры цилиндрического кластера ограничены диаметром фокального пятна. Проведены расчеты спектров ионов при кулоновском взрыве кластеров различного состава при оптимальных параметрах лазерного поля и мишеней.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 16-32-00255).

Список литературы

  1. Ditmire T., Tisch J.W.G., Springate E., Mason M.B., Hay N., Marangos J.P., Hutchinson M.H.R. High energy ion explosion of atomic clusters: Transition from molecular to plasma behavior. Phys. Rev. Lett., 78, 2732(4pp), 1997;
  2. Ditmire T., Springate E., Tisch J.W.G., Chao Y.L., Mason M.B., Hay N., Marangos J.P., Hutchinson M.H.R. Explosion of atomic clusters by high-intensity femtosecond laser pulses. Phys. Rev. A, 57, 369-382, 1998;
  3. Springate E., Hay N., Tisch J.W.G., Mason M.B., Ditmire T., Hutchinson M.H.R., Marangos J.P. Explosion of atomic clusters irradiated by high-intensity femtosecond laser pulses: Scaling of ion energies with cluster and laser parameters. Phys. Rev. A, 61, 063201(7pp), 2000;
  4. Grech M., Nuter R. , Mikaberidze A., Cintio P. Di., Gremillet L., Lefebvre E., Saalmann U., Rost J.M., Skupin S. Coulomb explosion of uniformly charged spheroids. Phys. Rev. E, 84, 056404, 2011;
  5. Крайнов В.П., Смирнов Б.М., Смирнов М.Б. УФН, 177, 953-980, 2007;
  6. Bethe H.A., Salpeter E.E. Quantum Mechanics of One- and Two-Electron Atoms. Springer, Berlin, 1957 ;
  7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: ФИЗМАТЛИТ, 656 с., 2005;


Зависимость структурных характеристик кристаллов бората железа FeBOот температуры

Замковская Анастасия Игоревна1, Максимова Е. М.1, Наухацкий И. А.1, Шаповал М. А.1

1КФУ им. В. И. Вернадского

Эл. почта: trabem.z@gmail.com

Борат железа FeBO3 является модельным объектом для исследований в физике твердого тела из-за уникального сочетания ряда физических свойств, в частности, прозрачности в видимой области и магнитного упорядочения и др., [1, 2]. Эксплуатационные характеристики бората железа определяются, в том числе, и влиянием температуры на его структурные параметры: фазовый состав, морфометрию кристаллической решетки и т.п.

В настоящей работе методом рентгеновской дифрактометрии была исследована температурная зависимость параметров элементарных ячеек и определены коэффициенты теплового расширения кристаллов FeBO3. Структурные исследования проводились на рентгеновском дифрактометре SmartLab Rigaku на поликристаллическом образце бората железа в угловой области 2θ от 20° до 100° с использованием медного излучения.  Шаг сканирования по углу составлял 0,02°. Температурные исследования проводились при 400° С, 500° С и 600° С. Размеры элементарных ячеек рассчитывались по методу графической и аналитической экстраполяции  [3].

 По физическому уширению дифракционных линий были рассчитаны величины параметров тонкой структуры: областей когерентного рассеяния (ОКР) и микронеоднородностей; определена их зависимость от температуры.

Методом аппроксимации [4] была установлена зависимость ширины рентгеновских дифракционных пиков бората железа от угла отражения, соответствующая закону обратного косинуса, что свидетельствует о размерном характере уширения дифракционных пиков.

Установлено, что повышение температуры образца приводит к монотонному и достаточно существенному возрастанию величины ОКР, что свидетельствует о процессах кристаллизации (упорядочении кристаллической структуры) в борате железа при термической обработке.

Список литературы

  1. Diehl R. Crystal Strukture Refinement of Ferrite Borate, FeBO3. – Sol. Stat. Com., 17(6), рр.743-745, 1975.;
  2. Yagupov S., Strugatsky M., Seleznyova K., Maksimova E., Nauhatsky I.,Yagupov V., Milyukova E., Kliava, J. FexGa1−xBO3 single crystals: synthesis and characterization. Applied Physics A: Materials Science and Processing, 121 (1), pp.179-185, 2015.;
  3. Франк-Каменецкий В.А. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов. – Л.: Недра, 1975. – 399 с.

  4. Плясова Л.М. Введение в рентгенографию катализаторов: учебное пособие для студентов, аспирантов и исследователей в области катализа. – М.: Институт катализа им. Г.К.Борескова, 2010. – 58 с.



Влияние облучения гамма-квантами на кристалл NaClO3 в температурном интервале 77-525 К

Игишева Алена Леонидовна1, Соболева Э. Г.1

1ЮФУ

Эл. почта: sobolevaeno@mail.ru

С точки зрения фундаментальной науки галогенаты натрия представляют собой модельные объекты исследования для изучения физических и физико-химических свойств кристаллов со смешанным типом химической связи – ионной между узлами кристаллической решетки и ковалентной между атомами, которые образуют комплексные анионы. Часто для подобной группы соединений употребляют наименование «ионно-молекулярные кристаллы», а в последние годы для них появилось новое название как кристаллов со сложными квазимолекулярными анионами.

В настоящей работе приводятся результаты изучения влияния \gamma- облучения на упругие модули (модуль Юнга Е, модуль сдвига G) кристаллов хлората натрия для экспозиционной дозы 103 рад от источника 60Со на облучательной гамма-установке «Исследователь». Температурные спектры акустических параметров в необлученных и облученных кристаллах NaClO3 измерялись методом составного пьезоэлектрического вибратора в интервале температур от 77 К до предплавления (525 К). Монокристаллы хлората натрия выращены из водных растворов химически чистых веществ при стандартных условиях и были огранены, в основном, плоскостями <100>. Ориентированные по плоскостям куба и октаэдра монокристаллы представляли собой исходный материал для получения способом мокрой нити образцов в виде стержней с примерными размерами 20\times3\times3 мм3. В работе использовались пьезопреобразователи типа радиотехнического кварца X - и Y - срезов, что позволяло возбуждать в образцах NaClO3, соответственно, продольные со скоростью распространения vl  на частоте \approx 105 Гц и сдвиговые vt на частоте 0,5\times105 Гц упругие волны. При этом длина образцов подбиралась такой, чтобы она равнялась половине длины волны ультразвука на используемой частоте. Относительная погрешность для скоростей ультразвука составила 2\times10-5.

В ходе исследования были получены нелинейные изменения упругих модулей, где по скорости их уменьшения с ростом температуры можно выделить три температурных интервала: 77 – 300 К, 300 – 450 К и выше 450 К. Кроме этого, и модуль Юнга, и модуль сдвига в плоскости куба кристалла NaClO3, (направление [100]) имеют аномалию в области 225 – 275 К. Вид и величина этой аномалии свидетельствуют в пользу изоструктурного фазового перехода, связанного, возможно, с переориентацией аниона {ClO_{3}}^{-} по двум неэквивалентным позициям.

В облученных \gamma - квантами образцах NaClO3 измерялась только скорость продольных волн в направлении [100] {v^{\ast }_{l_{0}\left [ 100 \right ]}}, поскольку именно в этом направлении обнаружены наиболее существенная упругая нелинейность и акустическая аномалия. Эффект облучения кристаллов NaClO3 малыми дозами гамма – квантов в отношении их упругих свойств сводится к следующему. В области низких температур (Т < 300 К) упругость кристалла хлората натрия повышается, а положение упругой аномалии смещается вниз по температурной шкале. При этом и вид аномалии несколько изменяется – происходит меньшее размытие по температуре. Данные факты можно связать с характерными признаками, присущими частичному устранению точечных дефектов. При повышенных температурах (Т > 300 К) влияние облучения постепенно нивелируется и к 450 К практически сводится к нулю. Дальнейшее повышение температуры приводит к более интенсивному плавлению анионной подрешетки облученных кристаллов по сравнению с контрольными.

Список литературы

  1. Мэзон У., Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике, пер. с англ. под ред. А.В. Шубникова и С.Н. Ржевкина, М: ИИЛ, 448 с., 1952;

  2. Joffrin C., Dorner B., Joffrin J., Activite acoustique et loi de dispersion: le guartz et le chlorat de sodium, J. phus. Lett. (France), №16, р. 391 – 395, 1980;

  3. Abrahams S.C., Bernstein J.L., Remeasurement of optically active NaClO3 and NaBrO3, Acta Crytallagr, V. B 33, №11, р. 3601-3604, 1997;

  4. Qian R.Y., Botsaris C.D., Nuclei breeding from a chiral crystal seed of NaClO3, Chem. Engineer. Sciense, V. 53, №9, р.1745-1756, 1998;

  5. Басиев Т.Т., Новые кристаллы для лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии, ФТТ, Т.47, вып. 8, с. 1354 – 1358, 2005;

  6. Mohanty S., Pandey V.M., Annealing of gamma – irradiation damage in crystalline potassiym and sodium chlorates, Radiochim аcta, V.19, №1, р.22-26, 1973;

  7. Stepien J.A., Auleytner J., Lukaszewicz K., X-ray examination of the real structure of gamma-irradiation NaClO3 single crystals, Phys. Status Solidi (a), V.10, №2, р.634-638, 1972;

  8. Budak M., The change of elastic constants of natrium chlorate single crystals by gamma radiation, Rev. fac. sci. Univ. Istanbul, V. C 39 – 41, №1 – 3, р. 145 – 159, 1974-1976;

  9. Беломестных В. Н., Мамонтов А. П., Модификация фазового перехода в нитрате цезия при облучении гамма – квантами, Письма в ЖТФ, Т. 23, №15, с. 70 – 73, 1997.



Разработка системы автономных ВЧ датчиков для обнаружения возгораний: принцип действия и рабочие характеристики

Никитин Алексей Александрович1, Семенов А. А.1, Никитин А. А.1, Белявский П. Ю.1, Редько О. Е.2

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2ООО «АРГУС-ЭТ»

Эл. почта: alexeynikitin1@gmail.ru

 

В настоящее время широко распространены следующие методы визуального контроля для обнаружения лесных пожаров: космические средства слежения, организация авиапатрулирования пожароопасных областей, системы IP видеонаблюдения. К недостаткам таких способов обнаружения возгорания следует отнести их невысокую надежность и автономность, большую вероятность ложных срабатываний, недостаточно раннее обнаружение возгораний, а также низкую способность его обнаружения в условиях сильного задымления. Для того чтобы преодолеть данные недостатки могут быть использованы системы на основе распределенных ВЧ датчиков [1]. Данная работа направлена на исследование систем на основе ВЧ датчиков для обнаружения лесных пожаров, которые смогут успешно конкурировать с распространенными на сегодняшний день системами контроля. При проектировании таких систем необходимо решить несколько задач: определить максимальную дальностью передачи сигнала, плотность размещения датчиков и срок автономной работы.

Предлагаемый способ обнаружения пожарной ситуации и предотвращения дальнейшего развития пожара направлен на решение задачи наиболее раннего обнаружения возгорания и передачи информации на пульт слежения. Данная задача может быть решена путем размещения на территории охраняемого лесного массива сети датчиков обнаружения лесного пожара. C помощью конструкционных особенностей планируется преодолеть основные недостатки существующих систем на основе ВЧ датчиков: относительно невысокая автономность; малая дальность передачи сигнала; разрушение датчиков при пожаре; высокая плотность размещения датчиков для эффективного обнаружения возгораний.

Рассмотрим более подробно предлагаемую конструкцию систем на основе ВЧ датчиков. Такая система состоит из температурно-перестраиваемого генератора высокой частоты, кодера с индивидуальным кодом датчика, ВЧ передающего модуля, таймера, управляющего периодичностью передачи сигнала, электрического источника питания, биметаллического выключателя и антенны. При попадании датчика в область возгорания происходит срабатывание биметаллического выключателя при достижении порога температуры. Напряжение источника питания подается на передающий модуль ВЧ сигнала который начинает транслировать в эфир заданную несущую частоту промоделированную индивидуальным кодом датчика. Данный сигнал фиксируется пультом слежения. По индивидуальному коду датчика определяется его местоположение, а по уходу несущей частоты температура в области датчика. Анализируя порядок срабатывания датчиков и динамику изменения температуры можно удаленно контролировать развитие пожара до прибытия на место пожарного расчета. Стоит отметить, что для повышения автономности и срока службы системы в качестве источника питания датчика может быть использован термоэлектрический преобразователь. В качестве чувствительного элемента генератора несущей частоты может быть использована сегнетоэлектрическая керамика с сильной температурной зависимостью емкости. Такой генератор позволит с высокой точностью идентифицировать температуру окружающей среды, в том числе и возгорание.

На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что к преимуществам предложенной конструкции системы на основе ВЧ датчиков можно отнести: энергонезависимость, до 10 лет автономной работы, дальность передачи сигнала до 15 км, низкая плотность размещения датчиков (20-25 на км2), защитой от возможных механических воздействий и перегрева открытым огнем.

Список литературы

  1. Пат. № 2492899 Российская Федерация, МПК A 63C 3/02 Способ обнаружения пожара / Белявский П. Ю., Никитин А. А., Редько О. Е., Семенов А. А.: заявители и патентообладатели Редько О. Е., Семенов А. А. – № 2012116289/12; заявл. 23.04.2012; опубл. 20.09.2013.;


Влияние динамики линии контакта на колебания цилиндрической капли в неоднородном электрическом поле

Кашина Марина Анатольевна 1

1ПГНИУ

Эл. почта: ya.kashina-marina@yandex.ru

Изучению поведение движения и устойчивости капли жидкости в электрическом поле посвящено большое количество работ [1]. Одним из важных факторов, влияющих на поведение капли и способы управления, является электросмачивание (electrowetting, EW) – влияние электрического поля на смачивание каплей твердой подложки. Толчком к бурному развитию этой тематики послужило использование диэлектрических прокладок на проводящей поверхности (electrowetting-on-dielectric, EWOD). В настоящее время EWOD активно используется в в различных областях, например, микроустройства для анализа жидкостей (lab-on-a-chip), жидкие линзы с переменным фокусным расстоянием, дисплеи и т.д.

В большинстве подобных работ значение теоретическое значение краевого угла между поверхностью капли и подложкой определяется из уравнения Юнга-Липмана. Однако многочисленнее эксперименты показали, что это уравнение хорошо работает только в случае малых значений напряжения [1,2]. В данной работе исследуется влияние динамики линии контакта на поведения цилиндрической капли жидкости в переменном электрическом поле. Капля сжата между двумя параллельными твердыми проводящими пластинами, которые покрыты слоем диэлектрика. В отсутствие внешних сил капля имеет форму круглого цилиндра, краевой угол между боковой поверхностью капли и твердыми плоскостями прямой. Используется модифицированное условие Хокинга [3], которое описывает движение линии контакта раздела трех сред капля-твердая поверхность-окружающая жидкость: скорость движения контактной линии пропорциональна сумме отклонения краевого угла и скорости быстрых релаксационных процессов, частоты которых пропорциональны удвоенной частоте электрического поля [4]. Это условие содержит два важных предельных случая: закрепленная линия контакта (краевой угол меняется) и постоянный краевой угол (линия контакта свободно скользит по твердой поверхности).

Показано, что используемое условие [4] позволяет получить качественно согласие с результатами экспериментов для зависимости значения краевого угла не только от напряжения, но и от частоты электрического поля. Получены данные об отклонении поверхности и частотных характеристиках в зависимости от постоянной Хокинга, частоты и амплитуды внешнего электрического поля и геометрических параметров системы. Показано, что с увеличением постоянной Хокинга, влияние электрического поля становится более существенным, чем диссипативные механические эффекты при движении контактной линии. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний боковой поверхности. В отсутствии электрического поля, эффективное граничное условие приводит к диссипации и амплитуда всегда ограничена. Наличие пространственной неоднородности электрического поля позволяет возбуждать азимутальные моды. Для рассматриваемой слабой неоднородности было показано, что основное значение имеет трансляционная мода колебаний. При сильной неоднородности возбуждаются моды с более высокими азимутальными числами, а капля остается неподвижной. Возможно, это позволит в дальнейшем разработать механизмы управления каплями. Рассмотрена параметрическая неустойчивость вынужденных колебаний капли. Показано, что существует ненулевая критическая амплитуда возбуждения неустойчивости при конечных значениях параметра Хокинга.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 14-21-00090).

Список литературы

  1. Mugele F., Baret J.-C. Electrowetting: from basics to applications // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. V. 17. P. 705–774.;
  2. Chen L, Bonaccurso E. Electrowetting – from statics to dynamics // Adv. Colloid Interface Sci. 2014. V. 210. P. 2–12.;
  3. Hocking L.M. The damping of capillary-gravity waves at a rigid boundary // J. Fluid Mech. 1987. V. 179. P. 253-266.;
  4. Alabuzhev A.A., Kashina M.A. The oscillations of cylindrical drop under the influence of a nonuniform alternating electric field // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 681. 012042.;


Проектирование индуктора стимулирующего зонда портативного устройства транскраниальной магнитной стимуляции

Барышев Геннадий Константинович1, Божко Ю. В.1

1МИФИ

Эл. почта: gkbaryshev@mephi.ru

На сегодняшний день есть неоспоримые данные по воздействию магнитного поля на кору головного мозга, способствующее уменьшению болевого синдрома от головных и радикулийных видов боли. Есть  данные по воздействию на участки мозга, отвечающие за аппетит и восприятие новой информации, что является основой для создания приборов, стимулирующих изучение языков или понижающих тягу к избыточному потреблению пищи. Наиболее распространенным методом безоперационного воздействия на участки головного мозга является транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС).

Сейчас методика ТМС используется только в условиях стационарных клиник с применением дорогостоящих аппаратных комплексов и сложного программного обеспечения. Недостатками таких установок является обязательная необходимость медицинского персонала для проведения процедуры, вес и размеры  прибора.

Актуальной проблемой является создание портативного устройства, которое возможно будет применять в том числе и в амбулаторных условиях. Существует несколько зарубежных компаний, которые занимаются разработкой такого типа устройств, в то время как на российском рынке таких продуктов нет. Разработка отечественного устройства определяется важностью решения национальной проблемы по импортозамещению специальных изделий продукцией российского происхождения.

Создаваемое устройство должно включать в себя блок управления сигналами (далее – БУС); провода, передающие сигнал (далее – провода) и индуктор. Индуктор должен представлять собой заключенную в оболочку плоскую цилиндрическую катушку(-и), способную генерировать магнитное поле величиной 2 Тл (в центре катушки) и обеспечивает необходимую площадь и глубину воздействия магнитного поля. Цикл работы устройства должен составлять 10 минут. Под циклом работы должен пониматься период, началом которого является включение генератора переменного тока, а окончанием – выключение генератора.

В медицинской практике находят применение соленоиды, короткие соленоиды и катушки Гельмгольца. Вследствие того, что индуктор с короткой цилиндрической катушкой создает магнитное поле с наибольшей индуктивностью, обладает наибольшей площадью воздействия и может применяться в большем спектре медицинских процедур по сравнению с другими типами индукторов, принято решение: для дальнейшего рассмотрения остановится на данном типе индуктора.

Определены технические характеристики катушки (внутренний и внешний диаметр, число витков, индуктивность). Определенная величина индуктивности практически не оказывает влияния на форму импульса.

Выбор генератора импульсов тока осуществлен с помощью матрицы выбора решений, что позволяет выбрать вариант путем определения интегрального показателя качества. 

Расчет охлаждения стоячей средой проводился с помощью метода определения теплоотдачи при свободной конвекции в ограниченном пространстве. Из сравнения исходящего и снимаемого потока тепла сделан вывод, что охлаждение стоячим воздухом и стоячей водой невозможно. 

В данной работе нами не рассматривалось охлаждение потоком воздуха, так как:

1) поток воздуха должен формироваться вентилятором, а это влечет за собой значительное увеличение габаритов конструкции и шума;

2) воздух малоэффективен при снятии больших тепловых потоков. 

Эффективным способом теплосъема является охлаждение циркулирующей водой. Расчет выполнялся исходя из величины испускаемого потока тепла. Скорость воды, необходимая для снятия тепла, составила ~6 м/с. Исходя из этого, были определены необходимые параметры насоса, способного обеспечить данный режим течения воды.

Таким образом, в работе определены основные конструктивные характеристики индуктора устройства ТМС, а также параметры устройств генерации магнитного поля и системы охлаждения.

 

 

Список литературы

  1. Simone Rossi, Mark Hallett, Paolo M. Rossini, Alvaro Pascual-Leone and The Safety of TMS Consensus Group.Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research [Текст] / Clinical Neurophysiology. – 2009. - №120: 2008-2039 стр.;
  2. Mark S. George, Sarah H. Lisanby, Harold A. Sackeim. Transcranial magnetic stimulation. Applications in Neuropsychiatry [Текст] / Arch Gen Psychiatry. – 1999. - №56: 300-311 стр.;
  3. Системы комплексной электромагнитотерапии: Учебное пособие для вузов [Текст] / Под ред. А.М. Беркутова, В.И. Жулева, Г.А. Кураева, Е.М. Прошина. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000 г. – 376 стр.;
  4. Медицинское диагностическое оборудование Нейрософт [Электронный ресурс] / Режим доступа http://www.neurosoft.ru/rus/product/neuro-ms/ - Нейро-МС.;
  5. Кистень О.В. Закономерность распределения индуцированных токов при транскраниальной магнитной стимуляции и применение ее у больных эпилепсией / О.В. Кистень, М.В. Давыдов, В.В. Евстигнеев // ArsMedica. - 2010. - № 12(32). – С. 79-85.;
  6. Калантаров П.Л. Расчет индуктивностей: Справочная книга [Текст] / П. Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. – 488 стр.;
  7. Бухмиров В.В. Расчет коэфициента конвективной теплоотдачи [Текст] / В.В. Бухмиров. – Иваново: Ивановский государственный энергетический университет, 2007. – 39 стр.;


Моделирование генерации наноструктур импульсным лазерным воздействием на металлы

Давыдов Роман Вадимович1, Антонов В. И.1

1СПбПУ

Эл. почта: davydovroman@outlook.com

В настоящее время одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений в области естественных наук является исследование наноструктур. Благодаря уникальным оптическим и динамическим свойствам наночастицы и наноматериалы находят применение в различных областях – в оптике, электронике, химическом опознавании, фотоэлектрохимии, преобразовании солнечной энергии, биомедицинском детектировании и терапии, охране окружающей среды.

Один из распространённых методов получения наночастиц и наноструктур - импульсная лазерная абляции твердых мишеней в окружающем газе или жидкости [1]. Это довольно простой, быстрый и прямой способ получения наночастиц, он позволяет получать наночастицы различного типа, включая металлические, полупроводниковые и полимерные частицы. В методе не требуются большие времена для проведения химических реакций, а также высокие температуры и давления или многоступенчатые процессы, характерные для химического синтеза.

При описании физических процессов лазерной абляции металлов часто используют различные двухтемпературные модели, в том числе гидродинамические [2]. При этом расчет термодинамических свойств металла в широком диапазоне плотностей и температур при воздействии на него лазерного излучения представляет собой сложную задачу, которая не всегда хорошо решена в различных уравнениях состояния, нужных для решения уравнений гидродинамики, что значительно снижает точность решений, а в некоторых случаях делает её неприемлемой [3].

Поэтому для проведения моделирования лазерной абляции в нашей работе предложена двумерная двухтемпературная гидродинамическая модель с использованием широкодиапазонной модели теплопроводности и нового разработанного полуэмпирического уравнения состояния металлов.

Предложенную модель физических процессов можно описать системой следующих уравнений:

\frac{\partial \rho _{1}}{\partial t} + \frac{\partial (\rho _{1}u)}{\partial r} + \frac{\partial (\rho _{1}v)}{\partial z} + \frac{\rho _{env}u}{r} = 0

\frac{\partial \rho _{2}}{\partial t} + \frac{\partial (\rho _{2}u)}{\partial r} + \frac{\partial (\rho _{2}v)}{\partial z} + \frac{\mu_{i} \rho _{i}u}{r} = 0

\frac{\partial \rho u}{\partial t} + \frac{\partial (\rho u^{2} + P)}{\partial r} + \frac{\partial (\rho uv)}{\partial z} + \frac{\rho u^{2}}{r} = 0

\frac{\partial \rho v}{\partial t} + \frac{\partial (\rho uv)}{\partial r} + \frac{\partial (\rho v^{2}+P)}{\partial z} + \frac{\rho uv}{r} = 0

\frac{\partial (E+0.5\rho (u^{2}+v^{2}))}{\partial t} +\\+ \frac{\partial (u(E+0.5\rho (u^{2}+v^{2}+P) + q_{r}+Q_{r}))}{\partial r} +\\+ \frac{\partial (v(E+0.5\rho (u^{2}+v^{2}+P) + q_{z}+Q_{z} - I)}{\partial z}+\\ + \frac{u(E+0.5\rho (u^{2}+v^{2}+P) + q_{r}+Q_{r}}{r} = 0

где \rho _{1} и \rho _{2} - плотности металла и среды, \rho = \rho _{1} + \rho _{2}u и v - скорости в r и z направлениях, P - давление, E - внутренняя энергия, I - полный поток энергии в z направлении, q_{r} и q_{z} - тепловые потоки в r и z направлениях, Q_{r} и Q_{z} - тепловые потоки в r и z направлениях.

Для решения составленной системы уравнений необходимо ее дополнить уравнениями состояния веществ, для чего разработано универсальное широкодиапазонное уравнение состояния металлов [4]. В нем для описания термодинамических свойств металла используется свободная энергия Гельмогольца F, которая представляется суммой трех слагаемых, отвечающих за упругую часть взаимодействия (F_{s}) и тепловой вклад ядерной (F_{c}) и электронной компонент (F_{e})

F = F_{s}+F_{c}+F_{e}

Первые два слагаемых задаются в виде интерполяционных выражений с учетом эмпирических данных о веществе в широком диапазоне температур и давлений, а учет последнего осуществляется по модели Томаса-Ферми.

Используя разработанную математическую модель, дополненную уравнениями состояния, проведено моделирование лазерной абляции алюминия и меди импульсами различной длительности (пико- и фемтосекундными) в различных средах (воздухе и воде). Получено хорошее согласование с экспериментальными данными по глубине абляции и профилю кратера абляции. Моделирование процесса воздействия лазерного излучения на мишень на основе предложенной в работе модели может быть использовано для подбора параметров лазера (длину волны излучения, длительность и частоту следования импульсов, энергию в импульсе) и условия окружения (вакуум, газ или жидкость) для получения наночастиц с заданными свойствами – формой, размером, распределением по размерам и составом, что позволит оптимально их использовать в различных сферах.

Список литературы

  1. Макаров Г.Н., Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии, УФН, Т. 183, № 7, 673-718, 2013;
  2. Zhang J., Chen Y., Hu M., Chen X., An improved three-dimensional two-temperature model for multi-pulse femtosecond laser ablation of aluminum, Journal of Applied Physics, Vol. 117, 063104, 2015;
  3. Benxin Wu, Shin Y.C., Two dimensional hydrodynamic simulation of high pressures induced by high power nanosecond laser-matter interactions under water, Journal of Applied Physics, Vol. 101, 56-64, 2007;
  4. Davydov R. ,Antonov V., Kalinin N., Equation of state for simulation of nanosecond laser ablation aluminium in water and air, Journal of Physics: Conference Series 643, 012107, 2015;


Получение и исследование свойств волокон из хитозана отечественного производства

Юденко Александра Николаевна1, Дресвянина Е. Н.1, Елоховский В. Ю.2, Маевская Е. Н.3, Иванькова Е. М.2, Юдин В. Е.2

1СПбГУПТД

2ИВС РАН

3СПбПУ

Эл. почта: ansa2@mail.ru

Хитозан – линейный азотсодержащий полисахарид, состоящий из случайным образом распределенных звеньев D-глюкозамина и N-ацетил-D-глюкозамина. Продуктом резорбции хитозана является глюкозамин – компонент хрящевой ткани, способный в организме преобразовываться в глюкозу под действием ферментов организма. Хитозан биосовместим, не является цитотоксичным, обладает удовлетворительными прочностными и деформационными характеристиками, разрешен к использованию в качестве биоматериала в медицине.

Исследование направлено на разработку способа получения и изучение свойств волокон и нитей на основе хитозана отечественного производства («Биопрогресс», Россия). Использование данного полимера позволит получить нити, имеющие низкую себестоимость. Разрабатываемые волокнистые материалы могут быть в дальнейшем использованы для получения рассасывающихся шовных материалов; одномерных матриц для клеточных технологий; тканых материалов в качестве основы композиционных пластин для травматологии; нетканых гомеостатических полотен и др.

Хитозан растворяли в водном растворе уксусной кислоты, при этом концентрация полимера составляла 5 - 8 %. В качестве основного метода получения моно- и полифиламентных нитей из хитозана использовался коагуляционный метод, который  заключался в формовании полученного раствора хитозана в спирто-щелочную осадительную ванну, в вытяжке волокна, последующей промывке  и сушке.

Были исследованы реологические свойства растворов, содержащих разное количество хитозана; особенности структуры композиционных волокон с помощью сканирующей электронной микроскопии; механические свойства (разрывное напряжение, модуль упругости, деформации) в режиме одноосного растяжения образцов.

  Получены зависимости разрывного напряжения, модуля упругости и деформации от концентрации хитозана, степени вытяжки волокна, количества элементарных нитей.

Показано, что 

Список литературы

  1. Kumar R, Bull. Mater. Sci., 22. стр. 905, 1999;
  2. Atala, A. and Allickson, J.G, Translational Regenerative Medicine, London: Elsevier, стр.131,490, 2015;
  3. Вихорева Г.А., Гольбрайх Л.С, Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение, М.: Наука, стр. 254, 2002;



Исследование функциональных групп на поверхности пористого кремния методом растекающейся капли

Стебко Дмитрий Сергеевич1, Белорус А. О.1, Букина Я. В.1, Пастухов А. И.1, Спивак Ю. М.1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: stebel2015@yandex.ru

К характеристикам поверхности материалов, применяемых в качестве наноконтейнеров для адресной доставки лекарств, предъявляют определенные требования. Различные функциональные группы на поверхности, гидрофобность или гидрофильность материала, развитость поверхности в значительной мере определяют эффективность процесса инкапсуляции лекарственных средств, также данные характеристики влияют и на процесс высвобождения лекарства.

Пористый кремний (por-Si), полученный при разных условиях, можно рассматривать как целый класс полупроводниковых материалов, так как его свойства могут варьироваться в значительном диапазоне в зависимости от условий синтеза. Необходимы соответствующие методы исследования свойств поверхности пористого кремния и изучения механизмов взаимодействия с различными веществами.

Слои пористого кремния были получены методом электрохимического анодного травления в однокамерной ячейке с использованием раствора-электролита на основе плавиковой кислоты. В процессе получения варьировалась плотность тока анодирования [1].

Краевой угол смачивания полученных слоёв определялся методом растекающейся капли [2]. Для этого на слои por-Si механическим дозатором были нанесены капли воды, после чего полученные изображения фиксировались. С помощью программного обеспечения «Measurement of contact angle» [3] по полученному изображению был рассчитан краевой угол смачивания.

Полученные результаты говорят о том, что гидрофильные свойства материала изменяются нелинейно, имеется максимум для образцов, полученных при плотности тока 30 мА/см2 (краевой угол смачивания 43 градуса). Образцы, полученные при плотностях тока 5 и 120 мА/см2, проявляют гидрофобные свойства (краевой угол смачивания 108 и 121 градусов соответственно). При плотности тока анодирования 50 и 80 мА/см2 образцы не обладают ярко выраженной гидрофобностью (краевой угол смачивания 56 и 71 градусов соответственно).

На гидрофильность (гидрофобность) значительно влияют поверхностные функциональные группы, поэтому определив характер взаимодействия наносимой жидкости с поверхностью исследуемого материала, можно с большой точностью предположить характер (кислотные, основные или близкие к нейтральным центры) функциональных групп на поверхности пористого материала.

Индикаторный метод позволяет качественно определять функциональные группы на поверхности нерастворимых твердых веществ. Образец помещают в водный раствор индикатора, который изменением цвета сигнализирует о наличии определенных поверхностных соединений, обладающих кислотно-основными и донорно-акцепторными свойствами. Использование широкого набора индикаторов с различными значениями pKа позволяет получать распределение адсорбционных центров по величине pKа [4].

Образцы, полученные при плотностях тока 30 мА/см2 и 80 мА/см2, были исследованы индикаторным методом. Анализ экпериментальных данных говорит о том, что увеличение концентрации поверхностных центров (Si atoms) с pKa 14,2 (от 6,1 нмоль/см2 для 30 мА/см2 до 356 нмоль/см2 для 80 мА/см2) ведет к усилению гидрофобных свойств материала. Кроме того, при увеличении плотности тока от 30 мА/см2 до 80 мА/см2, наблюдается увеличение содержания на поверхности пористого кремния основных гидроксилов (Si(OH)3) с pKa 8,8 (от 1,17 до 10,1 нмоль/см2) и нейтральных гидроокислов (Si(OH)2) c pKa 6,4 (от 1,17 до 10,1 нмоль/см2).

Таким образом с помощью полученных данных по измерениям краевого угла смачивания можно дать рекомендацию для проведения экспериментов индикаторным методом для образцов пористого кремния при плотностях тока анодирования 5 и 120 мА/см2 и предположить высокую концентрацию поверхностных центров (Si atoms) с pKa приблизительно равным 14 на поверхности пористого кремния.

Работа выполнялась в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ № 16.2112.2014/К по теме «Получение и исследование пористых систем, функционализированных наноматериалами, применений в фотонике, сенсорике и медицине».

Список литературы

  1. Александрова О.А., Алешин А.Н., Белорус А.О., Бобков А.А., Гузь А.В., Кальнин А.А., Кононова И.Е., Левицкий В.С., Мазинг Д.С., Мараева Е.В., Матюшкин Л.Б., Москвин П.П., Мошников В.А., Муратова Е.Н., Налимова С.С., Пономарева А.А., Пронин И.А., Спивак Ю.М. Новые наноматериалы. Синтез. Диагностика. Моделирование., Изд-во СПбГэту "ЛЭТИ", С. 248, 2015.;

  2. Белорус А.О. Исследование поведения наночастиц порошков пористого кремния методом "растекающейся капли". Изд-во ООО "Аэтерна", С. 3-10, 2015.;
  3. Белорус А.О., Комлев А.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014613394, название программы: Measurement of contact angel (MofCA), дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 26 марта 2014г;

  4. Spivak Yu.M., Myakin S.V., Moshnikov V.A., Panov M.F., Belorus A.O., Bobkov A.A. Surface functionality features of porous silicon prepared and treated in different conditions, Т. 2016, 2016;



Матфизика и численные методы

Исследование устойчивости неявных параметрических схем для системы кинетических уравнений (Stability investigation of implicit parametrical schemes for the systems of kinetic equations)

Прохорова Елизавета Александровна1, Кривовичев Г. В.1

1СПбГУ

Эл. почта: proxliza@mail.ru

The system of kinetic equations of lattice Boltzmann method for modelling of weakly compressible gas flows is considered. The integral form of the system is obtained by integration along the characteristics in phase space. Implicit finite-difference schemes are constructed by application of simple quadrature formulas for the computation of integrals. The formulas of null and first orders are applied. Six families of the schemes with dependence on scalar dimensionless parameter are constructed. It is demonstrated, that the maximal accuracy order of the schemes is a second order.

The expressions for the apparent viscosity of the schemes are obtained by the method of Chapman – Enskog asymptotic expansion on Knudsen number. Navier – Stokes equations for weakly compressible viscous gas flows are obtained. Expressions for apparent viscosity are dependent on the parameters of the schemes and demonstrated the existence of numerical (fictitious) viscosity. Sufficient stability conditions are obtained as a results of the analysis of apparent viscosity in form of inequalities on the parameters of the schemes. It is demonstrated that the same inequalities may be obtained by von Neumann method.

The validity of the obtained stability conditions are demonstrated by numerical solution of lid-driven cavity flow problem. The cases of Reynolds number equal to 50, 100, 400 and 1000 are considered. For the realisation of computations by implicit schemes the Newton – Raphson method is applied. Obtained numerical results demonstrated the correction of obtained stability conditions on different time and space grids.   



Анализ параметрических разностных схем для системы линейных уравнений переноса (Analysis of parametrical finite-difference schemes for the system of linear advection equations)

Марнопольская Елена Сергеевна1, Кривовичев Г. В.1

1СПбГУ

Эл. почта: marnlena@yandex.ru

Finite-difference schemes for the system of linear advection equations are considered. The schemes are constructed by two step discretization of time derivative by modification of central difference. Advective terms are discretized along the characteristics of the scheme by single finite difference. The order of accuracy of approximations is varied from first to fourth orders. The constructed schemes are dependent on scalar dimensionless parameter which can affect the properties of the schemes.

Considering initial conditions stability of the schemes is investigated by von Neumann method. As a result of the stability analysis, a stability domain is constructed. Stability conditions in form of inequalities for Courant number are obtained. The existence of numerical dispersion and dissipation is demonstrated by the solution of test problem for one-dimensional flow. Numerical dispersion is realized by fictitious high-frequency oscillations. The effect of numerical dissipation is demonstrated by the decreasing of amplitude of the solution at semi-infinite time interval. The search of optimal parameter is realized by the solution of the optimisation problems for dispersive and dissipative surfaces. The optimal parameter values are obtained.

Constructed schemes may be applied on the advection stage of splitting method for the solution of general Boltzmann equation or in the lattice Boltzmann method for modeling of gas flows.  The validity of the schemes with optimal parameter is demonstrated by results of numerical solution of test problems for weakly compressible gas flows. The problem of lid-driven cavity flow and shear waves in viscous fluid are considered.



The coefficient smoothing method application to the problem of gas pipeline glaciation

Михеев Сергей Андреевич1, Ермолаева Н. Н.1, Кривовичев Г. В.1

1СПбГУ

Эл. почта: helps2@rambler.ru

Presented work is dedicated to the numerical solution of the glaciation problem for the gas pipeline. The gas temperature in the pipeline may be lower than the water-ice phase transition temperature, so the glaciation process must be considered. The continuous numerical method [1] for the problem of glaciation of the cylinder immersed in sea water is considered. The method is based on the transition to the Dirichlet problem for the nonlinear two-dimensional heat equation in cylindrical coordinate system. The Stefan condition is implicitly included to coefficient of the heat equation. The splitting method [2] is proposed to the solution of the problem for two-dimensional heat equation. The solution process is realized through two stages by solution of two one-dimensional problems.  The solution of the first problem on the (n+1)-th step is the initial condition for the second problem. The first problem is considered at a fixed angular coordinate and the second one at a fixed radial coordinate. According to the splitting method, we assume that the solution of the second problem is the solution of two-dimensional problem. Heat equation of first problem is discretized by nonlinear implicit finite-difference scheme, proposed by A. A. Samarskii [1]. Temperature values at grid nodes are calculated by method of iterations. It is showed that good accuracy may be realized by one iteration. The scheme is reduced to the system of three-point equations. The system is solved by the tridiagonal matrix algorithm. The system of the three-point equations of the second problem is solved by the circular tridiagonal matrix algorithm [3]. Two types of the functions for the Dirac delta function approximation are proposed. Calculation of glaciation process was carried out with the parameters of the problem presented in [4]. Time moments of the glaciations for every ice layer are obtained. Results obtained are consistent with the results of calculations based on the phase tracking method.

Список литературы

1. Samarskii A.A., Moiseenko B.D. An economic continuous calculation scheme for the Stefan multidimensional problem // USSR Computational Mathematics and Mathematical Physics. Vol. 5. №. 5. 1965. P. 43–58.

2. Yanenko N.N. The method of fractional steps (The solution of problems of mathematical physics in several variables) / Yanenko N.N.; Engl. transl. ed. by M.Holt. – Berlin etc.: Springer-Verl., 1971. 156 р.

3. Samarskii A.A. The theory of difference schemes. New York, Marcel Dekker, 2001. 761 p.

4. Ermolaeva N.N., Kurbatova G.I. The models of heat transfer in a sea gas-pipeline at the glaciation // 2015 International Conference on Mechanics – Seventh Polyakhov's Reading. Article number 7106725.



Первопринципный расчет спектральных и магнитных свойств соединений серии RTX (R - редкоземельные элементы, T - 3d и 4d-элементы, X=Ge, Si)

Лукоянов Алексей Владимирович1

1ИФМ УрО РАН

Эл. почта: lukoyanov@imp.uran.ru

В работе приводится обзор результатов теоретических расчетов спектральных и магнитных свойств соединений серии RTX (R - редкоземельные элементы, T - 3d и 4d-элементы, X=Ge, Si) в рамках зонного метода LSDA+U [1-3]. Данный метод позволяет учесть сильные электронные корреляции в 4f-оболочке редкоземельных ионов и спиновую поляризацию всех состояний. Полученная электронная структура позволяет рассчитать межзонные вклады в оптическую проводимость, которые для данной серии соединений находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Полученные в результате расчетов магнитные свойства также близки к имеющимся экспериментальным данным. Работа проведена при поддержке Индо-Российского гранта РФФИ 15-52-45009 в рамках государственного задания ФАНО России (тема «Электрон», № 01201463326).

Список литературы

  1. Gupta S., Suresh K.G., Nigam A.K., Lukoyanov A.V., Magnetism in RRhGe (R=Tb, Dy, Er, Tm): An experimental and theoretical study, Journal of Alloys and Compounds, 640, 56, 2015;
  2. Князев Ю.В., Лукоянов А.В., Кузьмин Ю.И., Gupta S., Suresh K.G., "Исследование электронной структуры и оптических свойств соединений HoCoSi и ErNiSi, Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 150, 2, 1, 2016;
  3. Gupta S., Suresh K.G., Lukoyanov A.V., Knyazev Yu.V., Kuz’min Yu.I., Understanding the magnetic, electronic and optical properties of ternary rare earth intermetallic compound HoNiSi, Journal of Alloys and Compounds, 650, 542, 2015;


Функционально-дифференциальное уравнение нейтрального типа с интегрируемой слабой особенностью: модель термодесорбции водорода

Костикова Екатерина Константиновна1, Заика Ю. В.1

1ИПМИ КарНЦ РАН КарНЦ РАН

Эл. почта: fedorova@krc.karelia.ru

В рамках технологических задач водородного материаловедения (включая проект ITER) ведется интенсивный поиск различных по назначению конструкционных материалов с заранее заданными пределами водородопроницаемости. Одним из экспериментальных методов является термодесорбционная спектрометрия (ТДС). Образец, предварительно насыщенный водородом, дегазируется в условиях вакуумирования и монотонного нагрева. С помощью масс-спектрометра регистрируется десорбционный поток, позволяющий судить о характере взаимодействия изотопов водорода с твердым телом. Интерес представляют такие параметры переноса как коэффициенты диффузии, растворения, десорбции,...

Для оценки параметров переноса требуется численно моделировать ТДС-спектр (зависимость плотности десорбционного потока от текущей температуры). В работе получено нелинейное функционально-дифференциальное уравнение нейтрального типа с интегрируемой слабой особенностью, описывающее динамику поверхностной концентрации десорбирующего водорода. Разработан вычислительный алгоритм, позволяющий при моделировании ТДС-спектра вместо численного решения нелинейной краевой задачи с динамическими граничными условиями применять процедуру интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений, используя средства стандартных программных пакетов (например, свободно распространяемого Scilab). При решении обратной задачи параметрической идентификации по экспериментальным данным разработанный алгоритм дает существенную экономию вычислительных ресурсов, позволяя «сканировать» широкий диапазон значений параметров модели за приемлемое время. Приведены результаты вычислительных экспериментов, использующих данные по водородопроницаемости никеля и конструкционной стали.



Arrowhead decomposition method for a block-tridiagonal linear system

Belov Pavel1, Nugumanov E. R.1,2, Yakovlev S. L.1

1St. Petersburg State University

2BashNIPIneft LLC

Эл. почта: pavelbelov@gmail.com

Many boundary value problems arized in physics and applied mathematics after discretization lead to a linear system with a block-tridiagonal matrix. As a simple example, one can consider a finite-difference approximation of the two-dimensional Poisson equation on the equidistant grids over each variable. In this case, each block of the matrix becomes large and sparse, but the block-tridiagonal structure is kept. A combination of the finite-difference method over one coordinate and a basis set method [1] over other coordinate generally produces a block-tridiagonal matrix with dense blocks. The intermediate case of the basis set with a local support, namely splines [2], results in the band blocks [3] with the bandwidth comparable with that one appeared from the finite-difference method.

The direct method for solving the linear systems is the Gauss elimination. An adaptation of the Gauss elimination to the block-tridiagonal systems is known as the matrix sweeping algorithm [4] or as the matrix Thomas algorithm [5]. In this algorithm, the idea of Gauss elimination is applied to the blocks themselves. The algorithm is well defined and robust for matrices with the diagonal dominance, but its sequential nature makes it difficult to be applied for parallel calculations.

The present talk is focused on the developed arrowhead decomposition method (ADM) for efficient parallel solving the block-tridiagonal linear systems. The initial matrix is logically reduced to "arrowhead" form, namely some new independent on-diagonal blocks, sparse off-diagonal blocks and a coupling matrix of much smaller size. The concept of rearranging the initial matrix into "arrowhead" form has already been proposed for ordinary tridiagonal matrices. The method comes from the domain decomposition [6,7], where the idea to divide a large problem into small ones which can be solved independently was introduced. In Ref. [8] this idea is illustrated by the tridiagonal matrix obtained from the finite-difference discretization of the one-dimensional Laplace operator. It is shown that this method is faster than the Wang algorithm [9,10] and following ones.

The ADM includes parallel inversions of the on-diagonal blocks and solving the equation for the coupling matrix. The ADM uses the matrix sweeping algorithm for dealing with the independent on-diagonal blocks, but the parallel structure of the method leads to a remarkable growth of the performance. The analytical estimation of the computational speedup of the ADM with respect to the sequential matrix sweeping algorithm and practical tests have been carried out. For not so large supercomputing systems, the ADM allows us to obtain a linear growth of the computational speedup S with increase of the number of computing units P: S\sim 3P/7. For larger supercomputing systems, the nonparallelized part of the method is increased, so the linear growth decelerates. The application of the ADM for parallelization of solving the studied linear systems reduced the overall time of calculation up to 20 times.

Список литературы

  1. Press W. H., Teukolsky S. A., Vetterling W. T., Flannery B. P., Numerical recipes: The art of scientific computing, Cambridge University Press, New York, 2007;
  2. Ahlberg J. H., Nilson E. N., Walsh J. L., Theory of splines and their applications, Academic Press, New York, 1967;
  3. Belov P. A., Yakovlev S. L., Asymptotic method for determining the amplitude for three-particle breakup: Neutron-deuteron scattering, Phys. Atom. Nucl., Vol. 76, P. 126, 2013;
  4. Samarskii A. A., Nikolaev E. S., Methods for solving finite-difference equations, Nauka, Moscow, 1978;
  5. Thomas L. H., Elliptic problems in linear difference equations over a network, Watson Sci. Comput. Lab. Rept., Columbia University, New York, 1949;
  6. Bjorstad P. E., Widlund O. B., Iterative methods for the solution of elliptic problems on regions partitioned into substructures, SIAM J. Numer. Anal., Vol. 23, P. 1097, 1986;
  7. Korneev V. G., Langer U., Dirichlet-Dirichlet Domain Decomposition Methods for Elliptic Problems, World Scientific, 2015;
  8. Ortega J. M., Introduction to parallel and vector solution of linear systems, Springer, New York, 1988;
  9. Wang H. H., A parallel method for tridiagonal equations, ACM Trans. Math. Soft., Vol. 7, P. 170, 1981;
  10. Volokhova A. V., Zemlyanaya E. V., Rikhvitskiy V. S., A parallel optimization method for numerical solving the system of polaron equations using the partitioning algorithm, Vychislitel’nye Metody i Programmirovanie, Vol. 16, P. 281, 2015;


Прототип распределенной системы подбора кинетических параметров формирования разложения бинарных гидридов металлов по экспериментальным данным

Чернов Илья Александрович1

1ИПМИ КарНЦ РАН

Эл. почта: IAChernov@yandex.ru

Модели взаимодействия водорода с металлами описываются нелинейными системами дифференциальных уравнений (обыкновенных либо с частными производными) и содержат кинетические константы. Задача определения этих величин по экспериментальным данным сложна, некорректна, имеет множество решений и для нее нет стандартных методов. Отметим, что современные модели, описывающие сложные физико-химические процессы, принципиально нелинейны, и мы считаем методически неправильным рачленять процесс на независимые сменяющие друг друга фазы. Некорректно также и выделять единственный процесс в качестве лимитирующего - на практике два или более процессов имеют сравнимую скорость и совместно определяют скорость реакции. Нелинейное описание процесса как целого, с непрерывно сменяющими друг друга этапами, приводит к тому, что константы невозможно определить независимо друг от друга. При этом кинетические кривые, получаемые в эксперименте, имеют достаточно простую форму и потому не несут слишком много информации о процессе. Все это приводит к тому, что сложно рассчитывать на простые формулы для оценки параметров.

Методы типа спуска пригодны для уточнения решения, но редко полезны в случаях, когда информации о начальном приближении мало. Особый интерес имеют методы переборного типа, включая вариации генетических алгоритмов. Учитывая рост производительности компьютеров, доступности высокопроизводительных систем и скорости сетей передачи данных за последние годы, необходимо привлекать современные вычислительные возможности для решения задачи оценки характеристик материалов. Одним из подходов для решения подобных задач является Enterprize Desktop Grid - вычислительные сети из компьютеров организации [1]. Такие сети дешевы, легко разворачиваются и столь же просто консервируются после решения задачи. Широкому применению этой технологии препятствует характер подобных задач: модели однотипны, но различаются в деталях; объединение компьютеров организации в вычислительную сеть несложно, но требует некоторых усилий; задачи одноразовые - затраты на решение задачи малы по сравнению с затратами на постановку эксперимента и получение данных. В итоге они применяются значительно реже, чем могли бы.

Мы разрабатываем программное средство для решения задач оценки характеристик гидридообразующих металлов по данным кинетических экспериментов по разложению и формированию бинарных гидридов. Эти сложные процессы зависят от таких элементарных реакций как диффузия водорода в двух фазах, десорбция и адсорбция, фазовый переход на границе фаз, нуклеация. Друг друга плавно сменяют этапы формирования и роста зародышей новой фазы, образования и утолщения сплошной корки новой фазы (сценарий сжимающегося ядра), насыщение или дегазация. У нас имеется банк моделей и опыт решения подобных задач [2]. В составе системы имеется библиотека численных методов, банк готовых, легко модифицируемых моделей, а также база оценок параметров ряда материалов, полученных нами ранее. Система допускает разворачивание вычислительной сети на компьютерах организации на базе программного обеспечения BOINC [3]. При этом ресурсы используются во время простоя, не нарушая обычную работу. Опыт показывает, что при завышенных требованиях на качество приближения экспериментальной кривой модельными решений может не быть, однако при более разумных ограничениях их всегда много. Получить единственное безусловно правильное решение невозможно. Имеет смысл приближение серии кривых, полученных при слегка различных условиях, с отбором тех решений, в которых меньше варьируются параметры. Это увеличивает пространство поиска, делая применение высокопроизводительных вычислений еще более выигрышным.

Список литературы

  1. Ивашко Е.Е. Desktop Grid корпоративного уровня, Программные системы: теоря и приложения, 1(19), 183-190, 2014.

  2. Чернов И.А., Ивашко Е.Е., Никитина Н.Н., Габис И.Е. Численная идентификация модели дегидрирования в грид-системе на базе BOINC, Компьютерные исследования и моделирование, 5(1), 37-45, 2013.

  3. Anderson D.P. BOINC: A System for Public-Resource Computing and Storage,

    Proceedings of the Fifth IEEE/ACM International Workshop on Grid Computing (GRID’04), 365-372, 2004.



Построение форм-фактора электронных сгустков произвольной формы и последовательности для расчёта когерентного излучения

Харисова Анастасия Евгеньевна1, Сутыгина Я. Н.1, Шкитов Д. А.1

1ТПУ

Эл. почта: anastasiya.harisova.94@mail.ru

Современный уровень научных исследований в различных областях физики в значительной степени определяется успехами в создании эффективных источников электромагнитного излучения. В связи с этим понятен тот исключительный интерес, который в последнее время проявляется к источникам индуцированного излучения, на основе которых можно создать лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) [1], и интерес к возможности генерации мягкого рентгеновского излучения с использованием эффекта обратного комптоновского рассеяния [2]. Такой интерес определяется тем, что ЛСЭ открывают перспективы получения мощного когерентного излучения с плавно перестраиваемой частотой в широком диапазоне (от микроволнового до ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения). В связи с этим практическое применение представляют работы по исследованию когерентного излучения релятивистских пучков заряженных частиц. Источником излучения в ускорителях и накопительных кольцах являются заряженные частицы, количество которых в сгустке может достигать 108 —1013, данные частицы могут занимать, как всю орбиту (бетатрон), так и группироваться в отдельные сгустки (синхротрон) [3]. Распределение электронов внутри сгустка конечной протяженности характеризует форм-фактор, определяющий увеличение интенсивности когерентного излучения по сравнению с некогерентным излучением. Форм-фактор зависит от отношения длины электронного сгустка  к длине волны исследуемого излучения . Для разных видов излучения форм-фактор различен. Для тормозного и синхротронного излучения (СИ), в которых излучает непосредственно релятивистская частица, форм-фактор может быть получен в общем виде. При этом форм-фактор в общем виде проблематично получить для переходного (ПИ), дифракционного излучения (ДИ) и излучения Смита-Парселла, где излучение, индуцированное полем электронов, генерируется материалом мишени [4]. В расчётах форм-фактора для наклонных сгустков, исследование излучения от которых началось недавно [5], необходимо учитывать их поперечные размеры, в случае, когда они сопоставимы или больше продольного размера [6]. Перспективным методом генерации терагерцового когерентного излучения является использование микро-трейнов (последовательностей коротких электронных сгустков с интервалом) [7]. Для данного случая при расчёте форм-фактора необходимо учитывать интерференцию излучения, индуцированного каждым сгустком, что может быть сделано путём расчёта форм-фактора микро-трейна. При выводе форм-фактора применяют ряд приближений, таких как:

1. излучение рассматривается в дальней волновой зоне;

2. напряжённость электрической компоненты поля частиц в сгустке не зависит от изменения координат электронов внутри сгустка; и другие.

В данной работе представлены способы построения форм-фактора для синхротронного и переходного излучений. Также в работе приводятся расчёт форм-факторов от сгустков гауссовой формы [8] и их равномерных последовательностей. 

Список литературы

  1. Федоров М.В., Взаимодействие электронов с электромагнитным полем в лазерах на свободных электронах, УФН, №135/2, С. 213-236, 1981.;
  2. Potylitsyn A.P., Thomson scattering of coherent diffraction radiation by an electron bunch, Phys. Rev. E., V. 60, P. 2272, 1999.;
  3. Тернов И.М., Синхротронное излучение, Успехи физических наук, Т. 165, № 4, С. 429-456, 1995.;
  4. Науменко Г.А., Форм-факторы релятивистских электронных сгустков в когерентном излучении, Известия высших учебных заведений. Физика, №10/3, С. 199-206, 2007.;
  5. Sakaue K., Nishida M., Washio M. et al., Generation of coherent Cherenkov radiation by using electron bunch tilting, Proceedings of IPAC, TUPOW047, P. 1870-1872, 2016.;
  6. Потылицин А.П., Пространственная когерентность в переходном излучении коротких электронных сгустков, Письма в ЖЭТФ, Т. 103, № 11, С. 762-766, 2016.;
  7. Shkitov D.A., Potylitsyn A.P., Aryshev A.S et al., Feasibility of double diffraction radiation target interferometry for compact linear accelerator micro-train bunch spacing diagnostics, J. Phys.: Conf. Ser., V. 517, 012024, P. 3635-3637, 2014.;
  8. Нагорный В.А., Потылицын А.П., Угловые характеристики когерентного переходного излучения от сгустков ультрарелятивистских электронов различной формы, Известия ТПУ, Т. 307, № 1, С. 15-23, 2004.;


Разработка моделей и методов моделирования оптоэлектронных элементов для быстродействующих интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС

Писаренко Иван Вадимович1, Рындин Е. А.1

1ЮФУ

Эл. почта: ivan123tgn@yandex.ru

Данная работа посвящена проблеме исследования и разработки оптоэлектронной элементной базы интегральных систем оптической коммутации на основе материалов типа AIIIBV. Рассматривается концепция, предусматривающая создание многоядерных ультрабольших интегрально-оптических схем, которые комбинируют кремниевые цифровые ядра и наногетероструктурные межъядерные оптические соединения [1]. Целью исследования является разработка комплекса моделей, методов моделирования и прикладных программных средств, которые позволяют описывать физические процессы, протекающие в структурах базовых оптоэлектронных элементов интегральных систем оптической коммутации – лазеров, модуляторов и фотодетекторов. В работе рассматривались следующие структуры быстродействующих интегральных оптоэлектронных элементов: инжекционные лазеры с двойными AIIIBV-наногетероструктурами и функционально интегрированными модуляторами, использующие принцип управляемой передислокации максимумов плотности носителей заряда в пределах связанных квантовых областей [2, 3]; фотодетекторы на основе p-i-n структур и фотодиодов с барьерами Шоттки. Процессы переноса и накопления носителей заряда в структурах оптоэлектронных элементов описывались в рамках диффузионно-дрейфового приближения полуклассического подхода к физико-топологическому моделированию полупроводниковых приборов. Предложены уточненные численные физико-топологические модели лазеров-модуляторов, синтезированные на основе диффузионно-дрейфовой системы уравнений полупроводника и уравнений кинетики лазеров [4]. Для моделирования фотодетекторов разработаны численные диффузионно-дрейфовые модели, характеризующиеся комплексным учетом различных механизмов генерации и рекомбинации носителей заряда, эффектов междолинного перехода электронов, ударной ионизации, баллистического транспорта и насыщения дрейфовых скоростей носителей заряда с целью повышения адекватности результатов моделирования. Предложена методика численного диффузионно-дрейфового моделирования, комбинирующая неявную и противопоточную разностные схемы, метод Гуммеля и различные базисы переменных с целью обеспечения адекватности результатов моделирования при оптимизированных затратах временных и вычислительных ресурсов на их получение. Представленная методика была апробирована для моделирования лазеров-модуляторов и фотодетекторов. Для решения проблемы возникновения отрицательных концентраций, проявившейся при моделировании фотодиодов с гетеропереходами, была разработана усовершенствованная методика, основанная на использовании базиса экспонент квазиуровней Ферми и электростатического потенциала, метода Ньютона и неявной разностной схемы. Предложены пакеты прикладных программ на языке MATLAB в среде GNU Octave, реализующие разработанные модели и методы и позволяющие моделировать оптоэлектронные приборы с различными параметрами и режимами работы. Разработанные модели и средства моделирования могут применяться для исследования переходных процессов, протекающих в структурах оптоэлектронных элементов для интегральных систем оптической коммутации, и обоснованной оптимизации их конструктивно-технологических и электрофизических параметров. Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования и Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (г. Таганрог) при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 16-07-00018) и Министерства образования и науки Российской Федерации (проект 8.797.2014К).

Список литературы

  1. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Метод построения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС. Известия ЮФУ. Технические науки. №4 (117). С. 21–27. 2011. ;
  2. Konoplev B.G., Ryndin E.A., Denisenko M.A. Components of Integrated Microwave Circuits Based on Complementary Coupled Quantum Regions. Russian Microelectronics. Vol. 44. № 3. P. 190–196. 2015.;
  3. Konoplev B.G., Ryndin E.A., Denisenko M.A. Injection Laser with a Functionally Integrated Frequency Modulator Based on Spatially Shifted Quantum Wells. Technical Physics Letters. V. 39. № 11. P. 986–989. 2013.;
  4. Pisarenko I.V., Ryndin E.A., Denisenko M.A. Diffusion-drift model of injection lasers with double heterostructure. Journal of Physics: Conference Series. Vol. 586. P. 012015. 2015.;


Теоретическое исследование процессов конденсации нанокристаллических плёнок ZnO методом импульсного лазерного осаждения

Ивонин Михаил Николаевич1, Агеев О. А.1

1ЮФУ

Эл. почта: michael24kobe@gmail.com

Развитие современной электронной техники связанно с разработкой и внедрением в производство технологий формирования материалов с новыми свойствами. К таким свойствам относится мемристорный эффект, заключающийся в возможности структур переключаться между состояниями с высоким и низким сопротивлением. Тонкие плёнки ZnO являются перспективным материалом для создания мемристорных структур, так как под действием внешнего электрического поля в пленке наблюдаются процессы миграции дефектов, что приводит к переключению сопротивления. Мемристоры как переменные резисторы очень перспективны в качестве синапсов нейронных сетей, но для использования необходимо решить ряд проблем как технологических, так и теоретических [1,2].

Целью работы является разработка математической модели, описывающей стадии роста нанокристаллических плёнок ZnO c контролируемыми свойствами при разлёте пара, образованного при лазерной абляции мишени материала.

Моделирование роста нанокристаллических плёнок ZnO проведено в рамках классической теории конденсации [3]. Для описания нуклеации предложена модель Λ-взаимодействия кластеров, позволяющая описать взаимодействие кластеров в докритической метастабильной области заполнения более полно, чем больцмановское распределение в данной области [4-6], классифицировать кластеры по энергии образования, размеру, критическому размеру и скорости распада при одновременном росте и испарении. При этом модель позволяет описать избирательный характер взаимодействия кластеров с определённой степенью вероятности захвата кластерами отдельных атомов из потока в зависимости от размера, критического размера, скорости коалесценции, скорости распада и энергии образования.

Прикритические и закритические метастабильные состояния плёнки описаны уравнением Зельдовича [3,5]. Однако, в отличие от работ [3,5,6] получено аналитическое решение последнего, путём сведения с помощью специальной операторной статистики к нелинейным уравнениям теплопроводности.

Коалесценция описана в рамках теории роста Колмогорова [3], однако для учёта в процессе коалесценции вышеописанных характеристик каждого типа кластера и описания процесса образования вакансий формула Колмогорова была модифицирована. Это позволяет предсказать перестройку структуры элементарных ячеек кластера: от кубической до гексагональной. Дислокации возникают в результате сил упругости и сил, связанных с собственной энергией в направлении границы слияния кластеров, обуславливающих образования границ зёрен, состоящих из сегментов повторяемости. Это обуславливает образование как минимум 5 типов дислокаций c векторами b [110] и [0001] и последующим зарождением перегибов, ступенек и точечных дефектов через взаимодействия частичных дислокаций и других линейных дефектов с точечными дефектами и с внешним полем. Переползание и скольжение дефектов под действием внешнего поля обусловлено нарушением равновесия, вследствие избытка определенного дефекта. Как результат через седловые точки, созданные определенным типом экранирования заряда, текут диффузионные потоки. Под влиянием внешнего электрического поля нарушается установившееся равновесие. Начинают скользить и переползать дислокации, порождающие или уничтожающие в зависимости от ориентации последних точечные дефекты, имеющие определённый суммарный заряд. Общая проводимость полученной структуры будет отличаться на порядки от проводимости структуры до воздействия поля.

Результаты моделирования позволят выявить влияния структурных параметров нанокристаллической плёнки ZnO на мемристорный эффект и установить технологические условия контролируемого переключения структуры из высокоомного в низкоомное состояние.

Исследования проведены с использованием оборудования Научно-Образовательного Центра и Центра Коллективного Пользования “Нанотехнологии” Южного федерального университета.

Список литературы

  1. Э.Е. Элбакян, Р.К. Овсепян, Мемристоры на основе легированных литием плёнок ZnO, Известия НАН Армении. Физика, Том 50, №3, с. 368-374, (2015).;
  2. F. Pan, S. Gao, Recent progress in resistive access memories: Materials, switching mechanisms, and performance, Material Science and Engineering, R 83, pg. 1-59, (2014).;
  3. В.Г. Дубровский, Теоретические основы технологии полупроводниковых наноструктур, Учебное пособие, 350 стр., (2006).;
  4. М.Н. Ивонин, Исследование процессов роста нанокристаллических плёнок ZnO методом лазерной абляции для перспективных элементов наноэлектроники, Сборник трудов XV Школы молодых ученых “Актуальные проблемы физики”, издательство РИИС ФИАН, Москва, стр. 118-119, (2014).;
  5. Н.В. Сибирёв, М.В. Назаренко, Численный анализ влияния флуктуаций на рост зародышей при фазовых переходах первого рода, Письма в ЖТФ, Том 37, вып. 13, (2011).;
  6. В.М. Иевлев, Е.В. Шведов, Кинетика формирования дискретных наноструктур в процессе вакуумной конденсации из однокомпонентного пара, Физика твёрдого тела, Том 48, вып. 1, (2006).;


Моделирование водородопроницаемости мембран для выделения особо чистого водорода

Родченкова Наталья Ивановна1, Заика Ю. В.1

1ИПМИ КарНЦ РАН

Эл. почта: nirodchenkova@krc.karelia.ru

Производство особо чистого водорода необходимо для экологически чистой энергетики и различных химико-технологических процессов. Методом измерения удельной водородопроницаемости исследуются различные сплавы, перспективные для использования в газоразделительных установках. Требуется оценить параметры диффузии и сорбции с тем, чтобы иметь возможность численно моделировать различные сценарии и условия эксплуатации материала (включая экстремальные), выделять лимитирующие факторы.

В работе представлена нелинейная математическая модель, ориентированная на экспериментальный комплекс по исследованию взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами, созданный в Институте металлургии УрО РАН. На основе неявных разностных схем разработан итерационный вычислительный алгоритм решения соответствующей нелинейной краевой задачи с учетом динамики сорбционно-десорбционных процессов и обратимого захвата диффундирующего водорода неоднородностями структуры материала.

Результаты соответствуют физическим представлениям качественного характера, но позволяют дополнить их информацией о «производных» выходных данных по отношению к вариациям параметров водородопроницаемости материала. Кроме того, появляется возможность анализировать динамику концентраций и потоков, недоступных прямому экспериментальному измерению.



Numerical determination of the CFT central charge by the Wang-Landau algorithm

Nazarov Anton Andreevich1, Sorokin A. O.2, Belov P. A.1

1Saint Petersburg State University

2Petersburg Nuclear Physics Institute

Эл. почта: antonnaz@gmail.com

Spin models are quite simple statistical models of physics systems, such as ferromagnets. They allow one to understand the behavior of the studied system, in particular, at a phase transition. In spite of the apparent simplicity of such models, most of them are not analytically solvable. Hence, numerical methods are used. From the theoretical point of view, the quantum field theory is an excellent framework for understanding the influence of geometry on the ferromagnetic systems. This is especially true in case of critical behavior of two-dimensional systems, where conformal invariance plays a crucial role. Conformal field theory (CFT) in two dimensions is especially powerful since it possess an infinite-dimensional Virasoro symmetry [1]. CFTs [2] have small number of parameters, namely the central charge and conformal weights of the primary fields. It is possible to compute analytically or numerically a lot of observables, such as multi-point correlation functions, to study different boundary conditions, behavior in different geometries and various perturbations of CFTs. For most famous lattice models the CFT counterparts are analytically known. For example, the Ising model corresponds to CFT characterised by the central charge c=\frac{1}{2}. There are some models like the q-state Potts model [3] and the tricritical Ising model [4,5] whose lattice counterparts and field parameters are also known. Similar to the Ising model, the q-state Potts model is related to the spin XY model [6] and makes it possible to understand the behavior of ferromagnets and certain other phenomena of solid state physics. However, there are models whose counterparts as well as the CFT parameters are unknown. A remarkable example is the site-diluted Ising model [7] which implies presence of magnetic clusters in the whole system. This model is usually characterized by two parameters: temperature T and the occupancy p which is the ratio of magnetic sites to all sites of the system. The attempts to describe the critical behavior of this system have a long history and the agreement has not been achieved so far. Here, we can mention papers of Dotsenko and Shalaev [8,9] who theoretically obtained the critical behavior of correlation length, magnetic suspectibility and heat capacity. There are also many numerical studies of the critical behavior [10,11,12], some of them contradict with the theorerical results. For example, the recent paper by Najafi [12] studies the 2D lattice site-diluted Ising model in the neighbourhood of the critical point. The variable value of the central charge, obtained in this paper by studying the dynamics of the domain interfaces for p=0.8-1.0, claims that the site-diluted Ising model is different from the ordinary Ising model. In this report, we present a new method for numerical determination of the central charge of CFT model corresponding to 2D lattice models. Although the classical Monte Carlo techniques [13] do not allow one to extract the free energy, we apply the recently developed Wang-Landau algorithm [14] to calculate the free energy of a lattice model on a torus. The central charge is calculated from the free energy scaling with respect to the torus radii. We obtain the central charge, c, as a function of the occupancy, p, for p=0.8-1.0 and show that for this range c \approx \frac{1}{2}. The latter indicates that the Ising model is kept for these systems and the central charge is universal in contrast to results of Ref. [12].

Список литературы

  1. A. A. Belavin, A. M. Polyakov, A. B. Zamolodchikov, Infinite conformal symmetry in two-dimensional quantum field theory, Nucl. Phys. B 241 (1984) 333.;
  2. P. Di Francesco, P. Mathieu, D. Senegal, Conformal Field Theory, Springer, New York, 1997.;
  3. F. Y. Wu, The Potts model, Rev. Mod. Phys. 54 (1982) 235.;
  4. M. Blume, Theory of the first-order magnetic phase change in uranium dioxide, Phys. Rev. 141 (1966) 517.;
  5. H. W. Capel, On the possibility of first-order phase transitions in Ising systems of triplet ions with zero-field splitting, Physica 32 (1966) 966.;
  6. H. E. Stanley. Introduction to phase transitions and critical phenomena, Oxford University Press, 1971.;
  7. H. G. Ballesteros, L. A. Fernandez, V. Martin-Mayor et al., Ising exponents in the two-dimensional site-diluted Ising model, J. Phys. A, Math. Gen. 30 (1997) 8379.;
  8. V. S. Dotsenko, Vi.S. Dotsenko, Critical behavior of the phase transition in the 2D Ising model with impurities, Adv. Phys. 32 (1983) 129.;
  9. B. N. Shalaev, Correlation function and susceptibility of a two-dimensional Ising model with impurities, Sov. Phys. Solid State 26 (1984) 1811.;
  10. V. B. Andreichenko, Vl. S. Dotsenko, W. Selke, J.-S. Wang, Monte Carlo study of the 2D Ising model with impurities, Nucl. Phys. B 344 (1990) 531.;
  11. J. K. Kim, A. Patrascioiu, Critical behavior of the specific heat in the two dimensional site diluted Ising system, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) 2785.;
  12. M. N. Najafi, Monte Carlo study of the Ising ferromagnet on the site-diluted triangular lattice, Phys. Lett. A 380 (2015) 370.;
  13. D. P. Landau, K. Binder, A guide to Monte Carlo simulations in statistical physics, Cambridge University Press, New York, 2009.;
  14. F. Wang and D. Landau, Efficient multiple-range random walk algorithm to calculate the density of states, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 2050.;


Algorithm for detection the QRS-complex based on support vector machine

Van GennadyVadimovich1, Podmasteryev K. V.1

1Orel State University named after I.S. Turgenev

Эл. почта: gennady.van@mail.ru

Quantitative and qualitative analysis of the QRS - complex as well as the time sequence of its appearance is one of the main tools in heart disease diagnosis. The deviation of the QRS-complex form, the change of its amplitude and time characteristics and physiological rhythms disturbance are caused by various heart diseases. The problem of exact finding of a QRS complex position on the recording and defining the diagnostics of significant characteristics becomes obvious. However, the solution of this task is complicated by personal variability, wide ranges of norm, and also by the presence of noises and artifacts of different origin in ECG signal.

For the solution of this task the algorithm of detection consisting of five stages was offered. This algorithm is based on a support vector machine method because this method possesses high efficiency and high-speed performance that allows it to be used in online time [1, 2]. The implementation of the algorithm and the results of the research were received in Jupiter for the Python 3 programming language with the use of the machine learning library scikit-learn.

At the first stage the removal of a raw signal from the patient is made.

At the second stage the signal is transformed for the increase of the algorithm efficiency. For the conversion a low pass filter with a cut-off frequency of 13 Hz, a high pass filter with a cut-off frequency of 9 Hz were used, as well as the function of the moving average with a 5 measurements window sizes is used.

At the third stage the adaptive threshold values by means of the informative features are created. For this algorithm the combination of such informative features as rise speed of a signal (as QRS complex has the greatest climb rate), and also the correlation of QRS complexes forms were selected (as QRS complex has a specific characteristic form) [3, 4].

At the fourth stage by means of a support vector machine method the classification function based on which the assignment of an unknown element to a QRS complex or non-QRS complex is defined, is created.

At the fifth stage the detection of QRS complexes in an ECG signal based on the classification function of a support vector machine method created earlier, is directly carried out.

For the training and testing the signals from the MIT-BIH Arrhythmia database are used. This database consists of 48 half-hour recordings for a total of 24 h of ECG data. Each one has duration of 30 min and include two leads. Two cardiologists have annotated all beats. This 24 h MIT-BIH database contains more than 109,000 beats [5, 6].

For the count of algorithm efficiency such indicators were used:

1) sensitivity, Se – a probable assessment of correctness of a QRS complex detection, is calculated as TP relation to the amount of TP and FN expressed as a percentage;

2) specificity, Sp – a probable assessment of absence of false positive result, is calculated as TP relation to the amount of TP and FP expressed as a percentage,

where TP is a correct detection of a QRS-complex; FN is when the algorithm fails to identify a QRS-complex; FP – if algorithm detects a non-QRS-complex as a QRS-complex [6].

The efficiency indicators of this algorithm are: sensitivity – 98,32%; specificity – 95,46%. Besides, this algorithm possesses a high-speed performance that allows it to be used in online time.

Further increase of efficiency of this algorithm is possible due to the use of bigger quantity of informative signs; changes of training procedure and teaching selection; changes of machine training method which has been the basis for the algorithm; changes of preliminary signal processing procedure; changes of output data interpretation procedure.

Список литературы

  1. Van G.V., Podmasteryev K.V. Review algorithm for detection the QRS-complex based on machine learning // Symposium Proceedings of 2nd International Scientific Symposium "Sense. Enable. SPITSE." 2015. (St.Petersburg, Russia, 22 June - 03 July 2015). - P. 61-63.
  2. Hastie T., Tibshirani R., Friedman J. The Elements of Statistical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction. — Springer-Verlag, 2009.
  3. Van G.V., Podmasteryev K.V. The analysis of informative features for R-peak detection // XII Internantional Scientific Conferense «Physics and Radioelectronics in Medicine and Ecology» with Scientific Youth session PhRЕME’2016 (Vladimir - Suzdal, Russia, 5-7 July, 2016), Proceedings, Book II. - P. 126-129.
  4. Hampton J.R. The ECG made easy. London: Churchill Livingstone, 2003.
  5. Moody G.B, Mark R.G. The impact of the MIT-BIH Arrhythmia Database // IEEE Eng in Med and Biol. 2001. P.45-50. Vol 20 №3.
  6. Saini I. et al. QRS detection using K-Nearest Neighbor algorithm (KNN) and evaluation on standard ECG databases // Journal of Advanced Research. 2013. Vol. 4, 331–344, №4.


Математическое моделирование изменения фильтрационно-емкостных свойств пласта при закачке химически активного вещества

Егоров Арсений Владимирович1

1РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Эл. почта: avegor95@gmail.com

Кислотная обработка нефтяных пластов является одним из наиболее широко распространенных способов воздействия на коллектор. Как правило, эта методика применяется в коллекторах с низкой проницаемостью, при этом улучшаются эксплуатационные качества пласта, такие как коэффициент извлечения или суточная добыча нефти, что является следствием увеличения в размерах старых или образования новых каналов для нефти. В настоящее время в нефтедобыче в основном применяются технологии с использованием плавиковой или соляной кислоты. [1] Для растворения карбонатных пород обычно используется соляная кислота, для обработки песчаников – плавиковая кислота в сочетании с соляной. В технологиях глубокой солянокислотной обработки пластов для увеличения глубины проникновения кислоты в коллектор применяются различные замедлители реакции растворения [2]. Для разработки терригенных пластов со средним содержанием карбонатов применяют растворы соляной кислоты. Отмечено негативное влияние кислотных составов, содержащих HF. Органические кислоты, такие как лимонная, уксусная и аминоуксусная, ускоряют процесс растворения глин [3]. Кислотная обработка пластов применяется весьма активно, особенно в России, и проблема расчета данного физическиого процесса остается актуальной. По данным проектного института ООО "СамараНИПИнефть" ежемесячно только по Самарской области компанией ОАО «Роснефть» проводится порядка 50 операций кислотной обработки пластов. Более 64% всех операций очистки призабойной зоны пласта с начала 2016г. были выполнены с применением соляной кислоты в карбонатных коллекторах.

Целью данной работы является построение гидродинамической модели физико-химического метода увеличения нефтеотдачи пластов, а именно – кислотной обработки пласта.

Рассматривается процесс двухфазной изотермической фильтрациии несжимаемых несмешивающихся жидкостей в однородном недеформируемом пористом пласте кубической формы. Производится расчет данного процесса в карбонатном пласте. Химически активное вещество нагнетается в пласт в растворенном в воде виде с постоянной концентрацией. Наиболее часто применяемый реагент для обработки карбонатов – соляная кислота. 1 кубометр раствора соляной кислоты при массовой концентрации 35% растворяет 0,201 м3 карбонатной породы. Данная реакция проходит без выделения тепла, поэтому процесс можно считать изотермическим [5]. Разность давлений между добывающей и нагнетательной скважиной задается постоянной. Учитывается содержание в пласте связной воды и остаточной нефти. Это связано с тем, что при небольшой водонасыщенности (нефтенасыщенности), соответствующая фаза в пласте удерживается в мелких и тупиковых порах, не участвующих в фильтрации жидкостей [6]. Результатом закачки химически активного вещества является изменение фильтрационно-емкостных свойств пласта и содержащихся в нем флюидов, а именно – кривых относительных фазовых проницаемостей и пористости. Лабораторные исследования показали, что абсолютная проницаемость меняется незначительно даже при закачке высококонцентрированной соляной кислоты, поэтому полагаем ее постоянной [5]. Предполагаем линейную зависимость изменения пористости от расстояния в промываемой кислотой зоне пласта. Расчет производится для одномерной постановки задачи.

В ходе расчетов были рассмотрены 3 способа заводнения:

1. Способ заводнения чистой водой

2. Способ заводнения водой с постоянной концентрацией растворенного активного вещества

3. Способ заводнения оторочкой активного вещества с последующей закачкой чистой воды

В ходе расчетов велось наблюдение за распределением в пласте водонасыщенности, концентрацией активного вещества в водном растворе, пористости и скоростей флюидов в разные моменты времени. На добывающей скважине получены динамические характеристики изменения дебита и обводненности продукции.

Список литературы

  1. Т. Р. Закиров, А. И. Никифоров, Кислотное воздействие на многослойные нефтяные пласты// Выч. мет. Программирование, том 14, выпуск 1 – 2013.;
  2. Т.Р. Закиров, А.И. Никифоров. Моделирование кислотного воздействия на нефтяные пласты при заводнении // Нефтяное хозяйство – 2012;
  3. Литвин В.Т., Фарманадзе А.Р., Орлов М.С. Подбор кислотного состава для низкопроницаемых высокоглинистых пластов баженовской свиты// Интернет-журнал Науковедение, Выпуск № 5 (30), том 7 – 2015 ;
  4. Г.Т. Булгакова, А.Р. Шарифуллин, Р.Я. Харисов [и др.] Лабораторные и технические исследования кислотной обработки карбонатов // Нефтяное хозяйство. – 2010;
  5. Воробьев С.В. Современные перспективные технологии интенсификации добычи нефти . ГРП и кислотные обработки. // IQ education. Самара – 2016;
  6. Ш.К. Гиматудинов. Физика нефтяного и газового пласта // «Недра», Москва – 1971;
  7. К. С. Басниев, И. Н. Кочина, В. М. Максимов. Подземная гидромеханика // Москва «Недра» - 1993;
  8. Диева Н.Н., Кравченко М.Н. Моделирование фильтрации химически активного вещества в керогеносодержащей породе // Вестник Нижегородского университета им. И.М. Лобачевского – 2011;


Понижение размерности нейросетевых моделей в задачах распознавания образов и прогнозирования

Насертдинова Анастасия Дмитриевна1

1КФУ

Эл. почта: voinova_anastasija@inbox.ru

За свою уже более чем полувековую историю, искусственные нейронные системы нашли огромное применение в разнообразных сферах человеческой деятельности, таких как классификация образов и распознавание речи и символов, прогнозирование временных рядов.

Длительное время, порядка нескольких суток, затрачиваемое на реализацию многоуровневых и многофункциональных алгоритмов, возникновение эффекта переобучения в искусственных нейронных сетях приводят к необходимости понижения их мощности путем уменьшения числа весов и связей. Многообразие предлагаемых алгоритмов, характеризующихся различной степенью детальности проработки, возможностями их параллельной реализации, а также наличием аппаратной реализации, приводит к особой актуальности исследования по сравнительным характеристикам различных методик и моделей сетей.

Задачей данной работы является разработка алгоритмов с целью уменьшения эффекта переобучения путем понижения размерности с использованием МГК; тестирование алгоритма на задаче распознавания образов рукописных цифр из базы данных MNIST и на задаче прогнозирования временных рядов: ряды числа солнечных пятен и ряды системы Лоренца.

Для реализации использовались следующие модели:

а) однонаправленная трехслойная искусственная нейронная сеть, используя алгоритм обучения с учителем;

б) трехслойная искусственная сеть с использованием дополнительного слоя меньшей размерности;

в) нейросеть с использованием метода главных компонент;

г) нейросеть с оптимизацией весов связи между слоями.

Для начала, все множество значений с которым предстоит работать делится на две части: обучающее множество, на котором происходит обучение, и контрольное множество для проверки качества полученной нейросети. При этом может возникнуть ситуация, что после нескольких итераций алгоритма обучения ошибка обучения  падает почти до нуля, в то время как ошибка на тестовом множестве   в начале спадает, а затем начинает расти или остается неизменной. Такое явление называется эффектом переобучения. Наступление такого эффекта означает, что сеть вместо того чтобы находить обобщающие свойства прогнозируемого множества просто запоминает примеры, [1].

Один из способов борьбы с переобучением – это понижение размерности. Основополагающим приемом при уменьшении размерности данных и выделении из этих данных нужной информации, не приводящий к существенной потере, является метод главных компонент. В основе метода лежит переход к новой системе координат в исходном подпространстве признаков, которая является системой ортонормированных линейных комбинаций.

Представленные выше задачи и методы сделали возможным реализовать алгоритм, позволяющий понижать число параметров нейросетевой модели по методу главных компонент при использовании существующих библиотек нейросетевых вычислений.

Реализованные нейросетевые модели позволяют прогнозировать временные ряды, при этом число параметров снижено до 4 раз.

Реализованные методы распознавания рукописных цифр из базы данных MNIST дали частоту ошибки 1.12% (среднее значение для всех цифр), что сопоставимо с результатами, получаемыми с использованием методов "Глубокого обучения". При этом число параметров нейронной сети снижается до 80 раз.

Список литературы

  1. Круглов В. В., Дли М. И., Голунов Р. Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 224 с. 2001г;


Объёмные солитоны деформации как инструмент для определения упругих модулей 3-го порядка

Семенов Александр Алексеевич1, Ф.Е. Гарбузов1, А.М. Самсонов2

1СПбПУ

2ФТИ

Эл. почта: sanya_sem@mail.ru

Упругие свойства материалов определяются модулями упругости, при этом модули упругости 2-го порядка описывают линейную зависимость напряжений от деформаций,  а модули 3-го порядка характеризуют нелинейные свойства материала. Модули упругости 2-го порядка (например, модуль Юнга и коэффициент Пуассона) для большинства материалов измерены с высокой точностью. Значения модулей 3-го порядка измерены с большими погрешностями, вплоть до нескольких десятков процентов (см. например [1]). Используемый в настоящее время, метод измерений этих модулей основан на регистрации изменения скорости ультразвуковых волн (продольных и сдвиговых) при сжатии образца. Однако, широкое применение нелинейно упругих материалов в физике и технике (полимеры, сплавы, нанокомпозиты), и большая погрешность данного метода делают актуальной задачу поиска альтернативных подходов к определению этих параметров.  

Предлагается использовать для определения упругих постоянных 3-го порядка иной подход, основанный на измерении параметров объемных уединенных волн (солитонов) деформации в волноводах, выполненных из исследуемого нелинейно-упругого материала. Показано, что распространение объемных солитонов деформации в трех основных элементах конструкций: стержне, пластине и оболочке, описывается одним и тем же нелинейным уравнением в частных производных – уравнением с двумя дисперсиями (УДД) для линейной компоненты продольной деформации  u= Ux  ([2,3]): u_{tt}- K_1u_{xx}=(K_2u^2+K_3u_{xx}+K_4u_{tt})_{xx}

Здесь нижние буквенные индексы означают производные, t-  время , x - координата вдоль оси волновода, а коэффициенты  K1-K4  представляют собой комбинации упругих  параметров материала и геометрических характеристик волновода, и различны для трех типов волноводов.  Модули упругости 3-го порядка (например, модули Мурнагана) входят в коэффициент K2 при слагаемом, нелинейно зависящем от деформации, причем выражение для этого коэффициента различно для каждого из типов волноводов.  Тогда, при известных параметрах материала (плотности, модуля Юнга и коэффициента Пуассона), а также данных об амплитуде и скорости объемных солитонов деформации в стержне, пластине и оболочке, изготовленных из этого материала, можно составить и решить систему из 3-х алгебраических уравнений с невырожденной матрицей для  расчета модулей упругости 3-го порядка данного материала.

В работе представлены соотношения для модулей Мурнагана на основе измерений экспериментально зарегистрированных параметров солитонов деформации в трех типах волноводов и приведены оценки модулей для ПММА и полистирола.

Список литературы

  1. 1. А.И. Коробов, В.М. Прохоров, Д.М. Мехедов. “Упругие постоянные второго и третьего порядков алюминиевого сплава B95 и композита B95/наноалмаз”, Физика твердого тела, 55, 1, 2013. ;
  2. A.M. Samsonov, “Strain Solitons in Solids and How to Construct Them”, Chapman & Hall/CRC, 2001. ;
  3. G.V. Dreiden, A.M. Samsonov, I.V. Semenova , A.G. Shvartz. “Strain solitary waves in a thin-walled waveguide”, Appl. Phys. Lett., 105, 211906, 2014. ;


Моделирование распространения объёмных солитонов деформации в неоднородных волноводах

Гарбузов Федор Евгеньевич1, Самсонов А. М.2, Семенова И. В.2

1СПбПУ

2ФТИ

Эл. почта: fedor.garbuzov@gmail.com

Рассматривается распространение объёмных уединённых волн (солитонов) деформации в двух типах волноводов: цилиндрическом стержне с круговым поперечным сечением и цилиндрической тонкой оболочке. Распространение солитонов в этих волноводах описывается нелинейным уравнением в частных производных c переменными коэффициентами  – уравнением с двумя дисперсиями (УДД)  [1] для продольной компоненты деформации u=Ux:

u_{tt}=\left [ p(x)a(x)u +d(x)u^2+f(x)u_{tt}+\left ( b(x)u_x \right )_x) _x) \right ]_x

Функции  p,a,f,d, b  представляют собой комбинации модулей упругости второго (коэффициенты Ламе)  и третьего (модули Мурнагана)  порядков и геометрических характеристик волновода. Если волновод однороден, то функции   p,a,f,d, b  постоянны, и для такого случая известно аналитическое решение ([1, 2]) в виде солитона продольной деформации. В случае неоднородного волновода получить аналитическое решение не представляется возможным,  имеется асимптотическое решение при медленно меняющихся параметрах, но в общем случае моделирование основывается только на численном решении УДД. Для построения и исследования таких решений используется консервативная конечноразностная схема из [2,3].

Изучено влияние плавного изменения всех модулей упругости волновода на распространение объёмного солитона деформации,  представлены результаты моделирования распространения солитона при скачкообразном изменении параметров упругости, проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

Изучение распространения объемных солитонов деформации – волн с аномально слабым затуханием, параметры которых зависят от параметров волновода, а не исходного импульса  - ориентировано на применение в задачах неразрушающего контроля и/или подавления переноса энергии для сохранения целостности конструкций.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского Научного Фонда  №14-12-00342.

Список литературы

  1. Samsonov A. M., Strain Solitons in Solids and How to Construct Them. Chapman & Hall/CRC, 2001.;
  2. G.V. Dreiden, A.M. Samsonov, I.V. Semenova , A.G. Shvartz., Strain solitary waves in a thin-walled waveguide. Appl. Phys. Lett., 105, 211906, 2014.;
  3. Christov C. I., Conservative Difference Scheme for Boussinesq Model of Surface Waves . Proceedings ICFD 5 ,Ed. by K. Morton, J. Baines. Oxford: 1996.;


Наноструктурированные и тонкопленочные материалы

АСМ исследование монослоев квантовых точек CdSe/CdS/ZnS в смеси с жидким кристаллом

Чумаков Алексей Сергеевич1, Ермаков А. В.1, Горбачев И. А.1, Аммар Ж. К. Аль-Альвани 1, Солдатенко Е. М.1, Глуховской Е. Г.1

1СГУ

Эл. почта: lehahares@rambler.ru

В последнее десятилетие, в связи с уменьшением объема традиционных энергоносителей, обостряется вопрос более эффективного использования источников неисчерпаемой энергии, в частности, солнечной. Для этого ведутся разработки в области новых фоточувствительных материалов. И здесь можно выделить несколько различных подходов. Например, использование плёночных структур органо-неорганических соединений на полупроводниковых подложках [1], или использование кремниевых или стеклянных (с проводящим ITO- покрытием) подложек с развитой поверхностью – массивами нанонитей или наноотверстий, которые в несколько раз увеличивают эффективность поглощения света поверхностью [2]. Помимо этого, не менее интересным материалом являются коллоидные квантовые точки (КТ), состоящие из полупроводникового материала. Большая часть их уникальных свойств обуславливается, прежде всего, их малыми размерами и следующими отсюда квантово-размерными эффектами.

В нашей работе мы получили сплошные монослои квантовых точек в смеси с жидкими кристаллами на твердых подложках. Пленки формировались и переносились на твердые подложки методом Ленгмюра-Блоджетт, в качестве субфазы во всех экспериментах использовалась деионизованная вода с удельным сопротивлением 18МОм*см. Подложками служили стеклянные пластины с напылением ITO. Для формирования монослоя были приготовлены смеси растворов квантовых точек и жидкого кристалла в хлороформе с различными соотношениями (1:1, 1:2, 2:1, 1:4, 4:1). Все эксперименты для каждой концентрации проводились при трех значениях температуры субфазы – 21С, 33С, 41С. По изотермам сжатия монослоев определили наиболее оптимальные условия для перенесения (температуру и соотношение компонент). Такими условиями оказалась повышенная до 33С температура и соотношения КТ:ЖК 4:1 и 2:1. Условия считались оптимальными при формировании истинного монослоя (т.к. для ЖК характерно формирование трехслойной структуры из многослойной), о чем можно было судить по отсутствию точки излома на изотерме сжатия монослоя. Далее полученные монослои были перенесены на твердые подложки и исследованы методами зондовой микроскопии. Для обеих концентраций структура пленок оказалась сплошной, однако для концентрации 2:1 размеры агрегатов частиц оказались меньше. В дальнейшем полученные пленки планируется покрывать сверху проводящим слоем и проводить измерения электрофизических параметров.

 

Исследования проведены при поддержке гранта №14-12-00275 Российского Научного Фонда и Национального Исследовательского Саратовского Государственного университета

Список литературы

  1. J. A. Chang, J. H. Rhee, S. HyukIm, Y. H. Lee, Hi-jung Kim, S. Il. Seok, High-Performance Nanostructured Inorganic−Organic Heterojunction Solar Cells, Nano Letters. – 2010. – Vol. 10, №7. – P. 2609-2612.;
  2. G. Erik, P. Yang, Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells, Nano Letters. – 2010. Vol. 10, №3. – P. 1082-1087;


Синхронизация в системе связанных осцилляторов на основе переключателей на диоксиде ванадия

Перминов Валентин Валерьевич1, Величко А. А.1, Беляев М. А.1, Путролайнен В. В.1

1ПетрГУ

Эл. почта: teh-val@yandex.ru

 Переход металл-диэлектрик, наблюдаемый в диоксиде ванадия привлекает к себе внимание исследователей с 70-х годов прошлого века [1]. С практической точки зрения данный эффект может быть использован для создания генераторов сигналов, датчиков температуры и химических датчиков с частотным выходом. В последнее время генераторы релаксационных колебаний, основанные на переключательных структурах из диоксида ванадия, вызывают интерес с точки зрения их применения в осцилляторных нейронных сетях [2]. Преимуществом использования данных генераторов (осцилляторов) перед другими решениями [3, 4] является совместимость технических процессов с CMOS технологией, перспективность микроминиатюризации переключательных структур и возможность работы на частотах до нескольких мегагерц.

В данной работе исследовались эффекты синхронизации двух осцилляторов на основе диоксида ванадия при резистивной и емкостной связи между ними.

Переключательные структуры формировались по планарной технологии на сапфировой подложке путем реактивного магнетронного распыления ванадиевой мишени в атмосфере аргона и кислорода, отжига полученной пленки в атмосфере кислорода и формирования контактов V/Au методами лазерной фотолитографии и магнетронного распыления.

Толщина полученных пленок составила 200 нм. Исследование морфологии поверхности пленок с помощью АСМ показало, что пленки имеют зернистую структуру. Данные рентгеноструктурного анализа указывают на наличие фаз как диоксида, так и пентаоксида ванадия. Напряжения переключения полученных структур составили менее двух вольт, изменение дифференциального сопротивления - от 40 Ом в металлической фазе до 1,1 кОм в полупроводниковой.

Генератор (осциллятор) на основе переключательной структуры состоял из источника питания (V=82 В) и последовательно соединенных переключательной структуры и нагрузочного резистора Rs=50 кОм. Параллельно переключательной структуре включался конденсатор емкостью 100 нФ. Система связанных осцилляторов представляла собой два осциллятора соединенных при помощи резистора или конденсатора, подключаемых между переключательной структурой и нагрузочным резистором.

Было установлено, что при величинах связующего сопротивления более 3 кОм синхронизация отсутствует, однако происходит изменение формы колебаний и снижение их частоты. Синхронизация наступает при величине связующего сопротивления в диапазоне 2-3 кОм. Однако, синхронизация является не стабильной, наблюдаются случайные сбои разности фаз с последующим восстановлением в течение нескольких периодов колебаний, обусловленные преждевременным срабатыванием одного из переключателей. Уменьшение связующего сопротивления увеличивает разность фаз колебаний от 130о до 180о. При величинах связующего менее 2 кОм колебания являются неустойчивыми, и после нескольких периодов колебаний система переходит в стационарное состояние, когда один из переключателей находится в открытом, а другой в закрытом состоянии.

Исследование емкостной связи показало, что синхронизация наступает при сравнительно малых величинах связующих емкостей (3 нФ), при этом синхронизация стабильна. Увеличение емкости в диапазоне 3-50 нФ увеличивает разность фаз от 30о до 170о. В диапазоне от 50 до 200 нФ на фазовом портрете наблюдается два предельных цикла, что говорит о переходе системы между двумя режимами колебаний. При величине связующей емкости более 200 нФ устанавливается режим колебаний при котором осцилляторы синхронизируются в противофазе, при этом период колебаний определяется преимущественно связующей емкостью. При численном моделировании системы было установлено, что динамика осцилляций при больших емкостях обусловлена нелинейным сопротивлением переключательной структуры в металлической фазе.

Таким образом, для синхронизации осцилляторов на основе переключательных структур наилучшим образом подходит емкостная связь. Осцилляторы, связанные большой емкостью (более 200 нФ) могут рассматриваться как более сложный генератор сигнала, обладающий двумя выходами, работающими в противофазе.

Список литературы

  1. Chudnovskii F. A. Metal-Semiconductor Phase Transition in Vanadium Oxides and Technical Applications// Sov. Phys. Tech. Phys. - 20. - с.999-1012. - 1976.;
  2. S. Datta, N. Shukla, M. Cotter, A. Parihar, A. Raychowdhury Neuro Inspired Computing with Coupled Relaxation Oscillators// 51st ACM/EDAC/IEEE DAC. - 1. - с.1-6. - 2014.;
  3. F. C. Hoppensteadt, E. M. Izhikevich Oscillatory Neurocomputers with Dynamic Connectivity// Phys. Rev. Lett. - №82. - с. 2983-2986. - 1999.;
  4. D. E. Nikonov, G. Csaba, W. Porod, T. Shibata, D. Voils, D. Hammerstrom, I. A. Young, G. I. Bourianoff Coupled-Oscillator Associative Memory Array Operation for Pattern Recognition// IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits. - 1. - с.85-93. - 2015.;


Электронная структура и магнитные свойства системы Gr/Fe/Ni(111)

Лобанова Евгения Юрьевна1,2, Михайленко Е. К.1,2, Дунаевский С. М.1,3, Пронин И. И.2

1СПбПУ

2ФТИ

3ПИЯФ

Эл. почта: repkakkk2@yandex.ru

Графен, представляющий собой моноатомный слой углерода, является объектом активных исследований в последние годы [1]. Всплеск интереса к нему обусловлен привлекательностью его свойств для применений в электронике [2]. Ключевой проблемой является контролируемая модификация его свойств. Перспективный подход к её решению состоит в интеркаляции графена атомами или молекулами других веществ [3]. Ввиду того, что формирование ферромагнитных слоев под графеном представляет особый интерес для развития спинтроники, интеркаляция графена железом и кобальтом стала объектом активных исследований в последние годы. Одной из таких систем является интерфейс Gr/Fe/Ni(111). Его свойства хорошо изучены экспериментально. Теоретические расчёты проведены лишь для одного и двух слоёв железа под графеном [4].

Целью настоящей работы было проследить изменение электронной структуры и магнитных свойств данной системы с увеличением числа слоёв железа.

Методом исследования были выбраны первопринципные расчеты с использованием программного пакета Quantum ESPRESSO. Для самосогласованных вычислений использовалось Monkhorst-Pack разбиение зоны Бриллюэна на 7х7х2 k-точек. Использовались псевдопотенциалы Пердью, Беке, Эрзенхофа. Для представления волновых функций валентных электронов учитывались плоские волны с энергией до 100 Ry. Неколлинеарные вычисления проводились с учетом спин-орбитального взаимодействия. Поверхность Ni(111) моделировалась гексагональной решеткой Браве с постоянной, равной 2,42 Å. Пленки железа и углерода на поверхности никеля моделировались с той же постоянной решетки. Реконструкция интерфейса не рассматривалась. Расстояние между никелем и графеном было взято из работы [5] и составило 2,13 Å. Ширина вакуумного зазора была выбрана порядка 5Å. Расположение графена на никеле и железе моделировалось в конфигурации «top-fcc».

Для системы Gr/Fe/Ni(111) было проведено сравнение полных энергий для конфигураций с железом над графеном и с интеркалированным железом. Энергия интерфейса Fe/Gr/Ni(111) оказалась выше, чем у интерфейса Gr/Fe/Ni(111), на 2 эВ, что позволяет сделать вывод о том, что процесс интеркаляции является энергетически выгодным. Далее были проведены расчеты зонной энергетической структуры и плотности pz состояний графена для систем Gr/1MLFe/Ni(111), Gr/3MLFe/Ni(111), Gr/5MLFe/Ni(111) и Gr/7MLFe/Ni(111). Для всех систем экспериментально измеренная величина сдвига конуса Дирака относительно энергии Ферми составляет 3,5 - 4 эВ в области отрицательных энергий. С увеличением числа слоев железа величина сдвига конуса Дирака относительно энергии Ферми незначительно увеличивается. На следующем этапе работы было проведено исследование магнитного упорядочения системы в зависимости от числа монослоев железа, интеркалированных под графен. Никелевая подложка при этом считалась ферромагнитной. Показано, что во всех случаях более выгодным оказывается ферромагнитное упорядочение. Для 1 и 3 слоёв железа энергетически более выгодно ферромагнитное упорядочение с направлением спина перпендикулярно поверхности. При пяти слоях железа разница между конфигурациями с намагниченностью вдоль и перпендикулярно поверхности исчезает, и происходит переход к намагниченности вдоль поверхности. 

Найдено распределение магнитного момента на атомах в зависимости от номера слоя для исследуемых систем. Магнитные моменты на атомах никеля колеблются относительно известного значения для объема (0,63µБ). Магнитный момент на атомах железа не совпадает с известным значением (2,21µБ). Это неудивительно, так как железо моделировалось как тонкая плёнка с нехарактерной для него ГЦК решеткой, обусловленной наличием никелевой подложки.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №16-02-00387).

Список литературы

  1. K. Novoselov, A. Geim, S. Morozov, D. Jiang, M. Katsnelson, I. Grigorieva, Nature 438, 197 (2005);

  2. A. Varykhalov, J. Sanchez-Barriga, D. Marchenko, P. Hlawenka, P.S. Mandal & O. Rader, Nature Comm. 6, 7610 (2015);

  3. A.Y. Tontegode, Prog. Surf. Sci. 38, 201 (1991);

  4. M. Weser, E. N. Voloshina, K. Horn, and Y. S. Dedkov, Phys. Chem. Chem. Phys. 1, 7534 (2011);

  5. S.M. Kozlov, F. Vines, A. Gorling, J. Phys. Chem. C. 116. 7360 (2012);



Агрегативная устойчивость и магнитостатические характеристики коллоидных частиц FemOn-SiO2

Гареев Камиль Газинурович1, Королев Д. В.2, Костеров А. А.3, Курышев И. А.1, Мошников В. А.1, Сергиенко Е. С.3, Харитонский П. В.3,1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова

3СПбГУ

Эл. почта: kggareev@yandex.ru

Гидрозоли кремнезема являются одним из широко применяемых промышленно выпускаемых агрегативно устойчивых дисперсных систем [1], в связи с этим частицы SiO2 могут быть использованы в качестве основы для приготовления коллоидных растворов МНЧ. Полученные ранее экспериментальные результаты показали, что композитные частицы FemOn-SiO2 способны коагулировать под действием постоянного магнитного поля, при этом водные коллоидные растворы частиц теряют седиментационную устойчивость [2]. На основании теоретической модели, описанной в [3], было сделано предположение о причинах возникновения гистерезисных свойств МНЧ, которые могут быть обусловлены магнитостатическим взаимодействием между отдельными кристаллитами оксида железа, размеры которых согласно результатам работ [4, 5] составляют 2…10 нм.

Целью настоящей работы являлось исследование агрегативной устойчивости коллоидных растворов композитных FemOn-SiO2, полученных золь-гель методом, и магнитостатических характеристик полученных частиц.

Экспериментальные образцы получали с использованием золь-гель процесса. Водный раствор смеси хлорида железа-III и сульфата железа-II, взятых в количествах 0.15 M и 0.075 M соответственно, осаждали добавлением концентрированного водного раствора аммиака. Предварительно для части образцов в водный раствор солей железа добавляли порошок кремнезема, приготовленный золь-гель методом. Полученный темный осадок промывали дистиллированной водой до достижения рН = 7. Затем в суспензию последовательно добавляли тетраэтоксисилан и поверхностно-активное вещество полисорбат-80 в количестве по 2 об. %.

Форму и размеры полученных композитных частиц изучали методом растровой электронной микроскопии с использованием прибора Hitachi S-3400N (Япония). Статические магнитные свойства изучались с помощью вибрационного магнитометра «Lake Shore 7410» (Lake Shore Cryotronics Inc.США) и СКВИД-магнетометра SRM-755 (2G Enterprises, США). Изучение влияния постоянного магнитного поля на величину электрического сопротивления растворов было выполнено с применением LCR-метра «Е7-20» (ОАО «МНИПИ», Беларусь). Амплитуда переменного сигнала составляла 0,1 В, частота – 1 кГц. Напряженность постоянного магнитного поля равнялась 500 A/м, длительность воздействия – 180 с.

Оценка влияния ионной силы раствора на его агрегативную устойчивость производилась визуально по времени появления осадка из столба жидкости высотой 2 см и объемом 2 мл. В предварительно приготовленный водный коллоидный раствор добавляли концентрированный раствор NaCl до достижения заданной концентрации в диапазоне 0.02…1.20 M (0.11…7.2 мас. %).

Проведенное исследование композитных частиц FemOn-SiO2, полученных золь-гель методом, позволило выявить основные особенности их физических свойств. Было установлено, что применение диоксида кремния в составе частиц обеспечивает их устойчивость в дисперсионных средах с различной ионной силой. Время использования коллоидного раствора, содержащего 0.15 M NaCl, может составлять порядка 3 часов, что может быть практически полезным для биомедицинского применения частиц FemOn-SiO2.

Размеры композитных частиц и включенных в них размеры кристаллитов оксида железа обусловливают суперпарамагнитные свойства частиц,  удельный магнитный момент насыщения которых составляет 16  А·м2/кг, а безгистерезисный остаточный магнитный момент равен 5,6·10-4 А·м2/кг. Воздействие постоянного магнитного поля вызывает уменьшение электрического сопротивления коллоидного раствора на несколько процентов. При снятии внешнего воздействия наблюдается восстановление значения сопротивления по линейному закону, что объясняется суперпарамагнитными свойствами композитных частиц.

Использовано оборудование ресурсного центра «Геомодель» и Центра диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники Научного парка СПбГУ.

Работа частично поддержана РФФИ, грант № 16-32-60010.

Список литературы

  1. Мошников В.А., Таиров Ю.М., Хамова Т.В., Шилова О.А. золь-гель технология микро- и нанокомпозитов. СПб.: Издательство "Лань". 304 с. 2013.
  2. Bogachev Yu.V., Chernenco Ju.S., Gareev K.G., Kononova I.E., Matyushkin L.B., Moshnikov V.A., Nalimova S.S. The Study of Aggregation Processes in Colloidal Solutions of Magnetite–Silica Nanoparticles by NMR Relaxometry, AFM, and UV–Vis-Spectroscopy. Appl. Magn. Reson. V. 45. P. 329-337. 2014.
  3. Альмяшев В.И., Гареев К.Г., Ионин C.А., Левицкий В.С., Мошников В.А., Теруков Е.И. Исследование структуры, элементного и фазового состава композитных слоев Fe3O4-SiO2 методами растровой электронной микроскопии, рамановской спектроскопии и тепловой десорбции азота. ФТТ. Т. 56, вып. 11. С. 2086–2090. 2014.
  4. Смердов Р.С., Бочарова Т.В., Левицкий В.С., Гареев К.Г., Мошников В.А., Теруков Е.И. Спектроскопические свойства гамма-облученных композитных наночастиц FemOn-SiO2. ФТТ. Т. 58, вып. 5. С. 892-896. 2016.


Особенности формирования нанокомпозитов из тонких слоев олова на пористом кремнии методом магнетронного распыления

Леньшин Александр Сергеевич1, Кашкаров В. М., Середин П. В.1, Домашевская Э. П1, Бельтюков А. Н.2, Гильмутдинов Ф. З.2

1ВГУ

2ФТИ УрО РАН

Эл. почта: lenshinas@mail.ru

Создание газочувствительных композитных материалов с высокой чувствительностью и селективностью, в том числе на основе олова, совмещенное с традиционной кремниевой технологией, представляет интерес для неинвазивной медицинской экспресс диагностики. В работе  с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и электронной микроскопии были проведены исследования морфологии и состава нанокомпозитов из  тонких слоев металлического олова на пористом кремнии, сформированных методом магнетронного распыления слоев олова различной толщины на поверхность пористого кремния.

Пористый кремний (por-Si) был получен электрохимическим травлением кремниевых монокристаллических пластин c-Si (100) n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,2 Ом\timesсм. Использовался раствор на основе плавиковой кислоты, изопропилового спирта и перекиси водорода. Осаждение проходило при комнатной температуре, мишенью служило металлическое олово ОСЧ. Время напыления пленок олова на пористый кремний  t = 20 с  и 50 с.  Анализ состава образцов композитов методом XPS (лаб. спектрометр фирмы SPECS, возбуждение Mg Kα) проводился как в поверхностных слоях ~ 1 нм, так и на различной глубине, задаваемой временем травления образца.

Исследование показало, что сформированные в поверхностных слоях образцов нанокомпозиты различаются между собой  соотношением основных фаз: диоксида олова, субоксида /монооксида олова и металлического олова, и существенно отличаются от соотношения этих же фаз в поверхностных слоях металлической фольге олова до ~7 нм с ионным травлением в сторону преобладания оксидных и субоксидных фаз олова в нанокомпозитах. Осаждение нанослоев олова не приводит к  значительному изменению фазового состава подложки пористого кремния por-Si, состоящего, преимущественно из диоксида кремния, с небольшой добавкой элементарного кремния и промежуточного субоксида кремния.

Работа выполнена при поддержке гранта президента РФ (MK-4865.2016.2).



Особенности формирования оксидных гетероструктур для фотовольтаических элементов на гибких носителях

Лашкова Наталья Алексеевна1, Семёнова А. А.1, Максимов А. И.1, Мошников В. А.1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: lashkovanat@yandex.ru

Гетероструктурная солнечная энергетика [1, 2] является перспективным направлением создания высокоэффективных преобразователей. Одной из разновидностей таких структур, имеющих высокую эффективность, являются HIT-структуры [3, 4] и гетероструктуры на основе двух оксидных полупроводников.

Оксиды металлов являются перспективными материалами для создания активных слоёв солнечных элементов (СЭ) вследствие невысокой стоимости формирования, химической стойкости в условиях окислительной атмосферы и экологической безопасности. Широкое применение в фотовольтаике получили слои оксидов цинка ZnO (n-тип) [5] и меди (p-тип) [6]. Перспективность применения этих оксидов в основном связана с подходящей структурой энергетических зон и высокой термической стабильностью [7].

Интересным с практической точки зрения является формирование СЭ на гибкой основе: они имеют существенно меньший вес, чем обычные, и легко монтируются на любой поверхности. Подобная технология может найти применение при создании специальной ткани со сформированным фотоэлектрическим преобразователем, которая может быть использована при изготовлении парусов, одежды и др.

В работе для формирования наноструктур ZnО был выбран гидротермальный метод [8, 9], а для получения тонких слоёв CuO – золь-гель-метод [10-13]. Для формирования гетероструктур на гибкой основе в качестве гибкой подложки был выбран полиэтилентерефталат (PET) с нанесённым ITO слоем (60 Ом/□).

Синтез наноструктур ZnО проводился методом гидротермального синтеза в щелочной среде с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ), ограничивающих рост объектов путем пассивации поверхности. Наши эксперименты, направленные на создание однородных слоев, содержащих одномерные нанообъекты ZnO с использованием ПАВ, привели к формированию игольчатых кристаллов, собранных на едином центре роста.

Исследование с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) показало, что средний размер игольчатой структуры составляет 3 мкм, при этом отдельные нанообъекты имеют гексагональную огранку и сужаются в направлении от центра роста. Следует отметить, что такое покрытие обладает высокой пористостью и большой площадью поверхности, что делает его перспективным для формирования объёмного гетероперехода.

Гетероструктуры ZnO/CuO формируются при осаждении тонкого слоя CuO на поверхность ZnO структур. Такой порядок создания гетероструктур связан с необходимостью ввода солнечного излучения в область гетероперехода со стороны прозрачного материала ZnO.

Экспериментально были разработаны режимы нанесения слоёв оксида меди при формировании оксидных гетероструктур на гибкой основе методом золь-гель-технологии.

В работе слои оксида меди методом золь-гель наносились на наностержни ZnO, выращенные ранее гидротермальным методом с добавлением в раствор ПАВ. РЭМ-изображения полученных структур показали, что осаждение слоя оксида меди произошло на боковые грани наностержней ZnO, однако некоторые частицы агрегировали, образуя шарообразные структуры размером до 500 нм.

Эксперименты по измерению вольт-амперных характеристик (ВАХ) показали, что полученные структуры являются фоточувствительными. Также был зафиксирован фотовольтаический отклик.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-12-00327).

Список литературы

  1. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики, ФТП. Т. 38. № 8. С. 937-948. 2004.;
  2. Афанасьев В.П., Теруков Е.И., Шерченков А.А. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 168 с. 2011.;
  3. Орехов Д.Л. Разработка технологии гетероструктурных солнечных элементов на кристаллическом кремнии с использованием промышленных реакторов плазмохимического осаждения: дисс. к. т. н., СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб. 124 с. 2015.;
  4. Гудзев В.В. Исследование глубоких энергетических уровней в барьерных структурах на основе кристаллического и аморфного гидрогенизированного кремния: дисс. к. ф.-м. н., РГРТУ, Рязань. 168 с. 2015.;
  5. Jagadish, S.J. Pearton. Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures: Processing, Properties, and Applications. Elsevier Science. р. 589. 2006.;
  6. Адилов Ш.Р., Кумеков М.Е., Кумеков С.Е., Теруков Е.И. О модели формирования поликристаллического гетероперехода n-ZnO/p-CuO. ФТП. Т. 47. № 5. С. 642-643. 2013.;
  7. Пешкова Т.В., Димитров Д.Ц., Налимова С.С. и др. Структуры из нанопроводов с переходами Zn−ZnO:CuO для детектирования паров этанола, Журнал технической физики. Т. 84. № 5. С.143-148. 2014.;
  8. Лашкова Н.А., Максимов А.И., Рябко А.А., Бобков А.А., Мошников В.А., Теруков Е.И. Синтез наноструктур на основе оксида цинка для создания гетероструктурных фотовольтаических элементов, ФТП. Т. 50. № 9. С. 1276-1282. 2016.;
  9. Бобков А.А., Максимов А.И., Мошников В.А., Сомов П.А., Теруков Е.И. Наноструктурированные материалы на основе оксида цинка для гетероструктурных солнечных элементов, ФТП. Т. 49. № 10. С. 1402-1406. 2015.;
  10. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов. Монография. СПб.: Техномедиа, Элмор. (2-е издание). 255 с. 2008.;
  11. Рябко А.А., Лашкова Н.А. Синтез 1-D структур ZnO для фотовольтаики нового поколения, Молодой ученый. № 6 (110). С. 168-173. 2016.;
  12. Maraeva E.V., Bobkov A.A., Maximov A.I., Moshnikov V.A., Nalimova S.S. Research of materials for porous matrices in sol-gel systems based on silicon dioxide and metallic oxides, Journal of Physics: Conference Series. V.643. P. 012116. 2015.;
  13. Salek G., Tenailleau C., Dufour P., Guillemet-Fritsch S. Room temperature inorganic polycondensation of oxide (Cu2O and ZnO) nanoparticles and thin films preparation by the dip-coating technique, Thin Solid Films. № 589. P. 872-876. 2015.;


Электрические свойства системы наночастиц йода в полостях цеолитов и цеолитоподобных алюмофосфатов

Цветков Александр Витальевич 1, Вейсман В. Л.1, Ганго С. Е.1, Лукин А. Е.1, Соловьев В. Г.1, Трифонов С. В.1, Ханин С. Д.2

1ПсковГУ

2РГПУ

Эл. почта: aleksandr23031994@gmail.com

В современной физике наноструктур большое внимание уделяется изучению нанокомпозитов на основе регулярных пористых диэлектрических матриц цеолитов и цеолитоподобных алюмофосфатов [1-3]. В настоящей работе образцы I / zeolite получены введением йода в матрицы цеолитов в течение 11 – 12 ч при температурах 582 – 592 К и парциальном давлении паров йода 3,5 – 3,6 атм. Изучались электрические свойства как отдельных микроскопических монокристаллов с размерами 30 – 100 мкм, так и спрессованных со связующим веществом (KBr) поликристаллических таблеток. В первом случае ток через микрокристалл, установленный в измерительной ячейке между индиевыми контактами [3], измерялся электрометром Keithley 6517В или СП-1М. Во втором случае электропроводность и емкость образцов с графитовыми электродами измерялись RLC-измерителем Е7-13 на частоте 1 кГц. Температурные зависимости электрофизических характеристик исследовались в динамическом режиме при изменении температуры со скоростью ~ 2 градусов в минуту.

Полученные нами результаты показывают, что обнаруженный ранее фазовый переход при температуре ~ 340 К в подсистеме наночастиц йода, диспергированного в квазиодномерных каналах цеолитоподобной матрицы AFI [4], связанный с разрушением йодных цепочек и приводящий к позисторному эффекту в нанокомпозите I / AFI [5], наблюдается, по-видимому, также и в нанокомпозиционных материалах I / NaA, I / KA и I / NaX. При этом в заполненной наночастицами йода трехмерной системе каналов цеолитов типа A и X (как и в не регулярно расположенных широких каналах пористого оксида алюминия [6]) этот эффект проявляет себя не столь заметно, как в упорядоченной системе узких квазиодномерных параллельных каналов цеолитоподобного алюмофосфата типа AFI.

По данным наших экспериментов, величина удельной термо-э.д.с. нанокомпозита I / NaA, измеренной импульсным методом [7] при комнатной температуре, составляет ~ 20 мкВ / К, а ее знак соответствует проводимости n – типа. Кристаллический йод в «массивном» состоянии можно рассматривать как полупроводник с дырочным типом проводимости. Таким образом, смена знака коэффициента Зеебека происходит при диспергировании йода как в квазиодномерных параллельных каналах цеолитоподобного алюмофосфата типа AFI [7], так и в трехмерной системе полостей и каналов цеолитной матрицы NaA.

Работа поддержана Министерством образования и науки России (НИР № 576 в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности по Заданию № 2014/700 за 2014 г.).

Список литературы

  1. Богомолов В.Н. Жидкости в ультратонких каналах (Нитяные и кластерные кристаллы) // Успехи физических наук, Т. 124, № 1, С. 171–182, 1978.
  2. Kumzerov Y., Vakhrushev S. Nanostructures within Porous Materials // Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology / Ed. H.S. Nalwa. American Scientific Publishers, V. VII, P. 811–849, 2004.
  3. Solovyev V.G., Ivanova M.S., Pan’kova S.V., Trifonov S.V., Veisman V.L. Preparation and physical properties of zeolite, zeolite-like single crystals and zeolite-based nanocomposite materials // Handbook of Zeolites: Structure, Properties and Applications / Ed. T.W. Wong. New York: Nova Science Publishers, Chapter 5, P. 77-99, 2009.
  4. Ye J.T., Tang Z.K., Siu G.G. Optical characterizations of iodine molecular wires formed inside the one-dimensional channels of an AlPO4-5 single crystal // Applied Physics Letters, V. 88, P. 073114 (1–3), 2006.
  5. Khanin S., Solovyev V., Trifonov S., Veisman V. Phase and structure transitions in nanoparticles of semiconductors within porous dielectric matrices // Smart Nanocomposites, V. 4, Issue 1, P. 29–36, 2013.
  6. Alexeeva N., Cema G., Podorozhkin D., Solovyev V., Trifonov S., Veisman V. Physical properties of self- assembled porous alumina structures filled with iodine // Journal of Self-Assembly and Molecular Electronics, V. 2, P. 27–40, 2015.
  7. Трифонов С.В., Ванин А.И., Вейсман В.Л., Ганго С.Е., Кондратьева М.Н., Соловьев В.Г. Экспериментальное исследование электрофизических свойств микрообразцов нанокомпозитов I/AFI // Нанотехника, № 2 (26), С. 78–82, 2011.


Исследование двумерных массивов нанокристаллов CdSe методом высокоразрешающей электронной микроскопии

Недомолкина Александра Александровна1, Гутаковский А. К.2

1НГУ

2ИФП СО РАН

Эл. почта: avgystina17@mail.ru

Прогресс в технологических методах выращивания и диагностики полупроводниковых наноструктур продолжает преображать информационный мир человека. Оптические, электронные и каталитические свойства полупроводниковых нанокристаллов существенно отличаются от таковых для макрокристаллического состояния. Зависимость энергетического спектра нанокристалла (квантовой точки) от его размера дает огромный потенциал для их практического применения в оптоэлектрических системах, таких как светоизлучающие диоды, плоские светоизлучающие панели, лазеры, ячейки солнечных батарей, как биологические маркеры, т.е. везде, где требуются варьируемые, перестраиваемые по длине волны оптические свойства. Достоинством нанокристаллов по сравнению с органическими флуорофорами - фрагментами молекулы, придающие ей флуоресцентные свойства - является их высокая яркость, уникально высокая фотостабильность и узкий, симметричный пик эмиссии. Зависимость энергии оптических переходов в нанокристаллах от размеров открывает возможность развития новейших люминесцентных материалов, а также привлекает внимание с точки зрения теоретической физики. Селенид кадмия (CdSe) является одним из наиболее перспективных материалов, поскольку оптический диапазон флуоресценции его нанокристаллов находится в видимой области спектра: от голубого (dCdSe~2 нм) до красного (dCdSe~6 нм).

В рамках настоящей работы с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ) были исследованы атомное строение и морфология отдельных нанокристаллов и нанопластин селенида кадмия и их двумерных массивов на углеродных подложках, а также нанокристаллов CdSe-CdS со структурой ядро-оболочка и  нанопластин CdSe-CdS со структурой ядро-корона. Нанокристаллы были получены методом коллоидного синтеза.

Для формирования однородных массивов нанокристаллов использовался оригинальный метод на основе технологии Ленгмюра-Блоджетт. ВРЭМ исследования выполнены на электронных микроскопах высокого разрешения JEOL-4000 EX  и Titan 80-300. Для цифровой обработки экспериментальных ВРЭМ изображений использован пакет программ Digital Micrograph (GATAN).

Показано, что использование технологии Лэнгмюра-Блоджетт позволяет формировать двумерные масcивы НК CdSe при толщине пленки ЛБ не более 2-х монослоев. При этом степень покрытия поверхности подложки приближается к единице. При толщинах более 2-х монослоев наблюдается агломерация НК и наложение их друг на друга.

Коллоидные нанокристаллы и нанопластины CdSe формируются, как с кубической (сфалерит), так и с гексагональной (вюрцит) кристаллической решеткой. Средний размер нанокристаллов CdSe составляет 5 нм, что совпадает с ожидаемыми значениями, задаваемыми условиями синтеза. Дисперсия по размерам не превышает 1 нм.

Впервые визуализировано атомное строение ядра CdSe и короны CdS в нанопластинах CdSe-CdS и показано, что ядро и корона имеют одинаковый тип кристаллической решетки, либо кубический, либо гексагональный, в пределах одной пластины.

Полученные экспериментальные данные будут использованы для оптимизации технологии синтеза и нанесения нанокристаллов, а также будут сопоставлены с данными оптического поглощения и фотолюминесценции.

Список литературы

  1. А. В. Баранов, В. Г. Маслов, А. О. Орлова, А. В. Федоров Практическое использование наноструктур // Учебное пособие. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2014. - 102 с;
  2. Jie Zeng, Xioaping Wang, J. G. Hou Colloidal hybrid nanocrystals: synthesis, properties, and perspectives // Nanocrystal 2011. P. 85-111.;
  3. Debasis Bera, Lei Qian, Teng-Kuan Tseng, Paul H. Holloway Quantum dots and their multimodal applications: a review //Materials 2010. Vol. 3, P. 2260-2345.;


Технология структурообразования нанокомпозитных покрытий

Трифонов Сергей Александрович1, Лисенков А. А.2, Кострин Д. К.1,, Пикус М. И.1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2ИПМаш РАН

Эл. почта: s.trifonov.89@rambler.ru

Наиболее широко в современной высокотемпературной технике тугоплавких соединений в машиностроении, атомной и химической промышленности применяются покрытия на основе углерода, к которым относятся металлоподобные карбиды, построенные как фазы внедрения атомов углерода в кристаллические решётки переходных металлов (WC, TiC, ZrC, MoC). Наряду с высокой термостойкостью и твердостью карбиды этой группы, обладающие хорошей электропроводностью и низкой скоростью испарения, используются в качестве барьерных слоев, препятствующих встречной диффузии металлов.

Для торможения протекания указанных процессов целесообразно использовать многослойные покрытия, в структуре которых любая граница раздела фаз представляет собой энергетический барьер для диффундирующих атомов.

Снижение процессов диффузии в покрытиях достигается за счет образования диффундирующими элементами многокомпонентных фаз, состоящих из нескольких структурных зон, последовательно расположенных по мере удаления от границы раздела «поверхность – покрытие».

Преимуществом использования вакуумно-дуговых источников плазмы является возможность последовательного получения в едином технологическом цикле карбида материала подложки (MoC, WC) и карбида напыляемого материала. В этом случае формирование покрытия осуществляется за счет осаждения ионов, обладающих высокой кинетической энергией. Предварительная конденсация распыляемого материала катода на грань родственного металла способствует получению структурно ориентированного покрытия, что при последующей реакции диффузии снижает межфазовые напряжения, связанные с различием кристаллических решеток, и улучшает прочность адгезионного соединения. Для осуществления плазмохимического синтеза карбидного соединения в поток металлической плазмы вакуумно-дугового разряда вводятся пары бензола (C6H6 – теплота испарения 7379 кал/моль, температура кипения 353 К).

Модифицирование поверхности материала подложки достигалось за счет согласования следующих физических процессов: распыление графитового катода катодным пятном вакуумно-дугового разряда, формирование, транспортировка и выделение заряженной компоненты плазменного потока [4], ускорение (напряжение смещения, задаваемое на образец, изменялось от –100 до –1000 В) и осаждение положительных ионов углерода на тугоплавкую основу.

При условии равновесия поступления заряженных частиц углерода (dnC / dt) на обрабатываемую поверхность с процессом переноса вещества в глубь подложки (dndif / dt), для многокомпонентных систем, выгодным, как отмечено в [5], оказывается сосуществование не элементов, а химических соединений. В этом случае, одновременно с насыщением поверхностного слоя углеродом (диаметры атомов углерода и молибдена соответственно равны 0.15 нм и 0.28 нм), на подложке протекает реакция образования карбидного соединения.

Из-за особенностей электронного строения и сложной ковалентно-ионно-металлической природы межатомных взаимодействий фазовые диаграммы карбидных систем Mo и W имеют несколько структурных модификаций, устойчивых в разных температурных и концентрационных интервалах. При выбранных условиях карбидизации были получены слои, состоящие, соответственно, из фаз карбида молибдена – МоС и карбида вольфрама, образованного из внутреннего слоя полукарбида W2C и поверхностного монокарбидного слоя WC с гексагональной структурой. С увеличением времени карбидирования толщина слоя W2C возрастала, в то время как толщина поверхностного слоя WC изменялась мало. У сформированных покрытий были отмечены все линии максимальной интенсивности, характерные для указанных карбидов.

Наличие подслоя карбида материала подложки  толщиной до 1 мкм обеспечивает при последующем формировании из потока металлической плазмы вакуумно-дугового разряда в среде углеродосодержащего газа получение покрытия карбида циркония ZrC стабильного состава.

Список литературы

  1. Барченко В.Т., Ветров Н.З., Лисенков А.А., Технологические вакуумно-дуговые источники плазмы, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013;
  2. Bystrov Yu.A., Vetrov N.Z., Lisenkov A.A. Plasmachemical Synthesis of Titanium Carbide on Copper Substrates, Technical Physics Letters, V. 37, № 8, P. 707-709, 2011;
  3. Фролов В.Я., Лисенков А.А., Барченко В.Т., Физические основы применения низкотемпературной плазмы, СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2010;


Тензодатчик на основе магнитоупругого эффекта в металлических стеклах Fe80-xCoxP14B6

Севериков Василий Сергеевич1, Игнахин В. С.1, Гришин А. М.1,2,3

1ПетрГУ

2 KTH Royal Institute of Technology, SE-164 40 Stockholm-Kista, Sweden

3 INMATECH Intelligent Materials Technology, SE-127 51 Skärholmen, Sweden

Эл. почта: severva3@gmail.com

В работе представлена возможность создания сверхчувствительного тензодатчика способного распознавать различные виды деформации [растяжения, сжатия и скручивания (торсионная деформация)] на основе магнитоупругого эффекта в новых металлических стеклах Fe80-xCoxP14B6.

Образцы в виде рентгено-аморфных быстрозакаленных лент номинального состава Fe80-xCoxP14B6 (x = 25, 32, 35 и 40 ат.%) были получены методом быстрой закалки из перегретого индукционным способом расплава заготовки на массивном медном диске [1,2]. Рентгеноструктурный анализ образцов выявил наличие зародышей объемно-центрированной (оцк) α-FeCo и тетрагональной (Fe,Co)3(P,B) фаз. Их характерный размер  составляет около 1.6 нм. Отжиг лент, как в изотермическом, так и в изохронном режиме, приводит к преимущественному росту оцк фазы α-FeCo с размером кристаллитов 20-30 нм внутри аморфной металлической матрицы [3,4].

Магнитные характеристики металлических стекол Fe80-xCoxP14B6 превосходят свойства широко распространенного на коммерческом рынке состава Fe40Ni40P14B6 (Metglas 2826). Так, максимальная относительная дифференциальная проницаемость  закаленных лент составляет около 110000, индукция насыщения Bs - около 1.45 Т при более низкой величине квазистатической коэрцитивной силы 4 А/м, температура Кюри выше 700 К, высокая термическая стабильность за счет увеличенной на 60 К температуры кристаллизации, низкие гистерезисные потери около 0.55 Вт/кг в режиме насыщения на частоте 60 Гц [1,2].

Магнитоупругий эффект был исследован путем записи набора предельных петель магнитного гистерезиса B от H для Fe80-xCoxP14B6 лент под приложенной внешней механической нагрузкой σ. Вследствие большого значения магнитной проницаемости лент, наблюдалась деформация петель в зависимости от ориентации образца [текущие значения магнитного склонения 12.764°(Восточное) и магнитного наклонения 74.797° (Республика Карелия, г. Петрозаводск – широта 61° 46' 59"; долгота 34° 19' 59")].

По результатам измерений петель магнитного гистерезиса при механическом напряжении от 0 до 120 МПа построен трехмерный график зависимостей B(H,σ). Согласно принципу Ле Шателье ∂λ/∂H=∂B/∂σ были определены производные константы магнитострикции по напряженности поля ∂λ/∂H. Прямым интегрированием получена зависимость параметра магнитострикции λ от магнитного поля H в диапазоне 100 А/м. Полученные зависимости B(σ), B(H), λ(H) и λ(σ) позволяют максимально полно охарактеризовать магнитные свойства интерметаллических магнитомягких стекол Fe80-xCoxP14B6 и подобрать оптимальный стехиометрический состав, при котором достигаются предельно высокие функциональные свойства для конкретных приложений.

Магнитоупругий эффект проявляется изменением гистерезисной петли: растет коэрцитивное поле HC и индукция насыщения BS, петля становится более прямоугольной. К примеру, для эталонного образца Fe60Co40 в виде прямой ленты длиной 50 см на частотах задающего поля от 20 до 600 Гц увеличение механического напряжения от 0 до 120 Мпа приводит к росту индукции насыщения 1.2 до 1.8 Тл, коэрцитивная сила возрастает с 75 до 170 А/м, прямоугольность петли увеличивается с 0.7 до 0.95. При скручивании, напротив, стремительно меняется прямоугольность и коэрцитивное поле петли практически без изменения величины BS, что делает возможным различать вид механической деформации образца.

Для реализации тензодатчика и анализа спектра сигнала с приемной катушки магнетометра разработаны и сравнены рабочие характеристики нескольких типов магнетометров: с двумя и с одной приемной катушкой (с цифровым вычитанием "пустого" сигнала используя сигнал с генератора накачки).

Список литературы

  1. M. Hollmark, V.I. Tkatch, A.M. Grishin, S.I. Khartsev, Processing and properties of soft magnetic Fe40Co40P14B6 amorphous alloy, IEEE transactions on magnetics, Т. 37, №. 4, С. 2278-2280, 2001;
  2. Tkatch V. I., Grishin A. M., Khartsev S. I., Delayed nucleation in Fe40Co40P14B6 metallic glass, Materials Science and Engineering: A., Т. 337, №. 1, С. 187-193, 2002.;
  3. D.A. Prahova, A.M. Grishin, V.S. Ignahin, L.A. Lugovskaya, R.N. Osaulenko, Melt-spun Fe-Co-P-B metglasses: structure, crystallization kinetics, magnetic properties, Journal of Physics: Conference Series, in print, 2016;
  4. Л.А. Луговская, Р.Н. Осауленко, А.М. Гришин, В.С. Игнахин, Рентгенографическое исследование магнитомягких металлических стекол FeCoPB, Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Специальный выпуск, №.5(31), с. 395-399, 2015;


Эпитаксиальные слои β-Ga2O3 и исследование их механических свойств методом наноиндентирования

Гузилова Любовь Игоревна1,2, Гращенко А. С.3, Печников А. И. 2,4, Завьялов Д. В.5, Абдарахманов В. Л.5, Николаев В.И1,2,4.

1ФТИ

2ИТМО

3ИПМаш РАН

4ООО «Совершенные кристаллы»

5ВолГУ

Эл. почта: luba-guzilova@yandex.ru

Оксид галлия – новый перспективный широкозонный полупроводник для применения в электронике и оптоэлектронике. β-Ga2O3 является наиболее распространённой его полиморфной модификацией. Термическая стабильность β-Ga2O3 позволяет получать его при помощи высокотемпературных процессов, таких как кристаллизация из расплава (T~18000C) и газофазная эпитаксия (Т>10000C).

В данной работе исследовались эпитаксиальные слои β-Ga2O3 толщиной 1 мкм, выращенные на подложках m- и c- Al2O3 методом хлоридной эпитаксии [1].

Для исследования механических свойств эпитаксиальных слоёв использовался метод наноиндентирования. Глубина проникновения индентора в поверхность образца составляла до 100 нм, что соответствует требованиям при индентировании тонких плёнок, т.е. максимальная глубина проникновения в исследуемую поверхность не более 10% толщины плёнки. Значения микротвёрдости и модуля упругости, полученные путём анализа кривых нагружения по методу Оливера-Фарра [2], составили, соответственно, 12 и 225 ГПа для эпитаксиального слоя β-Ga2O3/m-Al2O3, 17 и 300 ГПа для β-Ga2O3/c-Al2O3.

Проведено сравнение результатов исследования эпитаксиальных слоев с данными [3], ранее полученных на объемных кристаллах.

Для расчёта упругих свойств использовалась теория функционала плотности. Для данного кристалла расчёт упругих постоянных производился на основе деформаций, происходящих в равновесной примитивной ячейки кристалла, и расчёта соответствующих изменений полной энергии. При расчёте использовался программный пакет CRYSTAL, основанный на разложении волновой функции по функциям Блоха. В таблицах 1 и 2 приведены результаты расчётов и сравнение их с расчётом, выполненным способом [4].

Таблица 1. Упругие постоянные [ГПа]

Постоянная [Эта работа] [4]

C11 215.68 199.50

C12 131.48 113.29

C13 169.93 125.50

C15- 5.81 -2.67

C22 355.54 312.35

C23 105.32 62.90

C25 0.50                 0.69

C33 327.39           296.24

C35 19.29 17.30

C44 48.43 39.73

C46 10.73 3.59

C55 73.15 76.44

C66 95.77 94.10

Таблица 2. Упругие модули

Постоянная [Эта работа]     [4]

KV, ГПа 190.23 156.83

KR, ГПа  184.59 154.84

KH, ГПа 187.41 155.84

GV, ГПа  76.26 75.81

GR, ГПа 62.95 63.17

GH, ГПа 69.61 69.49

Анизотропия 1.09 1.01

Настоящее исследование поддержано Российским Научным Фондом (Грант РНФ №14-29-00086).

Список литературы

  1. Nikolaev V.I., Pechnikov A.I., Stepanov S.I., et al., Epitaxial growth of (-201) β-Ga2O3 on (0001) sapphire substrates by halide vapour phase epitaxy, Materials Science in Semiconductor Processing, 47, 16-19, 2016;
  2. Oliver W.C., Pharr G.M., An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation, Journal of Materials Research, 7, 1564–1583, 1992;
  3. Гузилова Л.И., Маслов В.Н., Айфантис К. и др., Определение значения микротвёрдости по методу Виккерса в монокристаллах b-Ga2O3, выращенных из собственного расплава, Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 3(97), 546-549, 2015;
  4. M. de Jong, W. Chen, T. Angsten, et al, Charting the complete elastic properties of inorganic crystalline compounds, Scientific Data, 2, 2015;


Особенности структуры и гальваномагнитных свойств ультратонких плёнок висмута в температурном диапазоне 77–320 К

Крушельницкий Артемий Николаевич1, Грабов В. М.1, Демидов Е. В.1, Каблукова Н. С.1, Комаров В. А.1

1РГПУ

Эл. почта: ak.spb.ru@gmail.com

Настоящее исследование является логическим продолжением работ [1–6], посвящённых экспериментальному изучению физических свойств полуметаллов в плёночном состоянии. При этом работы [1–6] были связаны с исследованием явлений переноса в плёнках висмута толщиной более 100 нм (толстые плёнки). В рамках данной работы исследуются плёнки висмута толщиной от 15 нм до 100 нм.

1. В работах, выполненных ранее на толстых плёнках висмута, было установлено, что наилучшая структура плёнок, полученных термическим испарением в высоком вакууме, наблюдается в случае использования подложки из слюды (мусковит), разогретой до температуры ≈ 150 °С. Эти оптимальные параметры технологии изготовления были взяты за основу при получении тонких (толщиной менее 100 нм) плёнок. Образцы получались методом термического испарения в сверхвысоком вакууме (10-8 мм рт. ст. против 10-5 мм рт. ст. в [1–6] и 10-6 мм рт. ст. в [7]) на низких скоростях осаждения ≈ 1,5 Å/с при температуре подложки порядка 150 °C (против комнатной в [8,9]) с последующим высокотемпературным отжигом в течение часа.

2. Контроль качества структуры полученных образцов проводился методами атомно-силовой микроскопии и дифракции обратно рассеянных электронов. Было установлено, что плёнки имеют блочную структуру с преимущественной ориентацией тригональной оси C3 перпендикулярно плоскости подложки. Шероховатость поверхности и высота фигур роста линейно возрастает с увеличением толщины плёнки.

C увеличением толщины плёнки происходит увеличение среднего размера кристаллитов от 0,5 до 2 мкм. Но при толщинах 27–70 нм средний размер кристаллитов не изменяется и составляет величину ≈ 0,75 мкм.

3. Измерения гальваномагнитных свойств проводились на постоянном токе при постоянном магнитном поле по классической методике.

3.1. При понижении температуры удельное сопротивление полученных плёнок увеличивается. Отношение \rho (77 K) / \rho (300 K) для плёнок толщинами более 15 нм составило величину от 2 до 2,6. На температурной зависимости удельного сопротивления плёнки толщиной 15 нм, наблюдается максимум при T ≈ 120 К, что согласуется с результатами работ [10,11]. При этом для всех исследованных плёнок в интервале температур 77–300 К не замечено минимума на зависимости удельного сопротивления от температуры, характерного для плёнок толщиной более 200 нм и сдвигающегося в область более высоких температур с уменьшением толщины плёнки (по данным работы [12] для плёнки 29 нм температура минимума ≈ 400 К).

3.2. При понижении температуры увеличивается относительное магнетосопротивление исследованных образцов. Однако на температурных зависимостях магнетосопротивления плёнок толщиной менее 80 нм обнаружен максимум, смещающийся в область более высоких температур с уменьшением толщины плёнки и отсутствующий в случае плёнок больших толщин в упомянутых нами работах.

3.3. Коэффициент Холла исследованных плёнок положителен в температурном интервале 77–320 K, что связано с преимущественным ограничением подвижности электронов вследствие классического размерного эффекта. Кроме того, на температурных зависимостях коэффициента Холла для плёнок толщинами меньше 70 нм наблюдается максимум.

В заключение необходимо отметить, что данные по температурной зависимости удельного сопротивления полученных плёнок с уже известными в литературе закономерностями хорошо согласуются. Обнаруженные максимумы на температурных зависимостях магнетосопротивления и коэффициента Холла являются новыми результатами и требуют дальнейших исследований.

Работа выполнена на базе Междисциплинарного ресурсного центра коллективного пользования «Современные физико-химические методы формирования и исследования материалов для нужд промышленности, науки и образования» РГПУ им. А. И. Герцена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания № 2014/376 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности, проект № 59.

Список литературы

  1. Михайличенко Т. В. Условия получения и электрические свойства пленок висмута. Дисс. … канд. физ.-мат. наук. ЛГПИ им. А. И. Герцена. 135 с., 1973.;
  2. Комаров В. А. Исследование кинетических свойств пленок висмута на различных подложках. Дисс. … канд. физ.-мат. наук. ЛГПИ им. А. И. Герцена. 117 с., 1989.;
  3. Грабов В. М., Демидов Е. В., Комаров В. А. Атомно-силовая микроскопия пленок висмута // ФТТ. Т. 50, № 7. С. 1312–1316. 2008.;
  4. Грабов В. М. и др. Явления переноса в монокристаллических пленках висмута // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. № 122. С. 22–31. 2010.;
  5. Грабов В. М., Демидов Е. В., Комаров В. А. Ограничение подвижности заряда в пленках висмута, обусловленное их блочной структурой // Поверхность.Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. № 2. С. 81–85. 2011.;
  6. Комаров В. А. и др. Кинетические явления и структура пленок висмута // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. Т. 6, № 15. С. 131–143. 2006.;
  7. Комник Ю. Ф., Бухштаб Е. И. Наблюдение квантового и классического размерных эффектов в поликристаллических тонких пленках висмута // ЖЭТФ. Т. 54, № 1. С. 63–68. 1968.;
  8. Rogacheva E. I. et al. Semimetal–semiconductor transition in thin Bi films // Thin Solid Films. Vol. 516, № 10. P. 3411–3415. 2008.;
  9. Rosenbaum R., Galibert J. Unusual electronic transport properties of a thin polycrystalline bismuth film // J. Phys. Condens. Matter. IOP Publishing. Vol. 16, № 32. P. 5849–5867. 2004.;
  10. Marcano N. et al. Role of the surface states in the magnetotransport properties of ultrathin bismuth films // Phys. Rev. B. Vol. 82, № 12. P. 125326. 2010.;
  11. Комник Ю. Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты. Москва: Атомиздат. 264 с. 1979.;
  12. Abou El Ela A. H., Mahmoud S., Mahmoud M. A. Electrical conduction of thin bismuth films // Acta Phys. Acad. Sci. Hungaricae. Vol. 52, № 2. P. 143–151. 1982.;


Creation of controlled elastic deformation in a vertically aligned carbon nanotube

Ilina Marina [Vladimirovna]1, Konshin A.A.1, Smirnov V.A.1, Ageev O.A.1

1Southern Federal University

Эл. почта: mailina@sfedu.ru

To the constant evolution of electronic devices it is necessary the development of new and improvement of existing technologies of nonvolatile memory creation. One of the promising materials to create nonvolatile memory cells are memristor structures based on vertically aligned carbon nanotubes (VA CNTs) [1, 2]. The mechanism of resistive switching of VA CNTs is associated with a deformation and induction of a VA CNT internal electric field [1]. To obtain stable and reproducible parameters of memristor structures based on VA CNTs, the creation of controlled elastic deformation in the VA CNT is needed.

The aim is to develop a technique of creating the controlled elastic deformation in vertically aligned carbon nanotube by a local external electric field.

To develop this technique the modeling the influence of geometrical and mechanical properties of VA CNT on the deformation by applying a voltage pulse U(t) = U0∙t / t0 between the nanotube and the upper electrode separated by tunneling gap d was carried out by the solution of a hyperbolic differential equation at nanotube parameters: diameter D = 10 -100 nm, height L = 0.5 – 3 μm and Young modulus Y = 0.2 – 1.5 TPa.

Theoretical studies of the influence of height, diameter, and Young modulus on the deformation ΔL caused by the application of a local external electric field have shown that the deformation increases with the increasing length of the nanotube and decreases with the increasing Young modulus, and it does not depend on the diameter of the nanotube. Thus, for fixed parameters of the nanotube (D = 90 nm, Y = 1 TPa), d = 1.0 nm and U0 = 8 V the following values were obtained: ΔL = 1.24 nm for L = 0.5 μm, ΔL = 1.32 nm for L = 1 μm, ΔL = 1.44 nm for L = 2 μm, ΔL = 1.53 nm for L = 3 μm. With the same fixed parameters and L = 2 μm, varying the Young modulus of the VACNT from 0.2 to 1.5 TPa, the deformation ΔL changed from 1.87 to 1.37 nm. The diameter of the nanotube does not significantly affect the value of ΔL when d << D, and the Young modulus does not depend on the diameter. Thus the value of the elastic deformation of the VA CNT by applying the voltage depends on the height, Young modulus and the tunneling gap.

Analysis of the elastic forces in the nanotube and Van der Waals force between the upper electrode and the nanotube showed that the deformation remains when the external electric field is removed as the VACNT is being kept in contact with the upper electrode by Van der Waals forces.

Thus to create the controlled elastic deformation in VA CNT of memristor structure the tunneling gap value d must be such that when an external electric field is applied the VACNT elongates by ΔLd and touches the upper electrode. Moreover elastic force which occurs as a result of the nanotube deformation ΔL must not exceed Van der Waals force.

The obtained results can be used to develop the nonvolatile memory devises with high density of cells based memristor structures with the vertically aligned carbon nanotubes.

The results were obtained on the equipment of the Collective Usage Center “Nanotechnologies” and the Research and Education Center “Nanotechnologies” of the Southern Federal University.

The study was funded by Russian Foundation for Basic Research according to the research projects No. 16-29-14023 ofi_m.

Список литературы

  1. 1. O.A. Ageev, Yu. F. Blinov, O.I. Il’in, B.G., Konoplev, M.V. Rubashkina, V.A. Smirnov, A.A. Fedotov. Study of the Resistive Switching of Vertically Aligned Carbon Nanotubes by Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Solid State, Vol. 57, No. 4, pp. 825–831, 2015.;
  2. 2. O.A. Ageev, Yu.F. Blinov, O.I. Il’in, A.S. Kolomiitsev, B.G. Konoplev, M.V. Rubashkina, V. A. Smirnov, A. A. Fedotov, Memristor Effect on Bundles of Vertically Aligned Carbon Nanotubes Tested by Scanning Tunnel Microscopy // Tech. Phys., Vol. 58, No. 12, pp. 1831 – 1836, 2013.;


Электрооптические свойства ионосвязанных гребнеобразных полимеров в органических растворителях

Китаева Алина Константиновна1, Михайлова М. Е.1,, Цветков Н. В. 1, Коломиец И. П.1

1СПбГУ

Эл. почта: alina.kitaeva@gmail.com

Одним из активно развивающихся в настоящее время направлений в области изучения полимеров является изучение влияния процессов самоорганизации в растворах исходных низкомолекулярных соединений на молекулярные свойства получаемых полимеров.

Недавно был разработан новый метод синтеза полностью замещенных полиэлектролитных комплексов (ПЭК) [1,2] из мономеров в мицеллярном состоянии в водных растворах при различной концентрации низкомолекулярных компонент, в смесях вода–диоксан и в некоторых органических растворителях.

Интерес к этим соединениям подкреплен последними исследованиями [3], в которых представлены результаты изучения мембран из поливинилхлорида допированных поли-2-акриламидо-2-метилпропансульфонат цетилтриметил аммония (ЦТА-ПАМПС) и поли-2-акриламидо-2-метилпропансульфонат додецил аммония (ДДА-ПАМПС). Продемонстрирована возможность использования получаемых мембран  в качестве ионоселективных электродов для обнаружения малого содержания целого ряда поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водных и водно-солевых  растворах при вариации используемых солей и pH. В работе отмечается влияние молекулярной массы ПЭК на характеристики мембран.

Изучение гидродинамических и конформационных свойств показало зависимость молекулярной массы получаемых полимеров от условий синтеза [4,5,6]. В органических растворителях представленные полимеры могут рассматриваться, как гребнеобразные с ионным присоединением боковых цепей.

Представляемое исследование является началом серии работ, направленных на изучение влияния вариации химической структуры и условий синтеза на равновесные и неравновесные электрооптические свойства гребнеобразных полимеров с ионным присоединением боковых цепей.

В работе представлены результаты изучения равновесных и неравновесных электрооптических свойств ряда образцов полимера поли-2-акриламидо-2-метилпропансульфонат цетил аммония (ЦА-ПАМПС) различной молекулярной массы в разбавленных растворах в хлороформе методом электрического двойного лучепреломления (эффект Керра, ЭДЛ).

При исследовании равновесных электрооптических свойств была обнаружена степенная  зависимость постоянной Керра полимера от молекулярной массы с показателем степени 0,8 в диапазоне конформаций гаусcова клубка  (К ~ M0.8). Для ранее изученных гребнеобразных полимеров: МДП (модифицированный дендронами полиметакрилат) и ПЭЦК (полифенилметакрилатовый эфир цетилоксибензойной кислоты) зависимость К (М) также носила степенной характер [7,8]. Показатели степени были равны 0,32 и 0,42 соответственно, что может быть связано с различиями в химической структуре бокового дипольного фрагмента, а также качеством растворителя. Детальное рассмотрение этого вопроса является важным для развития фундаментальных представлений об особенностях эффекта Керра в гребнеобразных полимерах.

Изучение процесса релаксации электрического двойного лучепреломления после окончания действия прямоугольно-импульсного электрического поля позволило оценить гидродинамические размеры релаксирующих макромолекул. Полученные результаты хорошо согласуются с размерами полученными ранее методом динамического рассеяния света [3].

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (проект № 15-03-08506) и СПбГУ (11.38.267.2014).

Список литературы

  1. Y. Bilibin, T. M. Sukhanova, Y.A. Kondratenko, I.M. Zorin, N-Alkyl ammonium 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonates: syntesis, propeties, and polyrization, Polym. Sci. B 55 (1-2), 22-30, 2013;
  2. Y. Bilibin, T. M. Shcherbinina, Y.A. Kondratenko, N.A. Zorina, I.M. Zorin, Micellar polymerization of alkylammonium 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonates in the solvents of different polarities and properties of resulting polyelectrolyte-surfactant complexes, Colloid Polym. Sci. 293 (4), 1215-1225, 2015;
  3. Zorin I., Scherbinina T., Fetin P., Makarov I., Bilibin A. Talanta, 130, 177, 2014;
  4. Tsvetkov N.V., Mikusheva N.G., Lezov A. A., Gubarev A.S., Mikhailova M.E., Podseval’nikova A.N., Akhmadeeva L.I., Lebedeva E.V., Zorin I.M., Shcherbinina T.M., Bilibin A.Yu. Eur. Polym. J.l, 75, 251, 2016;
  5. Andreeva L. N., Shcherbinina T. M., Zorin I. M., Bezrukova M. A., Bushin S. V., and Bilibin A. Yu. Polymer Science, Series A, 55, 289, 2013;
  6. Bilibin, A.Y., Shcherbinina, T.M., Kondratenko, Y.A., Zorina, N.A., Zorin, I.M. Colloid and Polymer Science, 293, 1215, 2015;
  7. Tsvetkov V.N., Rjumtsev E.I., Shtennikova I.N., Korneeva E.V., Krentsel B.A., Amerik Yu. B., Intramolecular liquid-crystal order in polymers with chain side groups, European Polymer Journal, Vol. 9, pp, 481-492, 1973;
  8. Михайлова М.Е., Полушина Г.Е., Матвеева И.Н., Филиппов С.К., Рюмцев Е.И., Лезов А.В. тезисы доклада “Конформационные и электрооптические свойства молекул модифицированного Frechet-дендронами полиакрилата”//4я Всероссийская Каргинская Конференция «Наука о полимерах 21-му веку», Москва, стр. 176, 29.01-02.02.2007;


Исследование влияния параметров нитридизации и начальных условий роста на полярность эпитаксиальных слоев GaN, выращенных МПЭ-ПА на подложках Si (111)

Шубина Ксения Юрьевна1, Березовская Т. Н.1, Мохов Д. В.1, Мизеров А. М.1, Никитина Е. В.1

1СПб АУ РАН

Эл. почта: rein.raus.2010@gmail.com

Полупроводниковые материалы класса A3N, в частности нитрид галлия (GaN), благодаря своим уникальным свойствам находятся под пристальным вниманием исследователей и разработчиков различных приборов твердотельной электроники.

Кристаллографическая полярность является весьма важной особенностью материалов A3N с кристаллической решеткой типа вюрцита. Она существенно влияет на кинетику роста, структурные, оптические и электрические свойства гетероструктур [1], и характеристики приборов на основе нитридов. Поэтому важно уметь контролировать кристаллографическую полярность эпитаксиальных структур A3N. Данный вопрос детально изучен для синтеза GaN и AlN на подложках c-Al2O3 [2]. Однако возможность управления полярностью GaN на подложках Si пока недостаточно изучена.

В настоящей работе было проведено исследование влияния параметров нитридизации подложки Si (111) и начальных ростовых условий на полярность эпитаксиального слоя GaN. Синтез слоев GaN на подложках Si (111) и c-Al2O3 осуществлялся методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота (МПЭ-ПА). В качестве буферного слоя при росте на подложках Si (111) использовался тонкий слой SixNy, образующийся на поверхности подложки Si при ее взаимодействии с потоком атомарного азота в процессе нитридизации. Образцы были получены на установке Veeco Gen 200, укомплектованной высокочастотным плазменным источником Veeco UNI-Bulb RF Plasma Source. Для определения кристаллографической полярности полученных образцов была разработана экспресс-методика, основанная на кристаллографическом жидкостном химическом травлении поверхности GaN, позволяющая в течение 5 минут определить полярность образца. В качестве травителя был выбран горячий раствор KOH:H2O (1:5). Исследование образцов проводилось с помощью профилометра Ambios Technology XP-1, оптического микроскопа Leica INM100, растрового электронного микроскопа Zeiss Supra 25. Увеличениче шероховатости поверхности образца и появление на ней пирамидальных образований свидетельствовало об N-полярности образца, отсутствие изменений морфологии поверхности являлось признаком Ga-полярности [3].

В ходе работы было исследовано 12 образцов GaN/SixNy/Si(111), выращенных с использованием различных режимов нитридизации и начальных условий роста. Длительность процесса нитридизации варьировалась в интервале 5 - 120 мин, температура нагрева подложки Si в процессе нитридизации составляла для разных образцов 525 - 840 °C, скорость осаждения атомарного азота 0,1 МС/c. На начальной стадии роста слоя GaN соотношение потоков атомов Ga и N составило FGa/FN ≈ 0.5, температура нагрева подложки варьировалась в диапазоне 330 - 700 °С. Исследование образцов с помощью разработанной экспресс-методики показало, что из 12 образцов 11 обладают Ga-полярностью. Единственный N-полярный образец был получен при пониженной начальной температуре роста слоя GaN, равной 330 °C. Ga-полярные образцы были получены в диапазоне температур роста GaN слоя 450 – 700 °С. Параметры нитридизации подложки Si для образца с N-полярностью совпадали с параметрами для нескольких образцов, демонстрирующих Ga-полярность. Таким образом, параметры нитридизации подложки Si не влияют на полярность слоя GaN в эпитаксиальной структуре GaN/SixNy/Si(111), однако температура подложки на начальной стадии роста слоя GaN является одним из факторов, определяющих полярность растущей эпитаксиальной структуры. Нагрев подложек Si до температур, близких к температуре разложения GaN (700°C), на начальной стадии роста позволяет получать Ga-полярные структуры. Наоборот, результатом использования пониженных температур подложких в начале роста слоя GaN является N-полярность эпитаксиального слоя.

Список литературы

  1. Hellman E.S.,The Polarity of GaN: a Critical Review, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 11, 1998;
  2. Stutzmann M., Ambacher O., Eickhoff M., Karrer U., Lima Pimenta A., Neuberger R., Schalwig J., Dimitrov R., Schuck P.J., Grober R.D., Playing with Polarity, phys.stat.sol.(b), 228, No.2, 505–512, 2001;
  3. Zhuang D., Edgar J.H., Wet etching of GaN, AlN, and SiC: a review, Materials Science and Engineering R, 48, 1-46, 2005;


Тонкопленочные фрактальные микро- и наноструктуры, сформированные методом электрического разряда

Тадтаев Павел Олегович1, Бобков А. А.1, Бородзюля В. Ф.2, Ламкин И. А.1, Михайлов И. И.1, Мошников В. А.1, Пермяков Н. В.1, Соломонов А. В.1, Сударь Н. Т.2, Тарасов С. А.1

1СПбГЭТУ  "ЛЭТИ"

2СПбПУ

Эл. почта: tadtayevpavel@gmail.com

Формирование фрактальных микро- и наноструктур является одной из самых актуальных задач современного материаловедения. Подобные структуры характеризуются высокоразвитой поверхностью, уникальными адсорбционными и каталитическими свойствами и представляют большой интерес для разработки новых приборов оптоэлектроники, газовых сенсоров следующего поколения, каталитических носителей, фрактальных p-n-переходов для солнечной энергетики, а также структур биомедицинского назначения.

В работе рассмотрены возможности создания фрактальных пленочных микро- и наноструктур с использованием электрического пробоя. Изучение особенностей развития электрического пробоя в традиционных пленочных материалах для проводящих прозрачных покрытий-электродов также представляет технический интерес для оптоэлектроники, особенно для гибкой электроники.

Были исследованы следующие структуры. На стеклянную подложку толщиной 0.5 – 3 мм наносился слой оксида индия-олова, толщиной 1 - 10 мкм. Часть образцов в дальнейшем покрывалась слоями поликарбоната (ПК), полиметилметакрилата (ПММА) или других органических соединений. Слои наносились методами центрифугирования или вакуумным осаждением при остаточном давлении не выше 10-5 мм. рт. ст. Для исследования процессов пробоя была создана специализированная установка, позволяющая за счет использования наноэлектрода на основе эвтектической композиции Ga/In создавать высокие локальные напряженности поля и обеспечивался диаметр пятна контакта электрода с пленкой ~ 60 мкм. Установка включала в себя спектрометрическую приставку, дающую возможность проводить измерения спектральных характеристик возникающего свечения с высоким разрешением как по длине волны, так и по времени. Также были проведены эксперименты при воздействии на образец магнитных полей заданной напряженности. Созданные фрактальные микро- и наноструктуры исследовались оптическими методами с использованием микроскопов высокого разрешения, металлографического компьютерного анализа, а также атомно-силовой микроскопии.

Исследования показали, что разрушения ITO локализованы в токовых каналах (треках), причем их форма зависит от толщины слоя ITO. В тонких слоях ITO (толщиной 100-300 нм) разрушения имеют форму отдельных коротких треков длиной 200-400 мкм. В ITO толщиной более 300 нм разрушения имеют форму многовитковой спирали диметром ~1 мм. Таким образом, на поверхности ITO формируются протяженные фрактальные микроструктуры. Форма возникающих фрактальных образований в первую очередь определяется свойствами оксидного слоя, в частности, его сопротивлением и кристаллической структурой. Показано, что при воздействии магнитного поля пробой ориентируется в направлении, задаваемом вектором напряженности поля, и траектория приобретает вытянутый вид.

Показано, что при пробое слоев ITO, расположенных на стеклянной подложке, на поверхности возникает эффект шнурования тока. Выделение тепловой энергии приводит к разрыву сплошности оксидного материала, сопровождаемого его частичным испарением (сублимацией) и аморфизацией окружающей шнур части слоя с последующим фрактальным структурообразованием. Форма геометрии структур может быть изменена путем регулирования токовых и временных параметров происходящего пробоя. Исследование временных спектральных диаграмм пробоя в слоях ITO показало, что кроме основных линий в спектре присутствует большое число более слабых пиков, соответствующих излучательным переходам процессов теплового удара и сублимации материала, а также формирования фрактальных микроструктур.

Нанесение на поверхность ITO тонкого полимерного слоя позволило увеличить контраст изображения. Показано, что, поскольку протекание тока по слою ITO локализовано в узком (около 10 мкм) треке, его разогрев приводит к ускоренной деструкции и удалению полимера из трека при относительно малых напряжениях. Это позволило проводить диагностику качества контактных слоев без использования оптической аппаратуры высокого разрешения.



Зависимость длины волны излучения и состава от параметров роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии GaAs квантовой точки в AlGaAs нитевидных нанокристаллах на подложке Si(111)

Резник Родион Романович1

1ИТМО

Эл. почта: moment92@mail.ru

Актуальность исследований нитевидных нанокристаллов (ННК) объясняется необходимостью решения важной задачи - создания новых непланарных полупроводниковых наноматериалов и наносистем с контролируемыми свойствами. Данные материалы могут быть использованы и уже используются при разработке приборов микроэлектроники, оптоэлектроники, аналитической биомедицины, эмиссионных катодов, зондов для сканирующей туннельной микроскопии, высокоэффективных преобразователей солнечной энергии и т.д. Особый интерес представляют ННК с комбинированной размерностью, например, типа «квантовая точка (КТ) в ННК». Это, во-первых, позволяет формировать упорядоченные по размерам КТ в системах материалов III-V, как однослойные, так и мультиплицированные. Во-вторых, у подобных наноструктур появляются новые электронные и оптические свойства, поэтому данные гибридные материалы – объекты интенсивного исследования в современной физике. Ранее нами была показан принципиальная возможность формирования нанометровых вставок InAsP в теле InP ННК и GaAs в теле AlGaAs ННК. В развитие данного направления в настоящей работе приводятся данные по росту и исследованию свойств наноструктур типа «квантовая точка GaAs, внедренная в AlGaAs ННК», выращенных на поверхности Si(111) методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) с использованием золота в качестве катализатора. Методика синтеза таких структур позволяет решить проблему интеграции III-V материалов с кремнием.

МПЭ рост проводился c помощью установки Riber 21 Compact, оснащенной, помимо ростовой камеры, вакуумно-совмещенной камерой для нанесения Au (камера металлизации). В качестве подложек использовались полированные полуизолирующие пластины кремния с ориентацией поверхности (111). Рост производился в два этапа. После удаления окисного слоя с поверхности подложки при температуре 8500С, температура образца понижалась до 5500С и производилось напыление пленки золота толщиной ~ 0.1 - 0.2 нм в камере металлизации. После минутной выдержки для создания равномерных капель Au температура понижалась до комнатной и образец переносился в ростовую камеру без нарушения условий сверхвысокого вакуума. В ростовой камере  температура повышалась до ростовой, далее открывались заслонки Al, Ga и As и производилось выращивание AlGaAs ННК в течение 20 мин в As-стабилизированных условиях роста. После этого, заслонка Al перекрывалась на несколько секунд (5 - 15), вследствие чего на вершине AlGaAs ННК образовывалась GaAs наноостровок (КТ). Далее Al заслонка открывалась вновь на 5 минут для формирования покрывающего слоя. Номинальный состав x по Al в твердом растворе изменялся в пределах х = 0.3 - 0.6. Скорость роста AlGaAs поддерживалась постоянной и составляла 1 монослой в секунду (МС/с). Таким образом, скорости роста GaAs и AlAs менялись в соответствии с необходимой мольной доли х в твердом растворе AlхGa1-хAs (0.3/0.7 МС/с, 0.4/0.6 МС/с, 0.5/0.5 МС/с, 0.6/0.4 МС/с).

Морфология и оптические свойства выращенных структур исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа и техники низкотемпетурной люминесценции.

Исследования показали, что при росте AlGaAs ННК самоорганизованно происходит формирование достаточно сложной структуры, состоящей из стрежня ННК с одним составом по Al (всегда меньшем) и оболочки (обладающей более высоким составом). Из оптических измерений следует, что оба этих состава меньше в 2 – 3 раза, чем состав тонкой плёнки, выращенный при тех же условиях. Помимо этого, важным является то, что в зависимости от величины вставки (времени ее формирования), положение пика люминесценции варьируветься.

Таким образом, в работе продемонстрировано, что, меняя время роста GaAs вставки в таком ННК, а также состав самого AlGaAs ННК, становится возможным контролируемо получать гибридную систему на основе нитевидных нанокристаллов AlGaAs/GaAs/AlGaAs с заранее заданной зонной диаграммой. Кроме того, предлагаемая технология позволяет интегрировать прямозонные соединения АIIIВV и кремний.



Синтез наноструктур ZnO на металлических подложках гидротермальным методом в нейтральной и щелочной среде

Лашкова Наталья Алексеевна1

1СПбГЭТУ  «ЛЭТИ»

Эл. почта: lashkovanat@yandex.ru

Оксид цинка ZnO (Eg≈3,36 эВ, n-тип электропроводности) [1, 2] является перспективным материалом для формирования прозрачных проводящих покрытий [3], активных элементов ячеек солнечных модулей, газовых сенсоров [4-6], а также активных элементов пьезоэлектрических устройств.

Наноструктуры ZnO формируются с помощью химического осаждения из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (MOCVD) [7], молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), распыления и др. Однако одним из наиболее простых и дешевых методов является гидротермальный метод [8-12], подходящий для синтеза наностержней ZnO на полимерных подложках.

Гидротермальный метод основан на растворении в воде и водных растворах при высоких температурах и давлениях веществ, практически нерастворимых в обычных условиях. Основными параметрами гидротермального синтеза, определяющими свойства образующихся продуктов, являются начальное значение pH среды, продолжительность и температура синтеза, величина давления в системе.

В качестве прекурсора цинка был выбран нитрат цинка, в качестве основания - гексаметилентетрамин (HMTA), использование которого снижает температуры синтеза ниже 100ºС, что позволяет проводить синтез в циркуляционном термостате.

Концентрация каждого реагента в растворе, используемом для роста наностержней, составляла 25 ммоль/л. Образцы помещались в раствор и выдерживались в термостате при 85°C в течение 2 часов. По окончании процедуры роста наностержней образцы промывались дистиллированной водой и сушились на воздухе.

В работе проводились эксперименты по синтезу наностержней ZnO на металлических подложках (Cu, Al) как в нейтральной среде, так и в щелочной.

Исследования с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) показали, что полученные структуры представляют собой массивы игольчатых наностержней длиной до 3 мкм. Из-за небольшой концентрации нанообъектов на подложке проводились эксперименты по формированию их при добавлении 3 мл аммиачной воды NH3·H2O на 60 мл исходного раствора. В результате вырастают игольчатые шаровидные структуры размером до 3 мкм. При этом в некоторых областях образуются пластинчатые гексагональные кристаллы ~3 мкм, а поверхность подложки равномерно покрыта одиночными нановискерами длиной 1 мкм.

Синтез наноструктур ZnO на Al подложках гидротермальным методом в нейтральной среде привёл к образованию пористой системы, образованной соединенными между собой пластинчатыми кристаллами, при этом средний размер пор составляет ≈2 мкм, а толщина стенок составляет 50-100 нм. Такие структуры обладают высокой пористостью и большой площадью поверхности, что делает перспективным их применение в электронике.

Изменение pH среды при добавлении 3 мл NH3·H2O приводит к изменению структуры растущего на Al подложке слоя ZnO. По сравнению с предыдущим образцом данном случае происходит рост тонких гексагональных пластин ZnO размером порядка 5 мкм и толщиной 300-500 нм. Кроме того, из раствора на поверхность подложки осаждаются шаровидные игольчатые структуры диаметром 4-5 мкм. Увеличение концентрации NH3·H2O в растворе приводит к отсутствию формирования игольчатых шаровидных структур, на поверхности подложки существуют лишь гексагональные пластины.

В работе проведены эксперименты по синтезу нанообъектов ZnO на металлических подложках в условиях изменения состава исходного раствора для гидротермального синтеза. Установлено, что с помощью изменения кислотности раствора, можно управлять формой, размерами и типом структуры, выращиваемой гидротермальным методом: могут быть созданы наностержни ZnO с различными длиной и диаметром; шаровидные игольчатые структуры диаметром 3-5 мкм с высокой пористостью или пластинчатые гексагональные кристаллы толщиной 50-100 нм и диаметром ~5 мкм.

Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 16.2112.2014/К.

 

Список литературы

  1. Klingshirn C.F., Meyer B.K., Waag A. et al. Zinc Oxide. From Fundamental Properties Towards Novel Applications. Springer, 374 p, 2010;
  2. Jagadish C., Pearton S. J. Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures: Processing, Properties, and Applications. Elsevier Science, 589 p, 2006;
  3. Николаев К.О., Рыбакова Н.О., Шамин А.А. и др. Прозрачные проводящие покрытия на основе оксидов металлов. Технологии получения, свойства и области применения, Молодой ученый, № 13, С. 128-132, 2015;
  4. Карпова С.С., Мошников В.А., Максимов А.И. и др. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола, ФТП, Т. 47, № 8, С. 1022-1026, 2013;
  5. Крастева Л.К., Димитров Д.Ц., Папазова К.И. и др. Синтез и характеризация наноструктурированных слоев оксида цинка для сенсорики, ФТП, Т. 47, № 4, С. 564-569, 2013;
  6. Божинова А.С., Канева Н.В., Кононова И.Е. и др. Изучение фотокаталитических и сенсорных свойств нанокомпозитных слоев ZnO/SiO2, ФТП, Т. 47, № 12, С. 1662-1666, 2013;
  7. Редькин А.Н., Рыжова М.В., Якимов Е.Е., Грузинцев А.Н. Упорядоченные массивы наностержней оксида цинка на кремниевых подложках, ФТП, Т. 47, № 2, С. 216-222, 2013;
  8. Бобков А.А., Максимов А.И., Мошников В.А. и др. Наноструктурированные материалы на основе оксида цинка для гетероструктурных солнечных элементов, ФТП, Т.49, № 10, С. 1402-1406, 2015;
  9. Лашкова Н.А., Максимов А.И., Рябко А.А. Синтез наноструктур на основе оксида цинка для создания гетероструктурных фотовольтаических элементов, ФТП, Т. 50, № 9, С. 1276-1282, 2016;
  10. Сомов П.А., Максимов А.И. Гидротермальный синтез наноструктур оксида цинка, Молодой ученый, №8, С. 255-259, 2014;
  11. Шапорев А.С. Гидро- и сольвотермальный синтез и функциональные свойства нанокристаллического оксида цинка: автореф. дисс. к. х. н. ИОНХ РАН, Москва, 24 с, 2009;
  12. Рябко А.А., Лашкова Н.А. Синтез 1-D структур ZnO для фотовольтаики нового поколения, Молодой ученый, № 6 (110), С. 168-173, 2016;


Зависимость фотопроводимости нанонитей на основе индий–цинк оксида от концентрации компонентов

Маркова Надежда Павловна1, Березина О.Я1, Пергамент А. Л.1

1ПетрГУ

Эл. почта: khomlyk@mail.ru

Датчики ультрафиолетового излучения находят применение для детектирования УФ излучения в промышленных установках, в медицинских приборах, для обнаружения открытого пламени, в научных целях.

Японская компания Rohm разработала сенсор ультрафиолета с применением тонких пленок из оксида цинка [1]. Сенсоры на основе нанонитей должны быть более чувствительными из-за большей площади свободной поверхности.

Оксид цинка – широкозонный полупроводник, обладающий уникальными электрофизическими и оптическими свойствами и относящийся к группе прозрачных проводящих оксидов.

Низкая проводимость недопированного оксида цинка затрудняет его применение в качестве прозрачных электродов и химических сенсоров, приводит к необходимости понижения сопротивления функционального материала. Повышение проводимости достигается введением в оксид цинка донорных примесей, например, элементов 3 группы. Встраивание катионов M3+ в структуру оксида цинка приводит к увеличению концентрации свободных носителей заряда [2].

Из всех элементов 3 группы наиболее близкими значениями эффективных ионных радиусов к радиусу Zn2+ обладают Ga3+ и In3+, которые наиболее часто используются на практике [2].

В данной работе в качестве донорной примеси использовался индий. Получение нитей индий-цинк оксида (IZO) производилось методом электроспиннинга. Формирование нанонитей происходит в электростатическом поле в струе раствора полимера или полимерного расплава [3].

Нити формировались из смеси растворов ацетата цинка двух водного Zn(CH3COO)2·2H2O и нитрата индия In(NO3)3·4,5H2O в воде, и раствора высокомолекулярного поливинилпирролидона PVP (Mr = 1,3·106 г/моль) в этаноле. Были приготовлены растворы с различным атомным содержанием In и Zn. Диаметр полученных нанонитей колебался в пределах 240 – 300 нм.

После процесса электроспиннинга и непосредственного синтеза нитей для удаления полимера производится их отжиг в высокотемпературной вакуумной печи OTF-1200X на воздухе при 600°С. После отжига размеры нанонитей уменьшались до 50 – 100 нм.

Для измерения ВАХ нанонити наносились на подложку SiO2, отжигались, сверху через маску напылялись золотые контакты диаметром порядка 1 мм с расстоянием между ними 1 – 1,5 мм.

Источником слабого ультрафиолетового излучения в области длин волн 230-290 нм служил прибор “Фотон”, который помещался непосредственно над образцом на расстоянии 5 см. При этом энергетическая освещенность поверхности образца составляла 45 мкВ/см2.

ВАХ образцов с различными атомными соотношениями In и Zn при их облучении УФ и при естественной освещенности снимались с помощью источника-измерителя Keithley 2410. Установлено, что максимальный  рост проводимости  (на четыре порядка) достигается при соотношении In:Zn = 2:3. При этом времена нарастания и спада тока составляли соответственно около 100 и 200с.

Повышение и спад проводимости могут быть связаны с фотохимическими процессами десорбции–адсорбции кислорода с поверхностей нитей. Молекулы кислорода из окружающей среды легко абсорбируются на поверхности нанонитей путем захвата свободных электронов из зоны проводимости, при этом молекулы становятся отрицательно заряженными ионами [4].

Под воздействием УФ-излучения в нанонитях IZO генерируются электронно-дырочные пары. Впоследствии фотогенерируемые дырки рекомбинируют с адсорбированными ионами кислорода с образованием молекул кислорода, которые затем десорбируют с поверхности нанонитей [4].

Одновременно происходит увеличение числа электронов в зоне проводимости. Под действием приложенного напряжения смещения свободные носители движутся к электродам, и возникает фототок. Чем больше площадь поверхности IZO нанонитей, тем больше скорости адсорбции и десорбции молекул кислорода с их поверхности при УФ облучении [4].

Таким образом, синтезированные нанонити IZO показывают высокую чувствительность к ультрафиолетовому излучению 230-290 нм.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания № 2014/154 в сфере научной деятельности (проект № 1426).

Список литературы

  1. http://www.symmetron.ru/news/rohm-UV-sensor.shtml

  2. Воробъева Н.А. Нанокристаллический ZnO(M) (M = Ga, In) для газовых сенсоров и прозрачных электродов: дисс. канд. хим. наук: 02.00.01 / Н.А. Воробьева, Москва, 180 с, 2015.

  3. Березина О.Я., Кириенко Д.А., Маркова Н.П., Пергамент А.Л. Синтез микро- и нанонитей пентаоксида ванадия методом электроспиннинга // ЖТФ, том 85. выпуск 9. стр. 105 - 110, 2015.

  4. Mamat M. H., Khusaimi Z., Zahidi M.M., Mahmood M. R. Performance of an ultraviolet photoconductive sensor using well-aligned aluminium-doped zincoxide nanorod arrays annealed in an air and oxygen environment // Jpn. J. Appl. Phys, v. 50, 4 р, 2011.



Исследование влияния расстояния мишень-подложка при импульсном лазерном осаждении на свойства нанокристаллических пленок LiNbO3

Вакулов Захар Евгеньевич1, Замбург Е. Г.2, Голосов Д. А.3, Завадский С. М.3, Достанко А. П.3, Агеев О. А.​1

1ЮФУ

2Department of Materials Science and Engineering, National Chiao Tung University

3Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Эл. почта: zakhar.vakulov@gmail.com

Благодаря уникальному сочетанию физических и оптических свойств ниобат лития (LiNbO3) находит широкое применение при разработке и изготовлении акустооптических устройств, оптических фазовых модуляторов, волноводов, элементов энергонезависимой памяти и других акустооптоэлектронных устройств [1]. В настоящее время с развитием микроэлектронного приборостроения возникает необходимость в использовании тонких пленок LiNbO3 с низкими оптическими потерями и их интеграция с существующей полупроводниковой технологией микроэлектроники. Кроме того, пленки LiNbO3 являются многокомпонентными оксидами и их свойства (кристаллографическая ориентация, шероховатость поверхности, удельное сопротивление, концентрация и подвижность носителей заряда, оптические и пьезоэлектрические свойства) зависят от стехиометрического состава и структуры, что в свою очередь зависит от метода и режимов нанесения. Данный факт делает актуальным необходимость исследования процессов формирования наноструктурированных пленок LiNbO3 с целью получения пленок с контролируемыми свойствами. Пленки LiNbO3 получают методами высокочастотного магнетронного распыления, ионного распыления, молекулярно-лучевой эпитаксией и импульсным лазерным осаждением. Импульсное лазерное осаждение (ИЛО) позволяет управлять большим количеством технологических параметров, что обеспечивает возможность получения пленок LiNbO3 с контролируемыми свойствами. [2, 3].

Целью работы является исследование влияния расстояния мишень-подложка при ИЛО на свойства нанокристаллических пленок LiNbO3.

Формирование пленок LiNbO3 проводилось в модуле ИЛО (установка Pioneer 180, Neocera Co., США) кластерного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО “НТ - МДТ”, Россия) на подложках Al2O3 размером 1×1 см. Все подложки подвергались предварительной очистке в неорганических растворителях с целью удаления поверхностных загрязнений. Абляция мишени LiNbO3 чистотой 99,99% (Kurt J. Lesker Co., США) проводилась с помощью эксимерного KrF лазера (λ=248 нм, плотность энергии на поверхности мишени 2,5 Дж/см2). Изучение морфологии полученных пленок производилось с помощью зондовой нанолаборатории Ntegra (ЗАО “НТ - МДТ”, Россия). Определение электрофизических параметров пленок LiNbO3 проводилось методом ЭДС Холла на установке Ecopia HMS-3000 (Ecopia Co., Корея). В ходе экспериментальных исследований расстояние мишень-подложка изменялось от 20 мм до 120 мм.

Установлено, что при увеличении расстояния мишень-подложка от 20 мм до 120 мм концентрация и подвижность носителей заряда изменялась от (1,643±0,1)∙1012 см-3 до (1.093±0,08)∙1013 см-3 и от (165±13) см2/В∙с до (85,5±6) см2/В∙с, соответственно. Удельное сопротивление от (6,146±0,5)∙104 Ом∙см до (1,242±0,1)∙104 Ом∙см. Шероховатость поверхности пленок LiNbO3 при увеличении расстояния от 20 мм до 120 мм увеличивалась с 12,1 нм до 20,7 нм. Диаметр зерна изменялся от 182 нм до 579 нм. Подобную зависимость морфологических параметров пленок LiNbO3 можно объяснить тем, что пленки, полученные при расстоянии мишень-подложка равном 20 мм, находятся ближе к факелу испаряемого материала, так как температура при испарении материала мишени лазером достаточно высокая (~ 2000 °С) они получают дополнительный нагрев от факела.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке и изготовлении интегральных устройств на поверхностных акустических волнах, а также акустооптических ячеек.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-57-00028 Бел_а, с использованием оборудования Научно-Образовательного Центра и Центра Коллективного Пользования “Нанотехнологии” Южного Федерального Университета.

Список литературы

  1. Eason R., Pulsed Laser Deposition of Thin Films: Applications-Led Growth of Functional Materials, New Jersey: John Wiley & Sons, 754 p., 2007;
  2. Ageev O.A., Dostanko A.P., Dzhuplin V.N., Zamburg E.G., Vakulov D.E., Vakulov Z.E., Alekseev A.M., Golosov D.A., Zavadski S.M., Study of the effect of ion-stimulated deposition assisted by a pulsed laser on the properties of zinc oxide nanocrystalline films, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, №5, P. 371 - 376, 2014;
  3. Ageev O.A., Balakirev S.V., Bykov Al.V., et.al., Development of new metamaterials for advanced element base of micro- and nanoelectronics, and microsystem devices. Chapter In: Advanced Materials – Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications. Parinov, Ivan A., Chang, Shun-Hsyung, Topolov, Vitaly Yu. (Eds.), Springer International Publishing Switzerland, pp. 563 - 580, 2016;


Технологический аспект формирования многоосевых микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров методами поверхностной микрообработки

Гусев Евгений Юрьевич1,, Житяева Ю. Ю.1,, Климин В. С.1,, Быков А. В.1

1ЮФУ

Эл. почта: eyugusev@sfedu.ru

Разработка и изготовление микро- и наномеханических устройств является одним из основных направлений индустрии микро- и наносистем. Актуальность его развития обусловлена необходимостью решения проблемы импортозамещения таких устройств, в частности акселерометров и гироскопов.

Унифицированный маршрут изготовления многоосевых микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров по технологии поверхностной микрообработки предложен в работе [1]. Маршрут включает следующие операции: очистка, осаждение изолирующего слоя нитрида кремния и поликристаллического кремния с последующим легированием, 1-я фотолитография по слою поликремния для формирования нижних контактов, осаждение жертвенного слоя оксида кремния,  2-я фотолитография для формирования якорных областей, осаждение структурного слоя поликристаллического кремния с последующим легированием и 3-я фотолитография, 4-я фотолитография по жертвенному слою, обратная литографии с нанесением контактной металлизации, травление жертвенного слоя.

В настоящей работе представлены результаты оптимизации технологических режимов по каждой операции, а также результаты одновременного интегрального изготовления многоосевых микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров на стандартной пластине Si (100). Осаждение и травление проводили плазменными методами; травление жертвенного слоя жидкостным способом. Аналитические данные получали методами интерферометрии и профилометрии, атомно-силовой и растровой электронной микроскопии, фокусированных ионных пучков, а также кондуктометрии. Особое внимание уделяется операции фотолитографии с использованием пяти маскирующих покрытий: алюминий, хром, фоторезисты ФП-051КИ, MICROPOSIT SP25-10 и Ultra i-0.8 и их влияние на последующие этапы технологического маршрута.

Заключительная высокоаспектная операция в изготовлении наномеханического акселерометра - формирование туннельного зазора, произведенного методом фокусированных ионных пучков, обсуждалась в [2].

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках соглашения №14.575.21.0045 (уникальный идентификатор RFMEFI57514X0045). Результаты получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования и Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета.

Список литературы

  1. Ageev O.A., Balakirev S.V., Bykov Al.V. [et al.], Development of new metamaterials for advanced element base of micro- and nanoelectronics, and microsystem devices, Advanced Materials – Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications, Springer International Publishing Switzerland, 563-580, 2016;
  2. Ageev O.A., Gusev E.Yu., Kolomiytsev A.S. [et al.], Fabrication of tunnelling gap of nanomechanical accelerometer by surface nanomachining using focused ion beam, Book of Abstracts : 3rd International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures “Saint Petersburg OPEN 2016” (Russia, St Petersburg, March 28-30, 2016), St Petersburg Academic University, 521-523, 2016;



Исследование доменов, образующихся в высокомодульных кристаллах внутри горных пород при применении взрывной отбойки

Шарков Михаил Дмитриевич1, Бойко М. Е.1, Боровиков В. А.2, Бойко А. М.1, Григорьев М. Н.3, Конников С. Г.1

1ФТИ

2СПбПУ

3БГТУ «Военмех»

Эл. почта: mischar@mail.ioffe.ru

Проведено исследование высокомодульных кристаллов в горных породах, подвергнутых процедуре взрывной отбойки. Процедура взрывной отбойки была применена к модели горной породы, в которой добываемые полезные ископаемые (высокомодульные кристаллы драгоценных камней) моделировались пластинами синтетического кварца размера 15×15×0.35 мм с ориентацией (0001), выращенными методом Чохральского. В качестве модели вмещающей породы использовался бетон марки M-100. В бетонный блок были помещены три набора пластин, расположенных на расстояниях около 150, 300 и 500 мм от центра взрыва соответственно и маркированных краской, выбранной в соответствии с расстоянием от конкретной заливаемой группы пластин до центра взрыва.

Отобранные после взрыва образцы-фрагменты кварцевых пластин были исследованы методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР). Эксперименты проводились в просвечивающем режиме на лабораторной установке МАРС-2 (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) при Cu Kα1-излучении (длина волны 1.5405 Å).

В результате анализа данных МУРР было показано, что размеры однородностей (зерен, доменов) в образцах составляют около 200 нм при исходном расстоянии от образца до центра взрыва 150 мм, 210 нм при исходном расстоянии 300 мм до центра взрыва, 220 нм в случае, когда образец изначально находился на расстоянии 500 мм от центра взрыва. Также оказалось, что каждый из образцов может содержать линейчатые компоненты или одномерные дефекты, как, например, дислокации. Отсюда сделано предположение, что во взорванном материале домены могут быть разделены дислокационными стенками. Кроме того, показано, что в образцах присутствует периодичность структуры с характерными латеральными линейными размерами 80–90 нм и до 600 нм. При этом линейные величины увеличиваются с возрастанием исходного расстояния от образца до центра взрыва. Сформулировано предположение, что в образцах могут присутствовать двух- или трехмерные сверхрешетки.



Структурное исследование фуллеренсодержащих полимерных нанокомпозитов

Кононов Алексей Андреевич1, Кастро Рене Алехандро1, Никонорова Наталья Алексеевна2

1РГПУ

2ИВС РАН

Эл. почта: rakot1991@mail.ru

В настоящее время данные о молекулярных, физических свойствах и структурных особенностях полимерных комплексов с фуллеренами пока еще очень малочисленны, хотя у соеди­нений этого класса имеются несомненные преимущества по сравнению с другими фуллереносодержащими соеди­нениями. Соединение координационного типа в значительно большей степени, чем ковалентная связь в составе нового химического соединения, способствует сохранению уникальных физических свойств фуллерена.  Для практического применения полимерный комплекс может служить матрицей, способной сохранять фуллерен при перемещении в средах, где он нераство­рим, а также выделять фуллерен в необходимых малых количествах в условиях специального, разрушающего комплекс воздействия [1]. В связи с этим целью работы явилось выявление структурных особенностей фуллеренсодержащих полимерных нанокомпозитов на основе полифениленоксида (ПФО), а также установление их возможной корреляции с диэлектрическими и электропроводящими свойствами.

Композиты ПФО+С60 получали смешением растворов ПФО в хлороформе (концентрация 2 масс.%) и фуллерена С60 в толуоле (концентрация 0.14 масс.%) в объемах, обеспечивающих требуемое содержание фуллерена в композите. Пленки были получены методом испарения толуола из смеси растворов С60 и ПФО, на поверхности целлофана при температуре 40°С. Толщина образцов составляла 60-125 мкм, диаметр 15 мм.

Исследование структуры поверхности образцов  производилось в низком вакууме (до 350 Па) с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) Carl Zeiss EVO 40. Измерения диэлектрических спектров проводились на установке "Concept 81" компании NOVOCONTROL Technologies GmbH & Со в интервале температур от  273 К до 523 К и частот 5*10-2 Гц до 3*106 Гц. Измерительное напряжение, подаваемое на образец, составляло 1.0 В [2].

По виду спектров композитов, полученных на СЭМ, можно заключить, что образец чистого полимера структурно однороден, а для композита характерно наличие кластеров, которые при достаточно высоких концентрациях наполнителя могут образовывать непрерывные проводящие каналы. При этом можно предположить, что в композите, содержащем 2%, 4% и 8% С60, молекулы фуллерена находятся в основном в не связанном с ПФО состоянии, т.е. эта пленка представ­ляет собой механическую смесь ПФО и фуллерена. На­против, в образце композита, содержащем 1% C60, фуллерен присутствует в химически связанном с ПФО состоянии (т.е. в молекулярно-диспергированном виде) с весьма малой долей не вступивших в реакцию агрегатов C60. Эта система является наиболее однородной, в ней одна макромолекула ПФО эффективно взаимодействует с одной молекулой C60.

Обнаруженные структурные особенности композитов обуславливают нелинейный характер изменения диэлектрических и электропроводящих свойств. Можно констатировать резкое увеличение удельного сопротивления и уменьшение фактора диэлектрических потерь, для композита с 1 % содержанием наполнителя. Это может являться следствием физической сшивки полимерных цепей молекулами фуллерена затрудняющей движение носителей заряда и следственно уменьшающей проводимость. Дальнейшее уменьшение сопротивления, при увеличении доли фуллерена может быть связано с активацией нового типа проводимости, который связан с образованием непрерывных кластеров молекул фуллерена.

Список литературы

  1. Евлампиева Н. П., Лавренко П. Н., Меленевская Е. Ю., Молекулярные свойства комплексов циклосодержащих полимеров с фуллереном С60 в растворах, НИИ физики СПБГУ, Физика твердого тела, Т. 44, вып. 3, С 537, 2002. ;

  2.  Никонорова Н. А., Капралова В.М., Кастро Р.А., Журавлев Д.А., Диэлектрическая релаксация привитых полиимидов с длинными политретбутилметакрилатными боковыми цепями, НТВ СПбГПУ, Физико-математические науки, № 3(177), С. 182-188, 2013.;


Методика визуализации и оценки распределения эмиссионных наноцентров полевых эмиттеров большой площади

Филиппов Сергей Владимирович1, Попов Е. О. 1, Колосько А. Г.1

1ФТИ 

Эл. почта: f_s_v@list.ru

Развитие методик создания направленных структур атомного масштаба (углеродных нанотрубок, графеновых пластин и других наноматериалов), обладающих уникальными физическими свойствами, привело к их производству в промышленных масштабах. Нанокомпозиты на основе таких структур активно исследуются в качестве многоострийных полевых эмиттеров, которые имеют перспективы применения в широком спектре электровакуумных приборов, таких как компактные рентгеновские аппараты, средства отображения информации и масс-спектрометры [1-3].

Для эффективной работы нанокомпозитных полевых эмиттеров требуется однородность эмиссионных свойств их поверхности. Однородность эта может быть повышена путём технологической оптимизации с применением методов оценки вольтамперных характеристик и регистрации картин распределения эмиссионных центров. Получение картин распределения осуществляется, в основном, с применением одной из следующих методик: автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM) [4], автоэмиссионного проектора (FEM) [5] или сканирующей электронной микроскопии (SEM) [6], которая даёт информацию о морфологии поверхности.

В представленной работе описывается методика регистрации и анализа картин распределения эмиссионных центров полевых эмиттеров, сопряженная с методикой регистрации и онлайн обработки ВАХ.

Данная экспериментальная установка была собрана в лаборатории в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Для записи и обработки экспериментальных данных в ней используется специальная программа, написанная в среде LabView 2015.

Функционал программы позволяет рассчитывать и записывать в файл:

  1. профили сканирующих импульсов напряжения U(t) и соответствующих им импульсов эмиссионного тока I(t);
  2. ВАХ в стандартных координатах I(U) и в полулогарифмических координатах Фаулера-Нордгейма;
  3. эффективные микроскопические параметры, такие как коэффициент усиления поля в области наноострий β, эффективную высоту наноострий h и суммарную площадь эмиссии Se;
  4. гистограммы флуктуационных значений эффективных параметров Hyst(h);
  5. картины распределения эмиссионных центров по поверхности эмиттера - ESDP (emission site distribution picture);
  6. яркость выбранных областей (Ji) на ESDP и гистограммы  распределения центров по яркости Hyst(Ji);
  7. значения площади эмиссии SESDP и количества эмиссионных центров NESDP, найденные из полученных ESDP.

На базе разработанной методики проводятся следующие исследования:

  1. определение зависимости яркости свечения эмиссионных центров на картине распределения от уровня напряжения L(U);
  2. анализ корреляции яркости свечения центров L(U) и эмиссионного тока I(U);
  3. изучение корреляции флуктуаций тока эмиссии I и флуктуаций свечения эмиссионных центров на картине распределения J;
  4. 4) расчёт площади эмиссии Se с помощью уравнения Фаулера-Нордгейма и её сравнение с площадью эмиссии Slum, определенной по яркости свечения эмиссионных центров на ESDP;
  5. статистический анализ и сравнение распределений эмитирующих центров по эффективным высотам Hyst(h), полученных из флуктуаций ВАХ, со статистикой распределения центров по яркости на картине распределения Hyst(J);
  6. расчёт и сравнение эффективных эмиссионных параметров (β, h, Se), а также параметров картин распределения многоострийных полевых эмиттеров различных типов (Hyst(J), SESDP, NESDP);
  7. проверка влияния адсорбционно-десорбционных процессов на ВАХ и на распределение эмиссионных центров по поверхности эмиттера ESDP, посредством изменения состава остаточной атмосферы в рабочей камере;
  8. оптимизация способа изготовления нанокомпозитного эмиттера для достижения улучшенных эмиссионных характеристик.

С помощью вышеописанного комплекса были исследованы многоострийные эмиттеры, основанные на нанокомпозитах с полимерной матрицей (полистирол) и различными углеродными нанонаполнителями: одностенные и многостенные углеродные нанотрубки фирм OCSiAl (Новосибирск) и Samsung, а также графен фирмы НаноТехЦентр (Тамбов).

Список литературы

  1. R. J. Parmee, C. M. Collins, W. I. Milne, and M. T. Cole, “X-ray generation using carbon nanotubes,” Nano Converg., vol. 2, no. 1, p. 1, 2015;
  2. Velaásquez-Garcia L. F., Gassend B. L. P., Akinwande A. I., “CNT-based MEMS/NEMS gas ionizers for portable mass spectrometry applications,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 19, no. 3, pp. 484–493, 2010;
  3. Kim Y. C., Park S. H., Lee C. S., Chung T. W., Cho E., Chung D. S., Han I. T., “A 46-inch diagonal carbon nanotube field emission backlight for liquid crystal display,” Carbon N. Y., vol. 91, pp. 304–310, 2015;
  4. Chiu C.-C., Tsai T.-Y., Tai N.-H., “Field emission properties of carbon nanotube arrays through the pattern transfer process,” Nanotechnology, vol. 17, no. 12, pp. 2840–2844, 2006;
  5. Saito Y., Matsukawa T., Asaka K., Nakahara H., “Field emission microscopy of Al-deposited carbon nanotubes: Emission stability improvement and image of an Al atom cluster,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanom. Struct., vol. 28, no. 2, p. C2A5, 2010;
  6. Lin P.-H., Sie C.-L., Chen C.-A., Chang H.-C., Shih Y.-T., Chang H.-Y., Su W.-J., Lee K.-Y., “Field Emission Characteristics of the Structure of Vertically Aligned Carbon Nanotube Bundles,” Nanoscale Res. Lett., vol. 10, no. 1, p. 297, 2015;


Моделирование энергетических профилей квантовых ям AlGaN/GaN с учетом пьезоэлектрической и спонтанной поляризации

Москалёв Артем Вадимович1, Андреева А. В.1

1ИТМО

Эл. почта: 79214084992@yandex.ru

В настоящее время полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ, HEMT – High Electron Mobility Transistor) на основе гетероструктур AlGaN/GaN являются одними из самых интересных с практической исследовательской точки зрения полупроводниковых приборов СВЧ диапазона. Имея целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными полевыми транзисторами на основе GaAs, HEMT-транзисторы на основе  гетероструктур AlGaN/GaN за последние 5 лет вышли на уровень массового производства. В настоящее время целый ряд крупных фирм – производителей электронной техники (Triquint, RFMD, Cree, Selex, UMS и др.) наладили промышленное производство приборов и монолитных интегральных схем (МИС) см-диапазона на базе GaN HEMT– технологий.

Главной особенностью нитридных гетероструктур является образование на гетерогранице AlGaN/GaN двумерного электронного газа со слоевой концентрацией электронов порядка 1013 см–2 за счет сильной (по сравнению с проводниками, имеющими кубическую структуру)  пьезоэлектрической и спонтанной поляризации. Из-за хорошего соответствия кристаллических решёток GaN и AlGaN в гетеропереходе не возникает сильных механических напряжений, что обеспечивает низкую плотность поверхностных состояний и дефектов. По этим причинам для электронов, локализованных в области накопления затвора, в слабых электрических полях достигается очень высокая подвижность (от 1000 до 2000 см2/(В·с) при 300 К).

Все эти факты говорят о том, что исследование соединений АIIIN востребовано и перспективно. Материалы на основе нитридов металлов III группы обладают уникальной совокупностью свойств: имеют прямую зонную структуру на всем диапазоне составов, а изменение ширины запрещенной зоны с запасом перекрывает видимый диапазон излучения, что позволяет использовать такие структуры не только в транзисторах с высокой подвижностью электронов, но и в оптоэлектронных приборах.

В данной работе рассматриваются основной метод расчета пьезоэлектрического и спонтанного поля в гетероструктурах AlGaN/GaN. Данные методы реализованы в программе, предназначенной для расчёта пьезоэлектрических и спонтанных полей в гетероструктурах InGaN/GaN.  Создана программа для расчета встроенных полей гетероструктуры AlGaN/GaN. Программа рассчитывает напряженность электрического поля в барьере и яме гетероструктуры с заданными параметрами. Результаты вычислений используются для моделирования энергетических профилей квантовых ям заданных гетероструктур AlGaN/GaN с целью анализа факторов, влияющих на концентрацию свободных носителей заряда в двумерном проводящем канале. Материалы работы будут полезны для студентов старших курсов бакалавриата и магистров, изучающих нитридные гетероструктуры. 

Список литературы

  1. Яковлев И.Н. Исследования светоизлучающих гетероструктур с квантовыми ямами, ориентированными в полярных и неполярных направлениях: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: 01.04.10: Яковлев Илья Николаевич; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – СПб, 132 с.;
  2. Romanov A.E. Strain-induced polarization in wurtzite III-nitride semipolar layers / Romanov A.E., Baker T.J., Nakamura S., Speck J.S. // J. Appl. Phys. – 2006. –Vol. 100(2). – P. 023522-023522-10.;
  3. I. Vurgaftman. Band parameters for nitrogen-containing semiconductors / I. Vurgaftman, J. R. Meyer. // J. Appl. Phys. – 2003. –Vol. 94. – P. 3675-3692.;


Исследование свойств коллоидных квантовых точек селенида цинка, легированных марганцем

Трубецкой Андрей Сергеевич1, Андреева А. В.1

1ИТМО

Эл. почта: king_1994@mail.ru

Нанокристаллы демонстрируют крайне интересные, зависящие от размера, электрические, оптические, магнитные и химические свойства, которые не могут быть достигнуты их объемными аналогами. Квантовая точка, это полупроводниковый нанокристалл, демонстрирующий свойство зависимости фотолюминесценции от размера из-за эффектов размерного квантования. При увеличении размера нанокристалла в режиме сильного пространственного ограничения происходит красный сдвиг полос поглощения и фотолюминесценции. Легирование полупроводниковых квантовых точек, позволяют не только сохранить почти все преимущества квантовых точек, но и, во-первых, избавится от эффекта перепоглощения, а во-вторых, исключить использование вредных элементов, например Cd,Hg,Pb. Системы на основе халькогенидов цинка, с цинковыми соединениями в качестве дешевых и нетоксичных прекурсоров, являются хорошей альтернативой. Легированные и нелегированные нанокристаллы халькогенидов цинка, охватывают широкий диапазон видимого спектра,  от 400 до 600 нм. Синтез производился методом «горячей» инжекции. Полученные в ходе данной работы нанокристаллы были изучены методами спектроскопии поглощения и фотолюминесценции, край собственного поглощения полученных квантовых точек – 430 нм, спектр фотолюминесценции, характеризуется наличием максимума на длине волны 585 нм, а так же полной шириной на полувысоте равной 55 нм.  При этом излучение возникает за счет излучательной рекомбинации возбужденных носителей заряда через примесные центры марганца в кристаллической решетке селенида цинка.  Исследованные в работе коллоидные квантовые точки находят широкое применение в технологической сфере, в качестве флуоресцентных маркеров.

Список литературы

  1. Васильев Р. Б., Дирин Д. Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение //M. МГУ ФНМ.–2007. – 2007;

  2. Reiss P., Protiere M., Li L. Core/shell semiconductor nanocrystals //small. – 2009. – Т. 5. – №. 2. – С. 154-168;

  3. Li J. J. et al. Large-scale synthesis of nearly monodisperse CdSe/CdS core/shell nanocrystals using air-stable reagents via successive ion layer ad-sorption and reaction //Journal of the American Chemical Society. – 2003. – Т. 125. – №. 41. – С. 12567-12575;



Усиление фотолюминесценции от перовскитов за счет нанесения кремниевых наночастиц

Тигунцева Екатерина Юрьевна1, Макаров С. В.1, Белов П. А.1, Захидов А. А.​2  

1ИТМО

2Техасский Университет Далласа

Эл. почта: tiga.kate@gmail.com

Интерес к перовскитам вырос, когда их эффективность преобразования фотоэлектрической энергии поднялась с 6,5% до 9,7% в 2012-2014г.г. Эти впечатляющие показатели эффективности позволили перовскитам составить конкуренцию ведущими солнечным материалам третьего поколения. Успехи в формировании перовскитной пленки и оптимизированных электродных материалов повысили эффективность преобразования до 22,1% в настоящее время. В последнее время были исследованы новые применения этого материала, в том числе в светоизлучающих диодах (LED) и в полупроводниковых оптических усилителях и лазерах [1]. Направление нашей работы было связано с увеличением эффективности светодиодов на основе перовскитов.

 Для изучения возможности повышения эффективности устройств на основе перовскита (MAPbI3​), были проведены эксперименты по нанесению резонансных наночастиц кремния (Si) на поверхность материла методом лазерной печати [2] и изучена фотолюминесценции полученной структуры. Исследования фотолюминесценции показали усиление на участке с наночастицами в 1,5 раза более, чем на участке образца без наночастиц. 

Проведенные исследования показали, что наночастицы кремния, нанесённые на поверхность перовскита предложенным методом, повысили эффективность фотолюминесценции материала. Таким образом, нанесение наночастиц на перовскит является перспективным направлением развития оптоэлектроники.

Список литературы

  1. B.R. Sutherland and E.H. Sargent // Perovskite photonic sources // Nature photonics 10, 295, 2016;
  2. P. A. Dmitriev,a S. V. Makarov, V. A. Milichko, I. S. Mukhin, A. S. Gudovskikh, A. A. Sitnikova, A. K. Samusev, A. E. Krasnok and P. A. Belov // Laser fabrication of crystalline silicon nanoresonators from an amorphous film for low-loss all-dielectric nanophotonics // Nanoscale, 8, 5043, 2016.


Влияние имплантации вольфрама на параметры переключения в пленках V2O5

Бурдюх Сергей Васильевич1, Березина О. Я.1, Шарлаев А. С.1

1ПетрГУ

Эл. почта: burduch@gmail.com

В диоксиде ванадия при температуре Tt = 341K наблюдается фазовый переход металл−изолятор (ПМИ), что делает данный материал перспективным в плане поиска новых решений в области разработки функциональных устройств оксидной электроники [1]. Изменение таких параметров ПМИ, как температура перехода, величина скачка сопротивления и коэффициента отражения, форма петли гистерезиса и др., является перспективным для практических применений.

В структурах на основе пленки V2O5 наблюдается эффект обратимого переключения из высокоомного состояния в низкоомное, обусловленный образованием в процессе формовки канала, состоящего из VO2, и, соответственно, переходом металл-изолятор в нем.

Целью работы было изучение влияния имплантации вольфрама в тонкие пленки пентаоксида ванадия методом плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) на параметры переключательных структур на основе данных пленок.

Основная идея ПИИИ заключается в том, что обрабатываемый образец находится в рабочей камере в контакте с плазмой. Непосредственно имплантация ионов из плазмы осуществляется при подаче на образец отрицательного высоковольтного импульса. Для генерации плазмы в рабочей камере использовался плазменный источник с накаливаемым катодом (ПИНК). При имплантации вольфрама разряд зажигался в аргоне, а в разрядную камеру помещался тигель с гексакарбонилом вольфрама W(CO)6, который нагревался специальным нихромовым нагревателем до 200°С. Температура плавления гексакарбонила вольфрама 169°С, температура кипения 175 °С. В вакууме W(CO)6 сублимирует. Таким образом, в разрядной камере оказывались пары W(CO)6. В разряде молекулы W(CO)6 ионизировались и имплантировались в образец.

Эффект переключения изучался в сэндвич-структурах типа Au-V2O5·nH2O-Au на основе пленок ксерогеля V2O5·nH2O, полученных золь-гель методом.

Формовка пленки производилась с помощью источника измерителя Keithley 2400 в режиме ограничения тока. Напряжение формовки составляло 30 В. После электроформовки вольт-амперная характеристика (ВАХ) структуры становится S-образной. Таким образом формируется стабильная переключательная структура, обладающая  ВАХ с достаточно большим (два порядка) скачком сопротивления.

Имплантация вольфрама существенно влияла на ВАХи переключательных структур. Для пленки V2O5·1.8H2O после имплантации W(CO)6 в течение 1 минуты (содержание W в пленке – 0,43 at.%), наблюдается больший по сравнению с исходной пленкой скачок проводимости при переключении из высокоомного в низкоомное состояние. К тому же разброс параметров переключения был существенно меньше, чем при исследовании исходных пленок без имплантации. Это может говорить о том, что примесь вольфрама приводит к снижению разброса за счет снижения температуры фазового перехода металл-полупроводник [2].

Для пленки V2O5·1.8H2O после имплантации W(CO)6  в течение 5 минут (содержание W в пленке – 7,07 at.%) наблюдалось появление переключения без формовки сэндвич структуры. На этой же пленке после формовки скачок проводимости пропадал совсем, пленка в канале после формовки переходила в металлическое состояние.

Таким образом, имплантация небольших доз вольфрама в пленку пентаоксида ванадия существенно улучшает параметры переключения. При имплантации больших доз эффект переключения наблюдается без формовки, а в случае проведения  формовки пропадает.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания Петрозаводскому государственному университету  № 138-14 в сфере научной деятельности. 

Список литературы

  1. Pergament A.L., Stefanovich G. B., Velichko A.A., Oxide Electronics and Vanadium Dioxide Perspective, Journal on Selected Topics in Nano Electronics and Computing,. V. 1, N. 1, P. 24, 2013;

  2. Березина О.Я., Величко А.А., Луговская Л.А., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Артюхин Д.В., Стрелков А.Н., Влияние примеси вольфрама на свойства пленок оксидов ванадия, Письма в ЖТФ, том 33, вып. 13, с 24-31, 2007;



Разработка технологии получения пористых структур фосфида галлия для формирования электроадгезионных контактов

Кошевой Вениамин Леонович 1,  Белорус А. О. 2

1СПГУ​

2СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: venia.koshevoi.eltech@gmail.com

Последние несколько лет внимание исследователей привлекают наряду с пористым кремнием и другие пористые полупроводники, в особенности соединения А3В5 (GaP, GaAs, GaN, InP и т.д.). Пористые подложки на основе полупроводниковых соединений А3В5, являются перспективным материалом для получения гомо- и гетероэпитаксиальных слоев повышенного структурного совершенства. Так же большие перспективы пористых полупроводников A3B5 имеют для создания датчиков влажности, газовых, химических [1-3].

Рабочая часть сенсора представляет собой пластину из пористого полупроводника A3B5 группы. Пористые слои были получены методом электрохимического травления на основе водных растворов плавиковой кислоты с использованием методики сухого контакта к нерабочей стороне пластины.

После получения пористого полупроводника A3B5 группы планируется осаждения на нерабочую часть диэлектрической плёнки для реализации электроадгезионного соединения и последующего создания контактов на сенсоре.

Для осаждения диэлектрических плёнок на тыльную сторону полупроводниковой пластины планируется использовать метод химического осаждения из газовой фазы с использованием плазменной активации.

Контакт между полупроводником и диэлектриком будет осуществляться за счёт электроадгезии. Между двумя твёрдыми телами, имеющими различные электрические потенциалы, возникают электростатические (пондеромоторные) силы. На проявление этих сил основан эффект Джонсона – Рабека, заключающийся в том, что между двумя твёрдыми телами с различными электрическими потенциалами, при приложении постоянного электрического напряжения, возникает аномально большая адгезионная сила [4].

В ходе работы была отработана технология получения пористого фосфида галлия (por - GaP) на основе источников [5-6].

Слои пористого GaP:Te (100) были получены методом электрохимического травления в водно-спиртовом (изопропанол) растворе плавиковой кислоты. В ходе эксперимента были получены 3 образца при различных условиях травления. Образец 1 был получении при плотности тока 5 мА/см2 , t = 30 мин. Образец 2 был получении при плотности тока 25 мА/см2  , t = 10 мин. Образец 3 был получении при плотности тока 50 мА/см2 , t = 10 мин.

Данные РЭМ показали, что полученные в работе пористые полупроводниковые структуры GaP:Te относится к макропористым (0,1 – 0,2 мкм).Так же по другим полученным снимкам РЭМ можно утверждать, что толщина пористого слоя составляет 28 мкм.

Работа выполнялась в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ № 16.2112.2014/К по теме «Получение и исследование пористых систем, функционализированных наноматериалами, применений в фотонике, сенсорике и медицине».

Список литературы

  1. Александрова О.А., Алешин А.Н., Белорус А.О., Бобков А.А., Гузь А.В., Кальнин А.А., Кононова И.Е., Левицкий В.С., Мазинг Д.С., Мараева Е.В., Матюшкин Л.Б., Москвин П.П., Мошников В.А., Муратова Е.Н., Налимова С.С., Пономарева А.А., Пронин И.А., Спивак Ю.М. “Новые материалы. Синтез. Диагностика. Моделирование” лабораторный практикум / Санкт-Петербург, 2015;

  2. Белорус А.О., Кошевой В.Л., Спивак Ю.М., Левицкий В.С., Мошников В.А “Исследование фотолюминесценции пористого кремния, полученного методом фотоэлектрического травления” Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 23 (187). С. 126-132;

  3. Мошников В.А., Спивак Ю.М., Глава 5. «Электрохимические методы получения пористых материалов для топливных элементов» Основы водородной энергетики / Под ред. В.А. Мошникова и Е.И. Терукова. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 288 с.;

  4. Грачева И. Е., Карпова С.С, Мошников В.А., Пщелко Н.С. “Сетчатые иерархические пористые структуры с электроадгезионными контактами “ Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2010. - № 8. - С. 27-32;

  5. Белогорохов А.И., Караванский В.А., Образцов А.Н., Тимошенко В.Ю. “Интенсивная фотолюминесценция в пористом фосфиде галлия” Письма в ЖЭТФ, Т.60, № 4, С. 262 – 266;
  6. Tjerkstra R. W. “Electrochemical Formation of Porous GaP in Aqueous HNO3” Electrochemical and Solid-State Letters 2006, 9 (5), P. 81- 84;


Исследование элементного состава мембран por-Al2O3 с помощью методики РОР

Муратова Екатерина Николаевна1, Шемухин А. А.2

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2МГУ

Эл. почта: Sokolovaeknik@yandex.ru

Мембраны на основе por-Al2O3 находят все большее применение в области прикладных задач физики заряженных частиц [1,2]. Данные мембраны представляют исключительный интерес в исследованиях по использованию в качестве диэлектрической фокусирующей матрицы [3], обеспечивающей транспортировку пучков ускоренных заряженных частиц через диэлектрические капилляры, что позволит проводить как высоколокальный анализ структуры и состава образцов [4] вне условий высокого вакуума, так и топологически упорядоченное нанолокализованное воздействие.

Таким образом, целью данной работы являлось исследование возможности  использования метода резерфордовского обратного рассеяния (РОР) для анализа качества структуры нанопористых мембран оксида алюминия.

Методом электрохимического анодирования была получена серия мембран por-Al2O3 толщиной 15 мкм и диаметром пор 20…200 нм, в зависимости от выбранного электролита. Эксперименты по облучению проводились на ускорительном комплексе AN-2500 в НИИЯФ МГУ. Спектр РОР для мембраны имеет три ярко выраженных скачка, которые соответствуют кислороду, алюминию и фосфору. Уровень сигнала после каждого скачка практически постоянен, что говорит о равномерном распределении каждого элемента по глубине образца. В то время как фольги проявляется четко один скачек сигнала, соответствующий чистому алюминию. Однако, скачек сигнала, соответствующего алюминию, имеет «завал». Это говорит о том, для алюминия наблюдается некий градиент концентрации, по которому можно судить о полном или неполном истощении алюминия в подложке после анодирования.

По результатам исследований резерфордовского обратного рассеяния показано, что можно качественно оценить структуру мембраны (элементный состав и его распределению по глубине), не разрушая ее при этом.

 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-80152 мол_а_дк.

Список литературы

  1. Лучинин В. В., Муратова Е. Н., Шемухин А. А.Матрицы из пористого оксида алюминия как капиллярные матрицы-шаблоны для локализации воздействия ионов высоких энергий / Нано и микросистемная техника, №12. С. 39-41,2013;
  2. Шемухин А.А., Муратова Е.Н. Исследование прохождения пучков 1.7 MeV He+ через мембраны пористого оксида алюминия / ПЖТФ, том 40, выпуск 5, с. 67-74, 2014.;
  3. Шемухин А.А., Муратова Е.Н., Мошников В.А., Лучинин В.В., Черныш В.С. Исследование мембран пористого оксида алюминия с помощью методики резерфордовского обратного рассеяния / Вакуумная техника и технология. Т. 24. № 1. С. 43-47, 2014.;
  4. Рассеяния ионов средних энергий: изучение аморфизации германия под действием ионного облучения / А.А. Шемухин, Ю.В. Балакшин, П.Н. Черных и др. // Поверхность Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. №4. С. 25-28, 2013.;



Формирование полупроводниковых структур оксида титана методом локального анодного окисления

Пермяков Никита Вадимович1, Максимов А. И.1, Мошников В. А.1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: agorange@mail.ru

Существует возможность изменения электропроводности материала в широких пределах путем управляемого перераспределения кислородных вакансий в структуре оксидного материала [1-3]. Перспективным направлением применения нестехиометрических оксидов является создание функциональных наноматериалов и структур для сенсорики газовых сред [4-9]. Так диоксид титана, как фаза переменного состава, может быть эффективно применен для формирования газочувствительных и фотокаталитических систем.

Для формирования структур методом локального анодного окисления использовались тонкие пленки титана толщиной порядка 10 нм, нанесенные методом магнетронного распыления металла на окисленные пластины кремния.

Локальное зондовое окисление полученных пленок титана осуществлялось на воздухе с помощью сканирующего зондового микроскопа на базе платформы зондовой нанолаборатории NTEGRA (NT-MDT, Зеленоград) в контактном режиме. Исследование особенностей процесса проводилось при приложении различного напряжения между зондом и образцом и при различной влажности окружающей среды. В качестве исследуемых структур были сформированы параллельные оксидные полоски. После проведения процесса локального окисления выбранный участок поверхности пленки титана сканировался повторно в контактном режиме для диагностики рельефа поверхности и измерения геометрических параметров образовавшихся оксидных полос.

По итогам электрофизических испытаний можно заключить, что полученная структура Ti/TiOx/Ti обладает двумя механизмами проводимости (электронная проводимость и собственная дефектная проводимость).

Таким образом, методом ЛАО удается сформировать тонкие наноразмерные структуры на основе оксида титана. Гистерезисная ВАХ таких структур связана с наличием в нестехиометрическом оксиде титана двух механизмов электропроводности, что позволяет использовать это материал и наноразмерные структуры на его основе в качестве резистивных элементов с эффектом памяти.

Список литературы

  1. Park, S., Magyari-Kope, Nishi,Y. Impact of Oxygen Vacancy Ordering on the Formation of a Conductive Filament in TiO2 for Resistive Switching Memory // IEEE Electron Device Letters. 2011. №32. С. 197-199;

  2. Kralchevska R., Milanova M., Tsvetkov M., Dimitrov D., Todorovsky D. Influence of gamma-irradiation on the photocatalytic activity of Degussa P25 TiO2 // Journal of Materials Science. 2012. V47. I.12 С. 4936-4945;

  3. Старцева А.В., Максимов А.И. Изучение процесса локального зондового окисления тонких пленок титана // Молодой ученый. 2012. № 9. С. 12-17;

  4. Крастева Л.К., Димитров Д.Ц., Папазова К.И., Николаев Н.К., Пешкова Т.В., Мошников В.А., Грачева И.Е., Карпова С.С., Канева Н.В. Синтез и характеризация наноструктурированных слоев оксида цинка для сенсорики // Физика и техника полупроводников. 2013. том 47. вып.4 С. 564-569;

  5. Gracheva I.E., Moshnikov V.A., Maraeva E.V., Karpova S.S., Alexsandrova O.A., Alekseyev N.I., Kuznetsov V.V., Olchowik G., Semenov K.N., Startseva A.V., Sitnikov A.V., Olchowik J.M. Nanostructured materials obtained under conditions of hierarchical self-assembly and modified by derivative forms of fullerenes // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. №358. С. 433-439;

  6. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях / Мясников И.А., Сухарев В.Я., Куприянов Л. Ю., Завьялов С. А., М. Наука, 1991. 327с;

  7. Мошников В.А., Спивак Ю.М., Алексеев П.А., Пермяков Н.В. Атомно-силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2014. 144 с.;

  8. Лашкова Н.А., Пермяков Н.В., Максимов А.И., Спивак Ю.М., Мошников В.А. Анализ локальных областей полупроводниковых нанообъектов методом туннельной атомно-силовой микроскопии // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2015. № 1 (213). С. 31-42;

  9. Канагеева Ю.М., Мошников В.А. Исследование свойств матриц на основе In/PbTе методами атомно-силовой микроскопии с помощью специальной системы наноконтактов // Вакуумная техника и технология. 2008. Т. 18. № 2. С. 87-94;



Исследование наногетероструктур на основе AIIBVI локальными методами

Караваев Максимилиан Борисович1,, Седова И. В.1, Кириленко Д. А.1, Иванова Е. В.1, Заморянская М. В.1

1ФТИ

Эл. почта: ivga05@gmail.com

Актуальность создания миниатюрных лазеров, излучающих в зеленой (λ=520 - 550 нм) области спектра, возрастает в связи с увеличивающейся потребностью в них для массового применения в проекционном лазерном и 3D телевидении, всепогодных системах обеспечения навигационной безопасности транспортных средств, локальных волоконно-оптических линиях связи, медицинской флуоресцентной диагностике клеток и т.д. В связи с этим лазерные гетероструктуры на основе широкозонных полупроводников А2В6, обладающие высокой квантовой эффективностью люминесценции в “истинном” зеленом спектральном диапазоне 520-550 нм, по-прежнему представляют особой интерес для создания приборов, излучающих в желто-зеленой области спектра. В качестве активной области для лазеров в зеленом диапазоне может быть использован наноразмерный слой ZnCdSe.  Определение ширины и состава наноразмерного слоя являются важной задачей для развития технологии. В связи с этим разработка новых методов определения параметров неразрушающим способом остается по-прежнему актуальной.

В данной работе предложена методика,позволяющая определить состав, ширину и глубину залегания квантовой ямы, основанная на методе локальной катодолюминесценции (КЛ) и методе рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). На основе данных РСМА проводилось программное моделирование при предположении, что толщина квантовой ямы равна 7 нм (по ростовым данным). Моделирование позволяет определить глубину залегания и состав квантовой ямы. Затем был проведен математический расчет оптического перехода для квантовой ямы, учитывающий напряжение в квантовой яме, её состав и высоту потенциальных барьеров для носителей по методу, описанному в работе [1]. Была рассчитана энергия оптического перехода для различной толщины квантовой ямы. Результат расчета сравнивался с измеренным положением пика люминесценции ямы. Было показано, что толщина ямы равна 6 нм. Полученный результат был подтвержден методом просвечивающей электронной микроскопии

Список литературы

  1. Максимов М.В., Крестников И.Л., Иванов С.В., Леденцов Н.Н., Сорокин С.В., Расчет уровней размерного квантования в напряженных ZnCdSe/ZnSe квантовых ямах, ФТП, 31(8), 939-943, 1997;


Control of Magnetic Fano resonance of Hybrid Oligomers via Femtosecond Laser Modification at Nanoscale

Lepeshov S.I.1, Zuev D.A.1, Krasnok A.E.1, Miroshnichenko A.E.2, Belov P.A.1

1ITMO University

2Australian National University

Эл. почта: wogs@list.ru

Metal-dielectric (hybrid) nanostructures and metasurfaces combining advantages of plasmonic and all-dielectic ones open a wide range of perspective applications in medicine, photonics, photovoltaics, etc [1]. Recently, the novel concept of asymmetric hybrid nanoparticles and method of such type nanostructutes fabrication were developed [2]. This hybrid nanodimer includes silicon (Si) nanocone and gold (Au) nanodisc that can be reshaped to nanosphere via fs-laser modification at nanoscale.

Such hybrid nanostructure has electric dipole resonance of Au nanoparticle as well as magnetic dipole and electric dipole Mie resonances of Si nanocone. Therefore, optical properties of the nanostructure depend on interplay of resonances. It has demonstrated that fs-laser reshaping of Au nanodisc to nanosphere shifts electric dipole resonance of Au nanoparticle to the shorter wavelength region and changes scattering spectrum of hybrid nanodimer.

Here we discuss the possibility to tune optical properties of hybrid oligomers consisting of such hybrid nanodimers by numerical modeling.

We have observed that hybrid oligomers exhibit a Fano resonance in the visible range. This Fano resonance is caused by  interference of two wave processes. The first process is collective magnetic resonance that is excited in Si nanocones of hybrid nanodimers ring and characterised with the broad spectral width. The second process (spectrally narrow magnetic dipole resonance of the central nanocone with a smaller diameter of the base) is shifted relative to collective magnetic resonance of the ring.

After fs-laser reshaping of hybrid oligomers electric dipole resonances of Au nanoparticles drive to shorter wavelength. It leads to increasing of scattered power at the wavelength of Fano resonance and overlapping of Fano resonance with electric dipole resonance of Au nanosphere.

Thus, we have found that this effect demonstrates the opportunity of Fano resonance tuning in hybrid oligomers via fs-laser reshaping of Au nanoparticles at nanoscale. The conducted investigation opens a way for experimental realization of Fano resonances engineering in hybrid oligomers for developing of new switchable nanophotonic devices.

Список литературы

  1. Brongersma M., Cui Y. and Fan S., Light management for photovoltaics using high-index nanostructures, Nature Materials, 13, 451-460;
  2. Dmitry A. Zuev, Sergey V. Makarov, Ivan S. Mukhin, Valentin A. Milichko, Sergey V. Starikov, Ivan A. Morozov, Ivan I. Shishkin, Alexander E. Krasnok and Pavel A. Belov, Fabrication of Hybrid Nanostructures via Nanoscale Laser-Induced Reshaping for Advanced Light Manipulation, Advanced Materials, 28, 3087-3093, 2016;


Брэгговский резонанс в системе плазмонных нановключений AsSb в AlGaAs

Ушанов Виталий Игоревич1, Чалдышев В. В.1, Преображенский В. В.2, Путято М. А.2, Семягин Б. Р.2

1ФТИ

2ИФП СО РАН

Эл. почта: Decorus2009@mail.ru

Большой интерес для современной фотоники представляют метало-полупроводниковые метаматериалы, в которых имеет место усиленное взаимодействие света с веществом, заключающееся в резонансном поглощении и рассеянии света плазмонными возбуждениями в системе металлических наночастиц, помещенных в полупроводниковую матрицу. Появление плазмонного резонанса в такой системе определяется условием Re(εm+2εs)=0, где εs и εm – диэлектрические функции полупроводниковой и металлической компонент метаматериала, соответственно.

В работах [1,2] нами исследовалась оптическая экстинкция в неупорядоченной системе металлических нановключений AsSb, встроенных в полупроводниковую матрицу AlGaAs. В таком метаматериале нам впервые удалось наблюдать пик плазмонного резонанса в поглощении с энергией 1.47 эВ, и шириной 0.19 эВ.

Цель данной работы заключалась в создании и исследовании оптических свойств метало-полупроводникового метаматериала, содержащего периодическую структуру слоёв нановключений сплава AsSb в AlGaAs. В случае упорядоченного расположения наночастиц в среде хотя бы в одном направлении, в оптических спектрах следует ожидать брэгговский резонанс, возникающий из-за дифракции электромагнитных волн. Главный пик брэгговской дифракции определяется из условия Вульфа-Брэгга

\lambda _{Br} = 2d\sqrt{n_{eff}^{2} - sin^{2}\Theta },

где d – период структуры, neff  – эффективный показатель преломления метаматериала,  θ – угол падения света.

Исследуемые образцы были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии при низкой температуре (200С) по технологии, аналогичной для образцов из работ [1,2]. Низкая температура роста обеспечивала захват в растущий слой избыточного As в форме антиструктурных дефектов AsGa в концентрации 1% [3]. Образцы представляли твёрдый раствор AlGaAs(Sb), подвергнутый периодическому δ-легированию изовалетной примесью Sb в процессе эпитаксиального роста. Окно прозрачности полупроводниковой матрицы соответствовало диапазону длин волн 700 – 900 нм. Номинальное расстояние между δ-слоями составляло 100 или 110 нм при числе периодов 12 или 24. Система δ-слоев служила прекурсором для формирования периодической системы нановключений AsSb в результате послеростового отжига при температурах от 400 до 700С. Размер нановключений AsSb увеличивался с ростом температуры отжига [3]. Толщину слоя наночастиц можно оценить в два характерных размера нановключений AsSb.

Экспериментальная часть работы заключалась в исследовании спектров оптического отражения полученных метаматериалов при нормальном падении света, а также при падении под углами от 10 до 80 для s- и p-поляризаций. В спектрах оптического отражения нами обнаружена брэгговская дифракция в упорядоченных системах 12 и 24 слоёв AsSb-AlGaAs с главными пиками на длинах волн при нормальном падении 757 и 775 нм в зависимости от величины периода. Величины амплитуд пиков брэгговского резонанса увеличивались с ростом температуры отжига и достигали 17 и 30%, соответственно, при том, что доля объёма, занимаемая нановключениями, была существенно меньше 1%.

В случае падения света под различными углами и с различными поляризациями, резонансная длина волны основного пика дифракции соответствовала ожидаемой согласно закону Вульфа–Брэгга. При уменьшении угла падения света общий уровень отражения для s-поляризации уменьшался, а для p-поляризации увеличивался в соответствии с формулами Френеля.

Численное моделирование спектров оптического отражения для различных углов падения и поляризаций света осуществлялось методом матриц переноса, который был обобщен на периодическую последовательность слоёв плазмонных нановключений AsSb в AlGaAs с учётом пространственной геометрии структур. Резонансные свойства слоёв AsSb-AlGaAs учитывались на основании данных по оптической экстинкции метаматериалов AsSb-AlGaAs из работ [1,2]. Модель также учитывала дисперсию диэлектрической функции спейсеров AlGaAs. Получено хорошее качественное и количественное согласие модельных и экспериментальных данных.

Список литературы

  1. Ушанов В.И.,Чалдышев В.В., Ильинская Н.Д., Лебедева Н.М., Яговкина М.А., Преображенский В.В., Путято М.А., Семягин Б.Р., "Резонанс Фрёлиха в системе AsSb/AlGaAs", ФТТ, 56, 1891, (2014).;
  2. Ушанов В.И.,Чалдышев В.В., Берт Н.А., Неведомский В.Н., Ильинская Н.Д., Лебедева Н.М., Преображенский В.В., Путято М.А., Семягин Б.Р., "Плазмонный резонанс в новых металло-полупроводниковых метаматериалах AsSb−AlGaAs", ФТП, 49, 1635, (2015).;
  3. Н.А. Берт, Вейнгер А.И., Вилисова М.Д., Голощапов С.И., Ивонин И.В., Козырев С.В., Куницын А.Е., Лаврентьева Л.Г., Лубышев Д.И., Преображенский В.В., Семягин Б.Р., Третьяков В.В., Чалдышев В.В., Якубеня М.П., "Арсенид галлия, выращенный методом молекулярно-лучевой эпитаксии при низкой температуре: кристаллическая структура, свойства, сверхпроводимость", ФТТ 35, 2609 (1993).;


A perspective technology of ferrous-metal layers deposition

Барышев Геннадий Константинович1, Кондратьева А. С.2

1МИФИ

2СПБПУ

Эл. почта: gkbaryshev@mephi.ru

Over the past decades it has been firmly proved that most of innovations that are realized in industry and high-technology economics sector are based on application of new materials and engineering technologies. The so called “smart materials” are in most of interest thereafter – being a class of materials which properties change under external factor in a specific way we expect them to change.

Thin layers of ferrous-group metals have a feature of electrochromism – an ability to change color at the process of electron extraction, that can be used, for example, in energy-saving monitors. On the base of these materials chemically compatible capacitor electrodes for oxide isolators and conductive transparent electrodes for optical devices (light- and photo-diodes, computer monitors etc.) can be produced.

The most commonly used method to obtain layers of ferrous-group metals are magnetron sputtering. The main limitation of the process is inability to control the morphology of obtained layers. This way we consider a perspective method for obtaining thin layers of different materials the chemical sedimentation from gas phase that has a number of advantages: high growth velocities, simplicity and low price of equipment, availability to control the product features by the parameters of the process (temperature, partial pressure of reagents, resident time). One of the key advantages of the chemical sedimentation from gas phase technology is easiness of technology scaling to mass-production.

We will now describe the technology more thoroughly. To solve a specific task we need a layer of material with given properties. Research of physical and chemical laws of chemical sedimentation from gas phase would allow us to develop certain engineering and industrial technologies.

First, one needs to study the process of the precursor gas-phase transformations, this would allow to:

1. Formulate a model of chemical reactions and processes of obtaining the layers of ferrous-group metals in the systems;

2. Estimate how sedimentation temperature influences the process;

3. Estimate the oxidant influence in the system.

It is also important to study the influence of main technological parameters on the sedimentation velocity, this would allow one to estimate the time of the process limiting stage. This part includes studying of how the following technological parameters influence the layer sedimentation velocity:

1. Active zone temperature;

2. Active zone pressure;

3. General velocity of gas flow;

4. Supporting plate type (including crystallographic orientation);

5. Partial pressure of reagents.

It is a feature of such systems for chemical sedimentation to pass both in kinetic and diffusion modes, depending on the specific parameter values, with the kinetic mode transforming into the diffusion one when temperature increases.

The complex study of the layers obtained (chemical composition, morphology, crystallographic structure) would allow to get most complete data about their properties. Such data obtained would be the physical basis for the development of industrial technology. 

Список литературы

  1. V.V. Zheltova. Sensor market overview: growth temps, basic drivers, trends, forecasts. Materials of the 1st international scientific-practical conference Sensorica-2013. – Saint-PetersburgNational Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2013. pp. 17-18. ;
  2. Jin-Kyu Kang, Shi-Woo Rhee. Chemical vapor deposition of nickel oxide films from Ni(C5H5)2/O2 // Thin Solid Films. – 2001. – 391. – p. 57-61.;
  3. B. Subramanian, M. Mohammed Ibrahim. Structural, optoelectronic and electrochemical properties of nickel oxide films // J. Mat. Sci: Mater. Electron. – 2009. – 20. – p. 953-957.;
  4. Jianfen Li, Rong Yan, Bo Xiao, David Tee Liang, Dong Ho Lee. Preparation of Nano-NiO Particles and Evaluation of Their Catalytic Activity in Pyrolyzing Biomass Components // J. Am. Chem. Soc. – 2008. – 10.1021/ef700283j. – p. 1-8.;
  5. Pavel Moravec, Jiří Smolík, Helmi Keskinen, Jyrki M. Mäkelä, Snejana Bakardjieva, Valeri V. Levdansky. NiOx Nanoparticle Synthesis by Chemical Vapor Deposition from Nickel Acetylacetonate // Mat. Sci.and App. – 2011. – 2. – p. 258-264.;
  6. G.K. Baryshev, A.S. Kondratyeva, A.P. Biruykov. Development of resistance switching NiO films technology. Современные проблемы физики и технологий. IV Международная молодежная научная школа-конференция, 17-22 марта 2015 г.: Тезисы докладов. М.: НИЯУ МИФИ, 2015.;


Исследование эффекта резистивного переключения нанокристаллических пленок оксида цинка

Томинов Роман Викторович​1, Смирнов В. А.1, Замбург Е. Г.2, Агеев О. А.1

1ЮФУ

2Университет Чао Тун

Эл. почта: roman.tominov@gmail.com

Развитие информационных технологий требует разработки быстродействующих устройств записи и хранения информации – элементов памяти. При этом важно обеспечить энергонезависимость, низкую энергию потребления, малую площадь и высокое значение количества циклов перезаписи элементов памяти. Большие перспективы в этой области имеет энергонезависимая резистивная память (rram), основанная на эффекте резистивного переключения в тонких оксидных пленках. Согласно одной из гипотез, эффект переключения оксидной пленки между состояниями низкого сопротивления (lrs) и высокого сопротивления (hrs) осуществляется за счет перераспределения в объеме пленки кислородных вакансий, которые, при приложении внешнего электрического поля, выстраиваются в наноразмерные каналы проводимости. Нанокристаллические пленки ZnO проявляют эффект резистивного переключения и могут быть использованы для изготовления ячеек rram. Для изготовления элементов памяти на основе таких пленок необходимо провести экспериментальные исследования равномерности эффекта резистивного переключения пленки на поверхности ZnO.

В наших исследованиях нанокристаллические пленки ZnO толщиной 45±7 нм формировались на поверхности структуры Al2O3/TiN методом импульсного лазерного осаждения. Исследование поверхности пленки ZnO проводилось в полуконтактном режиме на сканирующем зондовом микроскопе Solver P47 Pro (нт-мдт, Россия). Затем с использованием системы Keithley 4200-scs (Keithley Instruments, usa) проводились измерения вольтамперных характеристик полученных пленок ZnO. Изначально пленка ZnO проявляла диэлектрические свойства, поэтому процесс получения вольтамперных характеристик (вах) в каждой точке проходил в два этапа: электроформовки и измерения вольтамперных характеристик. Электроформовка проводилась при напряжении 15В в течение 2 циклов. В результате были получены зависимости сопротивлений hrs и lrs от количества циклов переключения на поверхности ZnO при напряжении чтения 2 В. Анализ зависимостей показал, что пленка ZnO обладает равномерным резистивным переключением с отношением hrs/lrs ~ 5000.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления элементов резистивной памяти на основе нанокристаллических пленок ZnO.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения Государственного задания (проект № 1936) и рффи (проект №16-32-00069 мол_а).



Исследование влияния зародышевых слоев на процесс роста нанопроводов оксида цинка

Бобков Антон Алексеевич1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: anton.a.bobkov@yandex.ru

Золь-гель метод – это метод получения материалов, в том числе наноматериалов, включающий получение золя с последующим переводом его в гель, т. е. в коллоидную систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, заключенной в пространственную сетку, образованную соединившимися частицами дисперсной фазы. Данная технология позволяет получать широкий спектр материалов, а также позволяет гибко и довольно просто управлять свойствами формируемых материалов[1-2].

В настоящий момент проявляется отдельный интерес к получению ограненных наноматериалов, а также материалов на основе иерархических сборок предварительно полученных кристаллических нанообъектов[3].

Одним из методов получения ограненных нанопроводов, позволяющих эффективно управлять их размерами, является гидротермальный синтез. Данный синтез относится к низкотемпературным методам и имеет низкую себестоимость, что позволяет использовать данный метод для массового производства наноструктур ZnO. Также данный метод позволяет получать материал с различной морфологией поверхности путем изменения реагента, а также его концентраций. Также данным методом возможно получать наноструктуры посредством ориентированного роста. Данный метод синтеза состоит из двух стадий: нанесения слоя зародышей и выращивания наностержней мягким гидротермальным методом.

Совмещения этих двух технологий: синтеза пористых наноматериалов методом золь-гель технологией и синтез огранённых одномерных нанообъектов позволяет получать принципиально новые системы, сочетающие в себе преимущества этих двух систем

В качестве материала такой системы был выбран оксид цинка. Несмотря на то что, данный материал в течение многих лет активно исследовался и нашел применения в различных научно-технических областях, с развитием нанотехнологий наблюдается резкое повышение интереса к данному материалу, на основе которого могут быть созданы новые и обладающие уникальными свойствами наноматериалы [4-6].

Целью данной работы было изучение влияния различных зародышевых слоев на формирование массивов нанопроводов оксида цинка гидротермальным методом.

В качестве зародышевого слоя использовались пленки нанокомпозита оксида цинка и диоксида кремния полученных золь-гель технологией с различным соотношением компонентов. В качестве прекурсора оксида цинка была выбрана неорганическая соль Zn(NO3)2•6H2O. После созревания раствор наносился на подложку методом центрифугирования (3000 об/мин) в течение 15 с. Далее производился отжиг при температуре 500ºС в течение 30 минут. В качестве подложек использовались пластины монокристаллического кремния, предварительно химически очищенного от загрязнений.

Созданные зародышевые слои были использованы для выращивания наностержней оксида цинка гидротермальным методом. В качестве ростового раствора использовались два различных раствора. В первом растворе в качестве источника цинка использовалась соль Zn(NO3)2•6H2O и гексаметилентетрамин (ГМТА). Во втором растворе использовались ацетат цинка, гексаметилентетрамин (ГМТА) и цетилтриметиламмоний бромид (CTAB). Образцы помещали в раствор и выдерживали в термостате при 85 °C в течение 90 минут. По окончании процедуры, образцы промывали дистиллированной водой и сушили на воздухе.

Морфология синтезированных образцов была исследована методом растровой электронной микроскопии. Исходя из полученных данных. было установлено, что добавление в ростовой раствор поверхностноактивного вещества, в качестве которого выступал CTAB, увеличивает скорость роста нанопроводов в два раза.

Исследование выполнено в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (задание № 16.2112.2014/К)

Список литературы

  1. 1. Основы золь-гель нанокомпозитов / Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. //Санкт-Петербург, 2008. (2-е издание) 255 C.;
  2. 2. Мошников В. А., Грачева И. Е. Сетчатые газочувствительные нанокомпозиты на основе диоксидов олова и кремния //Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. – 2009. – №. S30. – С. 92-98.;
  3. 3. Наноструктурированные материалы на основе оксида цинка для гетерострук-турных солнечных элементов / Бобков А.А., Максимов А.И., Мошников В.А., Сомов П.А., Теруков Е.И. // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49. № 10. С. 1402-1406.;


Молекулярно-пучковая эпитаксия GaAs нитевидных нанокристаллов с использованием коллоидных наночастиц золота

Илькив Игорь Владимирович1, Буравлев А. Д.1

1СПб АУ РАН

Эл. почта: fiskerr@ymail.com

Нитевидные нанокристаллы (ННК)это кристаллические твердые тела, длина которых много больше поперечных размеров, которые, в свою очередь, не превышают несколько десятков нанометров. Полупроводниковые А3B5 ННК обладают уникальными электронными, оптическими свойствами и поэтому весьма перспективы для применения в различных устройствах опто- и наноэлектроники. Очевидно, что для создания большинства приборов требуются массивы нитевидных нанокристаллов с заданными параметрами такими, как диаметр и длина. Несмотря на достигнутые успехи на существующем этапе развития полупроводниковой технологии, управляемый синтез массивов одинаковых ННК до сих пор является актуальной научной задачей

Целью настоящей работы являлось исследование процессов синтеза массивов GaAs нитевидных нанокристаллов, обладающих малым разбросом параметров, с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии и с использованием коллоидных наночастиц золота в качестве катализаторов роста. В экспериментах использовались коммерчески доступные коллоидные растворы наночастиц золота фирмы BBI Solutions. Диаметр используемых частиц варьировался в переделах от 2 до 40 нм. В качестве образцов использовались покрытые естественным слоем окисла подложки Si p-типа с кристаллографической ориентацией <111>. Нанесение коллоидных растворов на предварительно обработанные в плазме аргона подложки осуществлялось с помощью микродозатора. Непосредственный синтез GaAs ННК осуществлялся на установке Compact 21TM фирмы Riber. Для исследования морфологических свойств полученных образцов использовался растровый электронный растровый микроскоп SUPRA 25.

В результате кратковременной обработки кремниевых подложек в плазме аргона происходило существенное улучшение смачивающих свойств, что способствовало равномерному осаждению коллоидных наночастиц на всю поверхность подложек. Дополнительные исследования показали, что такая обработка приводила к сглаживанию рельефа поверхности и накоплению поверхностного положительного заряда.

Исследование морфологии поверхности синтезированных образцов показало, что коллоидные наночастицы золота могут быть использованы в качестве катализаторов роста массивов ННК, обладающих минимальным разбросом параметров. Были определены оптимальные параметры для вертикального роста ННК с помощью наночастиц разного диаметра, а также изучен механизм селективного разрушения SiO2 слоя под золотой каплей. Следует отметить, что диаметры синтезируемых ННК во всех экспериментах были существенно больше исходных диаметров используемых золотых наночастиц. Показано, что на диаметр капли катализатора и, соответственно, на диаметр синтезируемых GaAs ННК существенно влияет температура и время предварительного отжига подложек, активированных коллоидными наночастицами. Установлено, что изменения размеров капель катализатора происходят вследствие адсорбции атомов кремния каплей катализатора во время отжига, а также десорбции атомов кремния во время понижения температуры после проведения отжига. При этом было обнаружено, что с уменьшением диаметра золотых наночастиц увеличивается их каталитическая способность.



Исследование InAs/InGaP наногетероструктур, выращенных методом МОСГФЭ, для фотопреобразователей с промежуточной зоной

Салий Роман Александрович1, Минтаиров С. А.1, Надточий А. М.1, Неведомский В. Н.1, Калюжный Н. А.1

1ФТИ

Эл. почта: rino.art@gmail.com

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФП) на основе А3В5 гетероструктур, выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии, в настоящее время являются одним из наиболее эффективных решений среди возобновляемых источников энергии. Каскадные (состоящие из нескольких последовательно соединённых p-n переходов) гетероструктурные ФП позволяют уменьшить фундаментальные потери на неполное поглощение и термализацию носителей, присущие однопереходным ФП с фиксированной шириной запрещенной зоны. Другое решение по снижению фундаментальных потерь предлагают теоретические модели, описывающие ФП с промежуточной зоной (IB - intermediate-band), в которых увеличение спектральной чувствительности возможно за счет многофотонных процессов поглощения в полупроводнике на основе одного p-n перехода. В качестве экспериментальной модели IB ФП в литературе часто предлагаются GaAs ФП с InAs квантовыми точками (КТ) [1, 2]. Однако зонная структура таких ФП сильно не соответствует теории IB ФП. Согласно теоретическим расчетам, главное требование для IB ФП – это ширина запрещенной зоны (Eg) матрицы, близкая к 1,95 эВ  и глубина электронного уровня КТ > 0.4 эВ [3]. Наиболее близкие практические значения можно получить в системе  InAs КТ в матрице GaInP2 (максимальное значение Eg=1.93 эВ).

В данной работе были выращены методом МОСГФЭ и исследованы структурные свойства наногетероструктр InAs-КТ/InGaP, с целью рассмотрения возможности их использования для IB ФЭП.

Все экспериментальные структуры были получены методом МОСГФЭ на лабораторной установке c реактором горизонтального типа, в ФТИ им. А.Ф.Иоффе. В ходе исследования было выращено несколько серий образцов, содержащих слои InAs/InGaP, которые различались структурными и ростовыми параметрами, включающими: температурные режимы и режимы отжига; количество материала InAs, осаждаемого на поверхность InGaP; скорости роста InAs и InGaP и т.д. Основным методом для характеризации слоев InAs/InGaP являлся метод фотолюменесценции (ФЛ), позволяющий исследовать оптические свойства получаемых объектов и находить оптимальные условия роста для получения наибольшей интенсивности фотолюминесценции. Кроме того, для описания физических параметров получаемых объектов применялся метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

В результате экспериментальных исследований  были созданы наногетероструктуры InAs/InGaP и установлено, что они представляют собой несплошные (разрывные) квантовые ямы. Они образуются вследствие осаждения определенного количества материала InAs (от 0.2 до 10 монослоев) на поверхность InGaP.

Можно выделить следующие основные результаты:

- изучено влияние ключевых ростовых параметров, таких как количество материала InAs, скорость осаждения  и температура роста, на форму спектра фотолюминесценции InAs/InGaP наногетероструктур;

- рассмотрены различные условия формирования изучаемых объектов, включая условия нагрева и отжига поверхности InGaP перед осаждением материала InAs;

- с помощью ПЭМ продемонстрирован характер изменения структурного совершенства InGaP  при изменении условий остывания образца перед осаждением InAs;

- показано, что увеличение количества осаждаемого материала InAs  в диапазоне от 0,2 до 10 монослоев слабо влияет на интенсивность ФЛ наногетероструктур, но заметно влияет на количество прорастающих дефектов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 16-08-01004 А).

Список литературы

  1. [1]. Luque and A. Marti, Phys. Rev. Lett., vol. 78, 26 (1997) p. 5014.;
  2. [2]. Р.А. Салий, С.А. Минтаиров, П.Н. Брунков, и др., ФТП 49 (2015) стр. 1136.;
  3. [3]. I. Ramiro, J. Villa, P. Lam et. al., IEEE Journal of Photovoltaics, 5(3) (2015) p. 840.;


Формирование ультратонких пленок железа и силицидов железа под слоем графена на никеле

Гребенюк Георгий Сергеевич1, Гомоюнова М. В.1, Малыгин Д. Е.1, Пронин И. И.1

1ФТИ

Эл. почта: georgijmail@gmail.com

Одним из наиболее перспективных способов получения высококачественного графена, пригодного для технологических применений, является синтез его на металлических подложках методом химического осаждения из газовой фазы. При этом ослабить взаимодействие атомов углерода и металла можно с помощью интеркаляции - процесса внедрения чужеродных атомов в межслоевой зазор между графеном и подложкой. Особый интерес в этой связи представляет интеркаляция графена кремнием, который может быть использован также для создания буферных слоев между графеном и металлической подложкой, и, таким образом, получения структур, пригодных для применения в электронике и спинтронике. Недавно было показано, что, используя графен, выращенный на монокристаллических пленках никеля, кобальта и железа, таким способом можно синтезировать ультратонкие пленки силицидов этих металлов, обладающие различными функциональными свойствами [1,2]. Особое многообразие свойств демонстрируют силициды железа, например, силицид b-FeSi2 обладает металлической проводимостью, а фаза Fe3Si является ферромагнитной. Однако интеркаляционный синтез силицидов железа под слоем графена затрудняется сложностью формирования высококачественного графена на поверхности железа. В настоящей работе, цель которой состояла в исследовании начальных стадий роста пленок железа на графене, выращенном на поверхности Ni(111), и последующей интеркаляции графена железом и кремнием, нам удалось решить эту проблему и разработать новый метод синтеза ферромагнитного силицида железа под слоем графена.

Основные эксперименты проводились в Российско-Германской лаборатории на синхротроне HZB BESSY в Берлине. На первом этапе эксперимента на поверхности монокристалла W(110) в условиях сверхвысокого вакуума были сформированы эпитаксиальные пленки Ni(111) толщиной 10 нм. Графен на поверхности Ni(111) формировался методом химического осаждения из газовой фазы. В качестве рабочего газа использовался пропилен (С3Н6) с давлением 2*10-6 мбар, в котором образец выдерживался в течение 10 мин при температуре 600°С. Такая процедура обеспечивает формирование на поверхности никеля однослойного графена [3]. Интеркаляция графена железом и кремнием проводилась путем нанесения на его поверхность сверхтонких пленок Fe и Si и последующего их отжига при температуре 400°С в течение 10 мин. Анализ элементного и химического состава поверхности образцов, а также ее атомного строения проводился in situ с помощью ДМЭ и ФЭС, в то время как магнитные свойства интеркалированных пленок анализировались с помощью магнитного линейного дихроизма в угловом распределении Fe 3p фотоэлектронов.

Исследование интеркаляции графена железом показало, что при 400°C процесс протекает в широком диапазоне покрытий, вплоть до 14 монослоев (МС) Fe. Результатом его является образование в межслоевом зазоре между графеном и пленкой никеля псевдоморфной пленки Fe(111), обладающей гцк структурой, задаваемой подложкой. Слой графена сильно взаимодействует с нижележащими атомами Fe и стабилизирует гцк структуру интеркалированной пленки. За счет этого размерный эффект переориентации вектора намагниченности интеркалированной пленки железа происходит при больших толщинах, чем в случае свободной пленки, и ее ферромагнитное упорядочение вдоль поверхности возникает лишь после интеркаляции 5 МС Fe.

Последующая интеркаляция системы Gr/Fe/Ni(111) кремнием  приводит к образованию двумерных островков силицида Fe3Si, и частичному растворению кремния в пленке железа. Показано, что с увеличением количества интеркалированного Si до 2 МС островки разрастаются и коалесцируют, формируя сплошную пленку поверхностного силицида  железа Fe3Si, согласованную с подложкой и обладающую структурой (√3x√3)R30°. Под этой пленкой формируется слой упорядоченного твердого раствора кремния в железе. При этом обе фазы являются ферромагнитными и надежно защищенными графеном от воздействия окружающей среды.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №16-02- 00387).

Список литературы

  1. O. Vilkov, A. Fedorov, D. Usachev, L.V. Yashina, A.V. Generalov, K. Borygina et al., Controlled assembly of graphene-capped nickel, cobalt and iron silicides, Sci. Rep. 3, 2168-7, 2013;
  2. D. Yu. Usachov, A. V. Fedorov, O. Yu. Vilkov, A. V. Erofeevskaya, A. S. Vopilov, V. K. Adamchuk et al., Formation and lithium doping of graphene on the surface of cobalt silicide, Phys. Solid State 57, 1040-1047, 2015;
  3. A. Grüneis, K. Kummer, D.V. Vyalikh, Dynamics of graphene growth on a metal surface: a time-dependent photoemission study, New J. Phys. 11, 073 050, 2009;


Моделирование роста групп наноостровков на стеклянной подложке методом молекулярной динамики

Капралов Н. В.1, Бабич Е. С.1, Редьков А. В.2

1СПбПУ

2СПбАУ НОЦ НТ

Эл. почта: nikolay.kapralov@gmail.com

В настоящее время большое внимание уделяется исследованию и применению плазмонных структур, включающих случайные ансамбли металлических наночастиц, упорядоченные единичные наночастицы или их группы. Этот интерес обусловлен высокими значениями локальных электрических полей, формирующихся при падении световой волны вблизи поверхности наночастиц вследствие поверхностного плазмонного резонанса [1]. В частности, стекла с неупорядоченными островками серебра на поверхности (наноостровковые пленки) успешно используются как высокочувствительные подложки для поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии [2], могут применяться в фотовольтаике [3] и фотокатализе [4].

Одним из перспективных методов получения островковых плёнок серебра является двухэтапный процесс: ионный обмен натрий-силикатного стекла в расплаве соли AgNO3, в результате которого приповерхностная область стекла обогащается ионами серебра, и последующий отжиг такого стекла в водородной атмосфере [5]. В процессе отжига водород диффундирует вглубь стекла, где восстанавливает ионы серебра. В дальнейшем атомарное серебро диффундирует к поверхности, где начинается формирование островковой плёнки. При добавлении к этому процессу дополнительного шага – термической поляризации ионообменного стекла посредством профилированного анодного электрода [5] – в тех местах, где электрод касался поверхности образца, ионы серебра под действием электрического поля дрейфуют вглубь. Вследствие этого после отжига в водороде эффузия восстановленных атомов серебра имеет место только в неполяризованных областях стекла, на поверхности которых  формируются наноостровки серебра. В работе [6] нами было показано, что конфигурация островков критически зависит как от формы и размера неполяризованной области, так и от режима отжига ионообменного стекла в водороде. Так, в областях различных форм экспериментально наблюдалось формирование одного, двух и даже групп из нескольких наноостровков, так называемых «плазмонных молекул». Понимание механизмов самоорганизации таких островков позволит формировать плазмонные структуры заданной конфигурации и соответственно с заданными оптическими свойствами [7].

В настоящей работе построена атомистическая модель роста наноостровков серебра на поверхности стекла и проведено численное моделирование этого процесса методом молекулярной динамики в программном пакете LAMMPS. В качестве «стеклянной» подложки использовалось неподвижное термостатированное основание, в центре которого на площадку размером l1*l2, играющей роль неполяризованной области, поступал фиксированный поток атомов другого сорта, соответствующий теоретически рассчитанному потоку после термической поляризации профилированным электродом [8].  Для простоты межатомное взаимодействие описывалось потенциалом Леннарда-Джонса с различными коэффициентами для «атомов» серебра и стекла. Коэффициенты варьировались в широких пределах с целью выявления всех качественно различных вариантов протекания процесса. Моделирование показало, что после поступления на подложку атомы диффундируют по ней, и при накоплении достаточной концентрации адатомов начинается формирование и рост наностровков. При этом, численные расчеты позволили подобрать такое соотношение энергий связи атомов разных типов и температуры, что при вариации размеров области l1 и l2, в этой области формировались отдельные островки, их пары и «плазмонные» структуры, наблюдаемые экспериментально при тех же соотношениях l1 и l2.

Список литературы

  1. Mie G., Ann. Physik IV, 25, 377-445, 1908;

  2. Dieringer J. A., McFarland A. D., Shah N. C., Stuart D. A., Whitney A. V., Yonzon C. R., Young M. A., Zhang X. and Van Duyne R. P., Surface enhanced Raman spectroscopy: new materials, concepts, characterization tools, and applications, Faraday Discuss., 132, 9-26, 2006;

  3. Atwater H. A., Polman A., Plasmonics for improved photovoltaic devices, Nature Materials 9, 205-213, 2010;
  4. Prieto G., Zečević J., Friedrich H., de Jong K. P., de Jongh P. E., Towards stable catalysts by controlling collective properties of supported metal nanoparticles, Nature Materials 12, 34–39, 2013;

  5. Редуто И.В., Червинский С.Д., Каменский А.Н., Карпов Д.В., Липовский А.А., Самоорганизованное выращивание малых групп наноостровков на поверхности поляризованных ионообменных стекол, ПЖТФ 42 (2), 72-78, 2016;

  6. Redkov A., Chervinskii S., Baklanov A., Reduto I., Zhurikhina V., Lipovskii, A., Plasmonic molecules via glass annealing in hydrogen, Nanoscale Res. Lett., 9, 606-611, 2014;

  7. Heisler F., Babich E., Scherbak S., Chervinskii S., Mehedi M., Samusev A., Lipovskii A. A., Resonant Optical Properties of Single Out-Diffused Silver Nanoislands, J. Phys. Chem. C, 119, 26692–26697, 2015;
  8. Sokolov K., Melehin V., Petrov M., Zhurikhina V., Lipovskii A. A., Spatially periodical poling of silica glass, J. Appl. Phys. 111, 104307, 2012;


Исследование коллоидных нанокристаллов селенида цинка, легированных марганцем

Мазинг Дмитрий Сергеевич1, Богачев Ю. В.1, Никифорова А. В.1, Александрова О. А.1, Мошников В. А.1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: dmazing@yandex.ru

Благодаря своим оптическим свойствам, коллоидные квантовые точки (КТ) способны занять нишу в таких областях, как создание светоизлучающих и фотоприемных устройств, катализ, биомедицинские исследования [1]. Препятствием для широкого внедрения технологии коллоидных КТ на основе наиболее распространенных халькогенидов кадмия может стать их токсичность с точки зрения элементного состава. Одной из альтернативных систем являются нанокристаллы на основе халькогенидов цинка, в особенности селенида. Обладая перестраиваемой люминесценцией в фиолетово-синей области, нанокристаллы ZnSe  могут быть легированы ионами переходных металлов, в частности марганцем. Несмотря на ограниченную перестраиваемость длины волны испускания такой структуры, КТ ZnSe:Mn характеризуются высоким квантовым выходом, большим временем жизни носителей и большим стоксовым сдвигом, что снижает эффект перепоглощения. При этом парамагнитная природа центров марганца с одной стороны придает частицам магнитные свойства, что перспективно с точки зрения разработки меток двойного контраста [2], а с другой позволяет проводить исследования процесса легирования и распределения примеси в нанокристаллах при помощи метода спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

В данной работе КТ ZnSe:Mn были синтезированы в неполярном растворителе октадецене с использованием суспензии элементарного селена в октадецене в качестве анионного прекурсора. Нанокристаллы были охарактеризованы методами спектроскопии поглощения, фотолюминесценции и ЭПР. Образцы обладали интенсивным испусканием с характерным максимумом в области длины волны 585 нм. По результатам спектроскопии ЭПР был сделан вывод, что примесь марганца локализуется преимущественно у поверхности нанокристалла. С целью перевода частиц из органической среды в водную была проведена замена исходных гидрофобных лигандов на гидрофильную меркаптопропионовую кислоту.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-15-00324).

Список литературы

  1. Мошников В. А., Александрова О. А., Дробинцева А. О., Кветной И. М., Крылова Ю. С., Мазинг Д. С., Матюшкин Л. Б., Мусихин С. Ф., Полякова В. О., Рыжов О. А. От лазерной оптической микроскопии до флуоресцентной микроскопии высокого разрешения. Коллоидные квантовые точки - биомаркеры в поисковых научных исследованиях // Биотехносфера. 2014. № 6. С. 16–30.;
  2. Jing L., Ding K., Kershaw S. V., Kempson I. M., Rogach A. L., Gao M. Magnetically engineered semiconductor quantum dots as multimodal imaging probes // Adv. Mater. 2014. Vol. 6. P. 6367-6386.;


Исследование эффекта экранирования в матричных графен/SiC эмиттерах планарного типа

Житяев Игорь Леонидович1, Светличный А. М.1, Коломийцев А. С.1, Агеев О. А.1

1ЮФУ

Эл. почта: jityaev.igor@gmail.com

Графен на карбиде кремния - уникальный материал, свойства которого позволяют на его основе разрабатывать автоэлектронные приборы с повышенной устойчивостью к воздействию температуры, электромагнитного и радиационного излучения. Метод термической деструкции карбида кремния в вакууме - один из наиболее перспективных методов получения пленок графена. Использование полуизолирующих пластин карбида кремния позволяет получать графеновые пленки с хорошей адгезией на диэлектрическом основании без операций переноса.

Благодаря малой толщине графеновой пленки возможно формирование на её основе планарных автоэмиссионных катодов. Использование современных методов нанотехнологий позволяет изготавливать катод и анод планарного типа с наноразмерным межэлектродным расстоянием в едином технологическом цикле [1]. Для планарных наноразмерных автоэмиссионных катодов характерна более крутая вольт-амперная характеристика по сравнению с острийными эмиттерами вертикального типа.

Можно добиться увеличения эмиссионного тока, применяя матрицы автоэмиссионных катодов. В этом случае величина тока пропорциональна количеству эмиттеров. Существуют ограничения числа эмиттеров на единице площади. Они связаны с размерами основания эмиттера и возникновением эффекта экранирования. Эффект экранирования приводит к неоднородности эмиссии с поверхности катодов в матричной структуре. Это, в свою очередь, может способствовать нестабильности работы автоэмиссионного прибора и уменьшению сроков его эксплуатации. Таким образом, определение параметров эмиссионных структур, которые обеспечивают равномерность автоэмиссионного тока, является важной задачей.

В данной работе проведено исследование условий, при которых отсутствует эффект экранирования в матричных наноразмерных автоэмиссионных структурах планарного типа на основе пленок графена на полуизолирующем карбиде кремния. Построены модели, которые учитывают влияние расстояния между вершинами эмиттеров, расстояния катод-анод, радиуса закругления вершины эмиттера и угла наклона боковой поверхности эмиттера относительно его центральной оси. Полученные результаты коррелируют с результатами матричных эмиттеров вертикального типа [2]. Однако, планарная форма эмиттеров приводит к увеличению расстояния между вершинами эмиттеров, при котором отсутствует эффект экранирования.

Исследование выполнено в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (Задание №16.1154.2014/K). Результаты работы были получены с использованием инфраструктуры Центра коллективного пользования и научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета.

Список литературы

  1. Светличный А.М., Коломийцев А.С., Житяев И.Л., Спиридонов О.Б., Формирование элементов автоэмиссионной наноэлектроники на основе пленок графена на карбиде кремния методом фокусированных ионных пучков, Известия ЮФУ. Технические науки, № 9, с. 14-23, 2015;

  2. Volkov E.Yu., Jityaev I.L., Kolomiitsev A.S., Design features of matrix nanoscale pointed graphene/SiC field emission cathodes, «IOP CONFERENCE SERIES: «Materials Science and Engineering» (MSE)», vol. 93, pp. 012031–1-5, 2015;


Ионные процессы и электронные свойства металлооксидных структур

Рябоконь Дарья Владимировна1, Ханин Самуил Давидович2

1ВАС​

2РГПУ

Эл. почта: ryabokon90@gmail.com

Настоящая работа посвящена изучению изменений электронных свойств металлооксидных конденсаторных структур в условиях ионного транспорта и возможностей их использования для прогнозирования его кинетики. В качестве объекта исследования выступают оксиды тантала и ниобия в субмикронных аморфных слоях как широко используемые в качестве конденсаторного диэлектрика и представительные для всего класса оксидов переходных металлов, перспективных в плане создания резистивных переключательных структур с памятью [1-7]. Основное внимание уделяется процессам переноса протонов и кислородосодержащих анионов в условиях электрического (электротеплового) нагружения металлооксидных структур, находящихся в контакте с соответствующим электролитом.

Сам факт наличия ионного транспорта устанавливался в работе с помощью прямых физических методов: ядерно-физических методов анализа элементного состава тонких пленок на предмет определения концентрации и распределения водорода по толщине и изотопных исследований с применением изотопа О18 в составе электролита [1, 8].

В части транспорта водорода установлено наличие протонно-инжекционных токов, приводящих к электронно-протонному восстановлению оксида и дефектообразованию, что приводит, в свою очередь, к существенному возрастанию электронного тока. При достижении определенного критического значения плотности тока в каналах повышенной проводимости происходит термическая кристаллизация оксида с образованием фазы нестехиометрического состава и, как следствие, оксидный слой необратимо утрачивает свои электроизоляционные свойства.

Результатом транспорта кислородосодержащих анионов, как показал эксперимент, является образование кристаллической фазы металлооксида, связанная с реакционной диффузией (электродиффузией) частиц окислителя к поверхности металла, на которой происходит полицентрическое зарождение кристаллов. Указанные структурные изменения приводят к возрастанию электронной проводимости и к качественным изменениям в ее поведении в сильных электрических полях, а именно, экспоненциальный рост проводимости с увеличением напряженности электрического поля во всем диапазоне полей, что свидетельствует о наличии крупномасштабных дефектов в структуре кристаллических оксидов переходных металлов.

На основе установленных корреляций ионных и электронных процессов предложены экспериментальные методики диагностики металлооксидных структур на предмет устойчивости оксида к длительному электрическому (электротепловому) нагружению. Основное внимание при этом уделяется низкочастотной (инфразвуковой) спектроскопии. В качестве информативных параметров и характеристик, на основе которых может осуществляться неразрушающий контроль, выступают тангенс угла диэлектрических потерь и его поведение в указанном диапазоне частот.

Список литературы

  1. Ханин С.Д. Проблемы электрофизики металлооксидных конденсаторных диэлектриков.- Обзоры по электронной технике. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты.- М., 1990, Вып.1 (1524).- 80с;
  2. Pergament A.L. Electronic Switching and Metal-Insulator Transitions in Compounds of Transition Metals / A.L. Pergament, G.B. Stefanovich, A.A. Velichko, S.D. Khanin // Condensed Matter at the Leading Edge / Editor: Das M.P. –Nova Science Publishers, 2006 – P.1-67.;
  3. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов.- М.: Техносфера, 2011.-800с;
  4. Гриценко В.А., Тысченко И.Е., Попов В.П., Перевалов Т.В. Диэлектрики в наноэлектронике.- Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010.- 258с.;
  5. Барыбин А.А., Томилин В.И., Шаповалов В.И. Физико-технологические основы макро-, микро- и наноэлектроники.-М.: ФИЗМАТЛИТ,2011.- 784с.;
  6. Стефанович Г.Б., Grishin A. Оксидная электроника: достижения и перспективы развития.- Физика в системе современного образования (ФССО-2013): Материалы XII Международной научной конференции. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2013, С.11-14;
  7. Novel hypostasis of “old” materials in oxide electronics: Metal oxides for ReRAM applications / A. Pergament, G. Stefanovich, A. Velichko, V. Putrolainen, T. Kundozerova, T. Stefanovich // Journal of Characterization and Development of Novel Materials.- 2011.- V.4.- I.2.- P.83-110;
  8. Khanin S.D. Structure inhomogeneties of the oxide dielectric and the properties of tantalum capacitors.- Materials Science Forum.- 1995.- Vols. 185-188.- pp. 573-580;


Изучение функциональных свойств газочувствительных пленок кобальт- и кадмий-содержащего полиакрилонитрила

Семенистая Татьяна Валерьевна1, Воронова А. А.1, Иваненко А. В.1

1ЮФУ

Эл. почта: semenistayatv@sfedu.ru

Создание сенсорных материалов с наилучшими газочувствительными характеристиками решается сочетанием выбранного материала и подходящей технологией получения, что позволяет управлять процессом формирования структуры нанокомпозитного материала и получать материал с заданными свойствами. Выбран полиакрилонитрил (ПАН) как представитель проводящих полимеров с сопряженными π-связями в полимерной цепи из-за его уникальной способности формировать продукт методом пиролиза под воздействием некогерентного ИК-излучения [1-4].

Целью работы являлось изучение особенностей формирования пленок металлсодержащего ПАН. Получены газочувствительные пленки металлсодержащего ПАН (Сo, Cd). Использованы разные температурно-временные технологические режимы формирования материала плёнок металлсодержащего ПАН. Благодаря способности ПАН формировать лестничные структуры возможно использование высоких температур обработки органического полимера для образования устойчивых структур различной электропроводности избегая процесса плавления полимера при термообработке [1,3]. В зависимости от интенсивности и продолжительности воздействия ИК-излучения получены термоструктурированные пленки ПАН, значения сопротивления которых составило от 102 Ом до 1012 Ом. Показано, что термообработанный ПАН является материалом с проводниковыми свойствами, имеет р-тип проводимости. Независимо от массового содержания модифицирующей добавки в пленкообразующем растворе и температурно-временных режимов формирования плёнок обнаруживается небольшое изменение сопротивления материала плёнок при нагреве.

Исследовано влияние технологических параметров формирования материала газочувствительных пленок металлсодержащего ПАН на морфологию их поверхности с применением метода сканирующей атомно-силовой микроскопии (АСМ) [2,4]. Получены тонкие пленки металлсодержащего ПАН плотной структуры с развитой морфологией поверхности, СКЗ шероховатости составило Rq = 12÷120 нм. Показано, что применение различных технологических режимов формирования полимерной нанокомпозитной пленки с различным содержанием модифицирующей добавки приводит к существенному изменению морфологии и площади их поверхности: значения коэффициента площади поверхности Sdr изменяются от 0,5 % до 93 %.

При выполнении работы использовали оборудование центра коллективного пользования ЮФУ «Нано и микросистемной техники и интегральной сенсорики». Исследования методом АСМ проводили в центре коллективного пользования ЮФУ «Нанотехнологии».

Список литературы

  1. Semenistaya T.V, Polyacrylonitrile-based materials: Properties, Methods and Applications, Advanced Materials - Manufacture, Physics, Mechanics and Applications: Series «Springer Proceedings in Physics», Heidelberg: New York: Dordrecht: London: Springer, Vol. 175, P. 61-77, 2016;
  2. Semenistaya T.V., Petrov V.V., Kalazhokov Kh.Kh., Kalazhokov Z.Kh., Karamurzov B.S., Kushkhov Kh.V., Konovalenko S.P, Study of the properties of nanocomposite cobalt-containing IR-pyrolyzed polyacrylonitrile films, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, Vol. 51, No. 1, P. 9-17, 2015;
  3. Semenistaya T., Plugotarenko N., Petrov V, A Monte-Carlo method for simulating drying temperature of the gas-sensing material based on polyacrylonitrile, Applied Mechanics and Materials, Vols. 727-728, P. 145-149, 2015;
  4. Plugotarenko N., Semenistaya T., Petrov V, Multifractal detrended fluctuation analysis in examining surface properties of the gas-sensing metal-containing polyacrylonitrile, Modern Applied Science, Vol. 9, No. 11, P. 213-221, 2015;


Расчет квантового состояния сверхпроводника в периодическом магнитном поле

Корчагин Дмитрий Сергеевич, Карцев П. Ф.

НИЯУ МИФИ

Эл. почта: dmserkor@yandex.ru

Современные достижения физики и техники сверхпроводимости не в последнюю очередь связаны с разработкой композитных сверхпроводящих материалов, таких как ВТСП-ленты 2-го поколения. При использовании ферромагнитных наночастиц или слоёв в комбинации со сверхпроводником возникают новые физические явления, связанные как с выталкиванием магнитного поля из сверхпроводника (мейснеровской экранировкой), так и влиянием на состояние куперовских пар. Эти явления следует учитывать при разработке приборов сверхпроводящей электроники и материалов для сильноточных применений, использующих системы «сверхпроводник-ферромагнетик». С физической точки зрения такие задачи часто сводятся к необходимости определять волновую функцию сверхпроводящих электронов. При этом крайне важно иметь эффективные расчетные модели таких систем и надежные алгоритмы их численной реализации.

В работе представлен расчет квантового состояния сверхпроводящей пленки, помещенной в периодическое магнитное поле, создаваемое упорядоченной системой ферромагнитных наночастиц. Чтобы влияние на сверхпроводник было ограничено только создаваемым полем, считается, что ферромагнитные частицы расположены на достаточном удалении от поверхности. Такая геометрия задачи является хорошим модельным приближением как при описании состояния сверхпроводника, помещенного в неоднородное магнитное поле [1], так и при определении параметров магнитных частиц, использующихся в качестве сильных центров пиннинга [2].

Стоит отметить основные особенности проведения расчетов, обусловленные периодической геометрией:

- сведение трехмерной задачи к одномерной;

- возможность сократить область проведения расчетов до размеров одного периода, что позволяет решать систему уравнений Гинзбурга-Ландау с достаточно мелкой сеткой и, в то же время, с разумными требованиями к количеству вычислительных ресурсов;

- широкое использование алгоритмов DFT и FFT [3];

- отсутствие необходимости учета наведенного экранирующего тока за счет использования периодических граничных условий.

Решение данной задачи ведется при помощи метода установления [4]. Обсуждаются применения данного алгоритма к возможным задачам в данной геометрии.

Список литературы

  1. Безотосный П.И., Лыков А.Н., Цветков А.Ю. Численное решение уравнений Гинзбурга-Ландау для сверхпроводящих пластин с использованием различных граничных условий // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2008. № 58. С. 42-46.

  2. Кашурников В.А., Максимова А.Н., Руднев И.А. Нелинейные эффекты при перемагничивании слоистых ВТСП с ферромагнитными примесями под действием тока и внешнего магнитного поля // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100. Вып. 7. С. 494-500.

  3. Richardson W.B., Pardhanani A.L., Carey G.F. and Ardelea A. Numerical effects in the simulation of Ginzburg–Landau models for superconductivity // Int. Journal for Numerical Methods Engineering. 2004. Vol. 59. Is. 9. Pp.1251-1272.

  4. Krstulovic G., Brachet M. Energy cascade with small-scale thermalization, counterflow metastability, and anomalous velocity of vortex rings in Fourier-truncated Gross-Pitaevskii equation // Phys. Rev. E. 2011. Vol. 83. Is. 6. P. 066311.



Методика неразрушающего контроля основных характеристик p–n переходов приборных структур методом тока, индуцированного электронным зондом

Лихачев Алексей Игоревич1, Нащекин А. В.1, Калюжный Н. А.1, Буравлев А. Д.1,2

1ФТИ

2СПб АУ РАН

Эл. почта: Lihachev@mail.ioffe.ru

В основе работы всех полупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в p–n переходе. Современные технологические методы позволяют получать гетероструктуры (ГС) с толщинами слоев в несколько десятков ангстрем. В связи с этим, перед современными методами диагностики стоит задача эффективного неразрушающего контроля характеристик таких структур с высоким пространственным разрешением. Одними из наиболее перспективных методов, удовлетворяющих этим требованиям, является метод тока, индуцированного электронным зондом (ТИЭЗ), реализуемый в растровом электронном микроскопе (РЭМ). Малые размеры (от единиц нанометров до нескольких микрон) области генерации сигналов, регистрируемых в РЭМ, обеспечивают высокое пространственное разрешение электронно-зондовых методов и делают их незаменимыми при исследовании современных ГС. Метод ТИЭЗ используется для определения таких параметров p–n переходов как положение p–n перехода [1], диффузионные длины [2] и время жизни неосновных носителей заряда [3]. Традиционно, для определения этих параметров требуется скалывание приборных структур поперек p–n перехода. В данной работе предлагается метод определения параметров p–n переходов готовых приборных структур с использованием оригинальной неразрушающей методики ТИЭЗ. Разработанная методика, используя специальную обработку полученных сигналов, позволяет получать характеристики ГС с субмикронным разрешением.

Для решения описанных выше задач на основе РЭМ CamScan Series 4-88 DV100 нами был разработан программно-аппаратный комплекс (ПАК). Комплекс состоит из универсальной системы крепления образцов в различной геометрии, блока усилителя «EBIC» и предусилителя, а так же средств промежуточного контроля. Разработанное программное обеспечение «Scan» осуществляет управление электронным зондом в процессе сканирования, регистрацию измеряемых сигналов и видеозахват изображений с растрового электронного микроскопа, полученных в режиме вторичных (ВЭ) или отраженных электронов (ОЭ). Для математической обработки экспериментальных данных и нахождения методом моментов [4] диффузионных длин неосновных носителей заряда нами разработана компьютерная программа «EBIC analysis». Для иследования светоизлучающих и поглощающих устройств предусмотрена возможность облучения или регистрации светового излучения со спектральным разрешением.

Одним из примеров успешного использования ПАК было исследование приборных структур фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе массивов полупроводниковых вертикально-стоящих GaAs:Be нитевидных нанокристаллов (ННК). Было показано, что в таких структурах p–n переход сформирован неравномерно по площади массива ННК, что негативно влияет на эффективность работы конечного прибора. Кроме того, нами была предложена модель взаимодействия электронного пучка с отдельно стоящим ННК, объясняющая результаты, полученные при сканировании отдельно стоящего ННК. Также, моделирование позволило провести оценку размеров области пространственного заряда (ОПЗ) в ННК, которая составила 1–1.2 мкм при высоте ННК 2.3 мкм.

Другим примером применения методики было исследование InGaAs-ФЭП с градиентной структурой слоев. В ходе измерений было обнаружено влияние морфологии сканируемой поверхности на сигнал ТИЭЗ. Это сильно осложняет анализ получаемых данных и требует дополнительной, более сложной математической обработки результатов измерений. Дальнейшее развитие данной методики позволит учесть влияние поверхности на полезный сигнал, что расширит применимость представленной методики к структурам с разной морфологией поверхности.

Таким образом, была предложена методика неразрушающего контроля характеристик p–n переходов приборных структур. Был разработан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного измерения ТИЭЗ и математической обработки экспериментальных данных. Возможности методики были продемонстрированы на различных типах образцов.

Список литературы

  1. Chi J.Y., Gatos H.C. Nondestructive determination of the depth of planar p--n junctions by scanning electron microscopy. IEEE. Trans. Elect. Dev. ED 24. P.1366--1368. 1977.;

  2. Wu C.J., Wittry D.B. Investigation of minority-carrier diffusion lengths by electron bombardment of Schottky barriers. J.Appl.Phys. V.49. N.5. P.2827--2836. 1978.;
  3. Pietzsch J. Measurement of minority carrier lifetime in GaAs and GaAsP with an intensity-modulated electron beam. Sol.St.Electron. V.25. N.4. P.295--304. 1982.;
  4. Donolato C. Evaluation of diffusion lengths and surface recombination velocities from electron beam induced current scans. J.Appl.Phys. V.43. N.120. P.120--122. 1983.;


Модель туннельной ионизации электрона из молекулы фуллерена в слабом электрическом поле

Дробышев Алексей Александрович1, Головинский П. А.1, Михин Е. А.1, Тучин А. В.1

1Воронежский ГАСУ

Эл. почта: drobyshevtf@gmail.com

Упрощенный подход к описанию туннельных токов использует представление о точечном источнике [1, 2]. Он позволяет легко рассчитывать пространственное распределение электронного тока [3, 4], но непригоден для нейтральных атомов и молекул из-за наличия дальнодейсвующего кулоновского взаимодействия.

Более последовательное рассмотрение задачи основано на том, что на больших расстояниях от ядра волновая функция электрона удовлетворяет уравнению Шредингера с кулоновским потенциалом и потенциалом однородного электрического поля [5]. Последовательный перенос метода на ионизацию молекул дан в работе [6].

Мы следуем общему подходу к ионизации многоэлектронных систем [6, 7] в приближении слабого поля. В качестве многоцентровой системы рассматривается молекула фуллерена С60. Моделирование электронной плотности осуществляется с использованием программного пакета GAUSSIAN. На основании полученных данных рассчитана экранировка электрического поля внутри фуллерена. Во внутренней атомно-молекулярной области состояния определяются на основе решения самосогласованных многоэлектронных уравнений методом молекулярных атомноподобных орбиталей. Основная сложность нахождения тока при туннельной ионизации состоит в согласовании решений внутри молекулы и в асимптотически удаленной области. Численные методы дают решение, описывающее пространственное распределение электронных плотностей, но не обладающее правильной асимптотикой в подбарьерной области. Асимптотические волновые функции достаточно точны в области инфинитного движений электрона и под барьером, но их качество быстро ухудшается по мере приближения к внутримолекулярной области. В работе [8] использовалось продолжение численного решения многоэлектронной задачи в подбарьерную область с выделением правильной кулоновской асимптотики. На основании проведенного моделирования исследована зависимость пространственного распределения тока при туннельной ионизации фуллерена С60 от напряженности поля, расстояния до экрана и ориентации фуллерена.

Работа выполнена при поддержке РФФИ  (грант №16-32-00253) и ГЗ Минобрнауки РФ №2014/19 – 2881.

Список литературы

  1. Gottlieb B., Kleber M., and Krause J., Tunneling from a 3-dimensional quantum well in an electric field: an analitic solution, Z. Phys. A, 339, 201-206, 1991;
  2. Bracher C., Riza M., and Kleber M., Propagator theory of seaming tunneling microscopy, Phys. Rev. B, 56, N0 12, 7704(12), 1997;
  3. Donnere B. and Kleber M., A simple method for simulating seaming tunneling images, Am. J. Phys, 73(8), 690-700, 2005;
  4. Golovinski P.A. and Drobyshev A.A., Monte Carlo computer simulation of nonuniform field emission current density for carbon fiber, Journal of Electromagnetic Analysis and Applications, 6, 8-14, 2014;
  5. Jiang W.-Ch., Tolstikhin O.I., Peng L.Y., and Gong Q., Static-field-induced sttes and their manifestation in tunneling ionization dynamics of molecules, Phys. Rev. A, 85, 023404(15), 2012;
  6. Tolstikhin O.I. , Morishita T., and Madsen L.B., Theory of tunneling ionization of molecules: Week field asymptotics including dipole effects, Phys. Rev. A, 84, 053423(17), 2011;
  7. Tolstikhin O.I., Madsen L.B., and Morishita T., Weak-field asymptotic theory of tunneling ionization in mani-electron atomic and molecular systems, Phys. Rev. A, 89, 013421, 2014;
  8. Madsen L.B., Jensen F., Tolstikhin O.I., and Morishita T., Structure factors for tunneling ionization rates of molecules, Phys. Rev. A, 87, 013406, 2013;


Функционализация порошков пористого кремния для адресной доставки лекарств

Беспалова Кристина1, Сомов П. А.1, Спивак Ю. М.1

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Эл. почта: kris.alex.bespalova@gmail.com

В настоящее время одним из приоритетных направлений в биомедицине является адресная доставка лекарственных препаратов, так как традиционные лекарственные формы уже не отвечают требованиям современности [1-4].

Пористый кремний (por-Si), являясь биосовместимым, биодеградируемым и нетоксичным материалом выделяется среди других наноматериалов, в настоящее время предложенных для адресной доставки лекарств, что делает его чрезвычайно перспективным в данном направлении [5-7].

Целью данной работы являлась функционализация порошков por-Si n-типа электропроводности антибиотиком Канамицин и флуорофором Индоцианин зеленый.

Получение порошков пористого кремния происходило в два этапа: на первом этапе были получены слои пористого кремния на подложке монокристаллического кремния n-типа электропроводности. Слои por-Si были получены методом электрохимического анодного травления в водно-спиртовом растворе плавиковой кислоты. Далее, на втором этапе, подложка с пористым слоем подвергалась ультразвуковому воздействию в ультразвуковой ванне.

Контроль морфологии и размеров частиц проводили с помощью растровой электронного микроскопа марка прибора Mira Tescan. Порошки наносились дозатором из дисперсии в изопропиловом спирте на подложку монокристаллического кремния.

По данным РЭМ показано, что порошки por-Si являются преимущественно полидисперсными, большая часть частиц пористого кремния характеризовалась размерами (500-600 нм), также присутствуют частицы размерами менее 100 нм, а также небольшое количество более крупных частиц (до 1-1,5 мкм).

Экспериментально показано, что проведение центрифугирования дисперсий порошков por-Si позволяет отделить частицы размерами более 600 нм. По данным РЭМ выявлено, что в дисперсиях на основе дистиллированной воды, изопропилового спирта в объеме жидкости удерживаются частицы пористого кремния размерами до 500-600 нм, что, очевидно, связано с малой массой из-за низкой плотности материала частиц (высокой пористости).

Для функционализации порошков por-Si был выбран метод пассивной адсорбции в растворе. Для функционализации использовались водные растворы флуорофора Индоцианина зеленого (10 мг Индоцианина зеленого на 10 мл H2O) и антибиотика Канамицин (1 мг Канамцина на 10 мл H2O). Порошки por-Si помещались в растворы на 24 часа.

Полученные функционализированные частицы исследовались на однолучевом спектрофотометре марки ПЭ-5400 УФ в диапазоне волн 190 - 1000 нм в водной среде. Для сравнения также были получены спектры водного раствора Индоцианина зеленого, Канамицина и водной дисперсии не функционализированных порошков пористого кремния.

При сравнении спектров поглощения водных дисперсий порошков пористого кремния, лекарственного средства Канамицин, а также частиц функционализированных Канамицином, было установлено, что по изменению формы спектров последнего можно говорить, что методом пассивной адсорбции были закреплены молекулы лекарственного средства в пористые частицы. Это, очевидно, объясняется тем, пористый кремний в выбранных условиях получения содержит гидроксильные группы на поверхности, которые успешно взаимодействуют с гидроксильными группами молекулы Канамицина.

По данным спектров поглощения водных дисперсий порошков пористого кремния с Индоцианином зеленым наблюдается отсутствие функционализации лекарственного препарата. Это, предположительно, связано с тем, что в отличие от Канамицина, молекула Индоцианина зеленого преимущественно имеет гидрофобные группы, которые плохо взаимодействуют с гидрофильной поверхностью пористого кремния, полученного в работе. Возможно, для придания поверхности исследуемого материала способности к иммобилизации данного препарата целесообразной является ее обработка реагентами основного характера с прививкой аминогрупп.

Работа выполнялась в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ № 16.2112.2014/К по теме «Получение и исследование пористых систем, функционализи-рованных наноматериалами, для применения в фотонике, сенсорике и медицине».

Список литературы

  1. Мошников В. А., Спивак Ю. М., Леньшин А.С. Гл. 4. в монограф. «Исследование, технология и использование нанопористых носителей лекарств в медицине. Под общ. ред. Акад. РАН В. Я. Шевченко, акад. РАН О. И. Киселева, проф. В. Н. Соколова. СПб: Химиздат, 2015. 367 с., с. 70-116;
  2. Yu. M. Spivak, S. V. Mjakin, V. A. Moshnikov, etc. // J. of Nanomaterials, 2016. Vol. 2016, Spec. is. “Advances in Nanoporous Materials”. Article ID 2629582, 8 pages;
  3. Belorus A. O., Bespalova K., Spivak Y. M. Morphology and internal structure of porous silicon powders in dependence on the conditions of post-processing //2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW). – IEEE, 2016. – С. 23-28;
  4. Yu. M. Spivak, A. O. Belorus, P. A. Somov, etc. // J. of Physics: Conf. Series, 2015. Vol. 643, 010222. 6 p;
  5. В. А. Мошников, Ю. М. Спивак, П. А. Алексеев, Н. В. Пермяков. Атомно-силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 144 с;
  6. Спивак Ю. М. Наноструктурированные материалы. Особенности получения и диагностики // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2013. Т. 6. С. 54-64;
  7. A. O. Belorus, E. V. Maraeva, Y. M. Spivak, V. A. Moshnikov. J. of Physics: Conf. Series 586 (2015) 012017;


Оптика и спектроскопия

Application of optical non-invasive methods to diagnose the viability of the lower limb tissues in patients with diabetes mellitus

Zharkikh Elena Valerievna1, Dremin V.V.1, Filina M.A.1, Makovik I.N.1, Potapova E.V.1, Zherebtsov E.A.1, Zherebtsova A.I.1, Dunaev A.V.1

1Orel State University named after I.S. Turgenev

Эл. почта: loread@mail.ru

Currently, the problem of diagnosis in the early stages of diabetes mellitus (DM) and its complications, which significantly reduces the life level of patients, is acute. One of the prospective directions in the diagnosis of diabetes complications is the study of the functional state of patient lower limbs by non-invasive optical methods. This allows the identification of the emergence of trophic disorders at an earlier stage, and prevention of further complications. Nowadays along with widely used laser Doppler flowmetry method it is informative to use fluorescence spectroscopy method for complex diagnoses of the diabetes mellitus complications [1].

It is known that during prolonged hyperglycaemia advanced glycation endproducts accumulate in the organism, which leads to oxidative stress, and abnormalities in the mitochondrial respiratory chain [2, 3]. These changes may be measured quantitatively by fluorescence intensity of substances involved in the oxygen exchange as well as toxic products of carbohydrate metabolism.

In this connection, the aim of this work was to evaluate the possibilities of simultaneous application of laser Doppler flowmetry and fluorescence spectroscopy methods for identify at an earlier stages of trophic disorders in the skin feet of patients with diabetes mellitus.

To achieve this goal the experimental studies were conducted. The study involved registration of changes in blood flow and the biological tissue coenzyme fluorescence during 4 of the successive stages. The first stage included registration of a base test of LDF-gram for a 4 minute-period. The second and third stages included registration of a local cold test (t=25 ᵒC) and a local heating test (t=35 ᵒC) for 4 minutes each. The fourth stage included registration of a local heating test (t=42 ᵒC) for 10 minutes. Simultaneously with the permanent registration of the perfusion at each stage, a pair of fluorescence spectra at the excitation source with wavelengths of 365 nm and 450 nm were recorded. The light guide probe was brought into contact with the dorsal surface of the foot on a point located on a plateau between the 1st and 2nd metatarsals. All studies were performed in the supine position. After carrying out experiments, LDF-grams of each phase of the study were subjected to adaptive wavelet analysis by LDF 3.0.2.384 program. Experimental studies were carried out by LDF and FS methods using the multifunctional laser noninvasive diagnostic system «LAZMA-ST». System «LAZMA-TEST» was used to provide thermal effects. Measurements were carried out on 76 patients diagnosed with diabetes and 46 apparently healthy volunteers of approximately the same age.

Registration of the blood microcirculation index (Im) and the IF365 and IF450 fluorescence amplitudes was performed. During the study the oscillation amplitude values for the 5 main ranges were determined: endothelial (Ae), neurogenic (An), myogenic (Am), respiratory (Ar) and cardiac (Ac). These values were normalized to the standard deviation (σ) and the average value of the index of microcirculation (Im) were also determined. Indicators of endothelial (ET), neurogenic (NT) and myogenic (MT) tone, bypass indicator (BI) and nutritive blood flow (Imn) were calculated to assess the oscillatory component of microvascular tone [4]. 

Significant differences in all of the above parameters were identified and statistically proved (by Mann-Whitney test, p <0,05) for the group of patients relative to the control group. Experimental studies have shown that diabetic patients have elevated values of normalized fluorescence amplitudes. Perfusion in response to local heating of 35 and 42 °C was reduced in these patients.

The proposed methodology allows us not only to detect the presence or absence of trophic disorders, but also to determine possible causes, by evaluating adaptation processes during thermal tests and by comparing them with the results obtained in the control group.

Thus the combined use of LDF and FS methods and the use of wavelet transform in the analysis of LDF-grams allows not only to predict the development of trophic disorders and diabetic foot syndrome in the early stages, but also to identify the cause and location of occurrence of these disorders.

The work was supported by grant of the President of the Russian Federation for state support of young Russian scientists № MK-7168.2016.8.

Список литературы

  1. Dremin V.V., Sidorov V.V., Krupatkin A.I., Galstyan G.R., Novikova, I.N., Zherebtsova A.I., Zherebtsov E.A., Dunaev A.V., Abdulvapova Z.N., Litvinova K.S., Rafailov I.E., Sokolovski S.G., Rafailov E.U. The blood perfusion and NADH/FAD content combined analysis in patients with diabetes foot // Proc. SPIE 9698, Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic and Surgical Guidance Systems XIV, 2016, 969810.;
  2. Kathryn C.B. Tan et al. Advanced Glycation End Products and Endothelial Dysfunction in Type 2 Diabetes // Diabetes Care, 2002, 25:1055-1059.;
  3. Papayan G. et al. Autofluorescence spectroscopy for NADH and flavoproteins redox state monitoring in the isolated rat heart subjected to ischemia-reperfusion // Photodiagnosis Photodyn Ther, 2014, 11(3):400-8.;
  4. Dunaev, A.V. Investigating tissue respiration and skin microhaemocirculation under adaptive changes and the synchronization of blood flow and oxygen saturation rhythms [Text] / A.V. Du-naev [et al.] // Physiological Measurement, 2014. – № 35 (4). – P. 607-621.;


Investigation of Doppler Spectra of laser radiation scattered inside hand skin during occlusion test

Kozlov Igor Olegovich1, Zherebtsov E.A.1, Zherebtsova A.I.1, Dremin V.V.1, Dunaev A.V.1

1Orel State University named after I.S.Turgenev

Эл. почта: igor57_orel@mail.ru

Laser Doppler flowmetry (LDF) is method widely used in diagnosis of microcirculation diseases. It is well known that Doppler shift of the laser radiation scattered by moving red blood cells (RBC) can be quantitatively assessed throw analyzing photocurrent produced by photodetector. Today, there are several mathematical models of this process, based on the fundamental work of Bonner and Nossal [1]. This model links integral characteristics of photocurrent’s power spectrum with the average concentration of red blood cells in a sampling volume of tissue and their average velocity. The measuring result is relatively linear to velocity and concentration of RBC in diagnostic volume.

Photocurrent’s spectrum distribution contains valuable diagnostic information about velocity distribution of the RBC [2]. This information usually disappears after integration procedure. In this research it is proposed to compute the integrals (indexes of microcirculation) in the sub-ranges of the spectrum. Appropriate hardware and software were developed. Single mode 1064 nm laser was selected as the source of sounding radiation. Optical fibers were used to deliver radiation to the skin and to collect backscattering light. Signal processing was conducted in the NI LabVIEW environment.

Applying standard physiological functional tests to a limb results in changing RBC velocity distribution inside the skin. Fourteen experiment of shoulder occlusion were performed in order to record such alternations during the occlusion test [3]. Experiments involved only healthy volunteers. During the experiments simultaneously obtained parts of power spectra from fingers in consecutive frequency ranges 60 – 400 Hz, 400 – 800 Hz, 800 – 1600 Hz, 1600 – 3200 Hz, 3200 – 6400 Hz were processed. Every experiment was conducted following the protocol: recording of the background level of perfusion (3 min); occlusion test (3 min); post-occlusion recording (5 min).

Processing of the obtained experimental data has shown that at the moment of the post-occlusion reactive hyperemia (PORH), Doppler power spectrum undergoes broadening and the spectrum maximum shifts to the high-frequency range. This effect can be explained by increasing number of ensembles of RBC with higher velocity in the optical sampling volume of the skin. The main statistical parameters (mean and standard deviation) of perfusion alteration during the occlusion test were calculated in the selected spectral ranges of power spectrum integration.

Further, experimental studies in the group of patients with microcirculation diseases are planned. The comparison of the data from the patients with the data from healthy volunteers will allow to substantiate new diagnostic criteria.

The work was supported by RFBR grant for research projects carried out by young scientists (My first grant) № 16-32-00662.

Список литературы

  1. Bonner R. and Nossal R., Model for laser Doppler measurements of blood flow in tissue, Appl. Opt., 20, 2097-2107, 1981;
  2. Dunaev A.V. and Zherebtsov E.A., Novel measure for the calibration of laser Doppler flowmetry devices, Proc. SPIE 8936, Design and Quality for Biomedical Technologies VII, 2014;
  3. Zherebtsova A.I and Zherebtsov E.A., Study of the functional state of peripheral vessels in fingers of rheumatological patients by means of laser Doppler flowmetry and cutaneous thermometry measurements, Proc. SPIE 9917, Saratov Fall Meeting 2015: Third International Symposium on Optics and Biophotonics and Seventh Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium (PALS), 2016, 99170M;


Новый центр окраски Н19 в природных и синтетических алмазах

Хомич Андрей Александрович1, Ральченко В. Г.2, Хомич А. В.1, Аверин А. А.3, Мащенко В. Е.3, Карькин А. Е.4, Хмельницкий Р. А.5

1ФИРЭ РАН

2ИОФ РАН

3ИФХЭ РАН

4ИФМ УрО РАН

5ФИАН

Эл. почта: antares-610@yandex.ru

В последние годы перспективы применения алмаза для создания однофотонных эмиттеров, пригодных для задач квантовой фотоники, информатики и сенсорики [1-3], привели к детальному изучению ряда новых центров, дающих узкие полосы фотостабильной при комнатной температуре яркой фотолюминесценции (ФЛ) в различных диапазонах видимого и ИК спектра. Ионная имплантация и высокотемпературный отжиг – стандартная процедура [4] для формирования центров окраски в алмазе.

В [5] было предложено использование электрически стимулированной однофотонной эмиссии для создания алмазных твердотельных оптоэлектронных устройств. При этом необходимые для электролюминесценции графитовые электроды могут быть сформированы в объеме алмаза как сфокусированным ионным пучком МэВ ионов [6], так и интенсивным лазерным излучением [7]. Однако, оказалось, что после изготовления электродов в спектрах электролюминесценции доминируют не центры «азот-вакансия» с бесфононной линией (БФЛ) на 575 нм, а относительной узкие полосы на 565 и 580 нм [8]. Ранее подобные полосы ФЛ были обнаружены нами в спектрах ФЛ CVD алмазов, имплантированных ионами дейтерия и отожженных при 1650 оС [9].

Настоящая работа посвящена исследованию условий формирования центров окраски, ответственных за БФЛ на 580 нм. Исследованы спектры ФЛ CVD и природных алмазов, облученных быстрыми нейтронами в диапазоне флюенсов от 1×1018 до 2×1020 см-2, а также CVD и природных алмазов, имплантированных ионами водорода и дейтерия (дозы от 0.2 до 1.2×1016 см-2) и природных алмазов, имплантированных ионами гелия (дозы до 4.5×1015 см-2). Имплантация производилась на ускорителе тяжелых ионов "High Voltage Engineering Europa", энергия ионов 350 кэВ. После радиационного повреждения (РП) образцы отжигались в графитовой печи вплоть до для предельной для алмаза [10] температуры 1700 °С. Измерения спектров ФЛ проводились на спектрометрах Horiba Jobin Yvon LabRAM HR и Bruker Senterra при возбуждении РП алмаза излучением лазеров с длинами волн 473, 488 и 532 нм.

Обнаружено, что РП алмаза и последующий отжиг могут приводить к формированию центров окраски, наиболее яркий из которых проявляется БФЛ на 580 нм. Показано, что формирование центров Н19 имеет пороговый характер от уровня РП алмаза. Установлено, что отжиг при высоких температурах приводит к уменьшению полуширин полос, формирующих данную полосу ФЛ, а также к экспоненциальному росту ее интенсивности по сравнению с амплитудой алмазного пика в спектрах КР. Не выявлена корреляция амплитуды и характера поведения данной полосы при отжигах ни с концентрацией и формой вхождения азота и кремния в исследовавшиеся алмазы, ни с содержанием исходного или имплантированного водорода/дейтерия/гелия, ни с интенсивностью полос азот-вакансионных центров 503 и 575 нм. Это позволило нам отнести данную полосу Н19 с БФЛ на 580 нм к собственным дефектам, формирующимся в РП алмазах при высокотемпературных отжигах и имеющих в номенклатуре букву Н (по классификации [11], от irradiated and heated). Исследовано влияния уровня РП, дефектно-примесного состава алмаза, температуры отжига, упругих напряжений и длины волны возбуждения на интенсивность и форму спектральной полосы ФЛ центра Н19. Изучена вибронная структура центра Н19 и предложена вероятная структура центра, ответственного за интенсивную БФЛ на 580 нм в спектрах ФЛ радиационно-поврежденных природных и CVD алмазов.

Работа выполнена при поддержке проектов РФФИ 16-32-00068 мол, 15-52-04073 Бел_мол и 14-03-00936.

Список литературы

  1. Aharonovich I., Neu E., Diamond Nanophotonics, Adv. Opt. Mat., 2, 10, 911-928, 2014;
  2. Childress L., Hanson R., Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks, MRS Bulletin, 38, 2, 134-138, 2013;
  3. Rath P., Ummethala S., Nebel C., Pernice W.H.P., Diamond as a material for monolithically integrated optical and optomechanical devices, Phys. Stat. Sol. (a) 212, 11, 2385-2399, 2015;
  4. Pezzagna S., Rogalla D., Wildanger D., Meijer J., Zaitsev A., Creation and nature of optical centers in diamond for single-photon emission-overview and critical remarks, New J. Phys., 13, 3, 035024, 2011;
  5. Kato H., Wolfer M., Schreyvogel C., Kunzer M., Müller-Sebert W., Obloh H., Yamasaki S., Nebel C., Tunable light emission from nitrogen-vacancy centers in single crystal diamond PIN diodes, Appl. Phys. Lett., 102, 15, 151101, 2013;
  6. Picollo F., Gatto Monticone D., Olivero P., Fairchild B.A., Rubanov S., Prawer S., Vittone E., Fabrication and electrical characterization of three-dimensional graphitic microchannels in single crystal diamonds, New J. Phys, 14, 053011, 2012;
  7. Kononenko T.V., Khomich A.A., Konov V.I., Peculiarities of laser-induced material transformation inside diamond bulk, Diam. Rel. Mat., 37, 50-54, 2013;
  8. Forneris J., Traina P., Monticone D.G., Amato G., Boarino L., Brida G., Degiovanni I.P., Enrico E., Moreva E., Grilj V., Skukan N., Jakšić M., Genovese M., Olivero P., Electrical stimulation of non-classical photon emission from diamond color centers by means of sub-superficial graphitic electrodes, Nature. Scientific Reports, 5, 15901, 2015;
  9. Khomich A.V., Khmelnitsky R.A., Poklonski N.A., Lapchuk N.M., Khomich A.A., Dravin V.A., Poklonskaya O.N., Ashkinazi E.E., Vlasov I.I., Zavedeev E.V., Ralchenko V.G., Optical and paramagnetic properties of polycrystalline CVD-diamonds implanted with deuterium ions, J. Appl. Spectr., 79, 4, 600-609, 2012;
  10. Khmelnitsky R.A., Gippius A.A., Transformation of diamond to graphite under heat treatment at low pressure, Phase Trans., 87, 2, 175-192, 2014;
  11. Zaitsev A.M., Optical Properties of Diamond. A Data Handbook, Berlin: Springer, 2001;


The algorithms of receiving and image processing of the scan of drill core​

Konstantin Anatolievich Dolgii1, Belashev Boris Zalmanovich2

1Petrosavodsk State University

2Institute of Geology, KarRC RAS

Эл. почта: dolkons@gmail.com

The analysis of drill cores gives the information on composition, texture, fracturing and spatial positions of rocks. The big volume of storage of the core as well as the losses of physical condition and informational importance of some of its samples in the course of the time causes into the need to reduce the core. The scan of lateral surface of core’s samples helps save information during the storage. Being a digital model, the scan has total visual data about core, makes the quality of analysis better and its speed higher, reduces the risk of decomposition and loss of the core samples. The scan of core sample is easy to document, duplicate, store, transmit and transform. 

In paper a software-hardware complex for scanning and analysis of drill cores was described. An optical and mechanical system, managed by a computer, produces  the scanning of the lateral surface of core sample. The algorithms of complex differ by the aims and the ways of realization. The scanning algorithms are responsible for the cameras’ movement and their photographing of sample's areas, smoothing of brightness, forming of the scan of from separate photos and sending data to the server. These algorithms were realized on the base of the controlling mini-computer «Raspberry Pl» with using the utilities of its operational system and programming language «Python». The conversion of the scan into 3D-model, made for comfortable visualization,  is implemented in the system of computer mathematics «MATLAB».

 

 The algorithms of a core’s sample scans image processing also operate in this system. The algorithm of pixels’ segmentation in color space selects the clusters corresponding to mineral components of rocks and defines their lobes. The consistent use of morphological operations allows receive the distribution of the mineral seeds on the size. The distributions on the form and on the orientation were build using the clusterization algorithm and the method of the main components.  The consideration of core sample scan under Radon transformation gives the information about the number of cracks and their directions.  The scan of the core sample was contracted by Haar wavelet before it's placed into the relational database.

 

The developed algorithms had given the possibility to automatize the process of receiving of the core samples scans, its image processing and storage, to simplify and accelerate the documentation of information regarding a core samples and the compiling of the core drill digital library.



Интерферометрический pump-and-probe метод регистрации сверхбыстрых безызлучательных переходов в аминокислотах

Ильина Александра Дмитриевна1,2, Сухарев А. А.2, Глазов А. Л.2, Васютинский О. С.2

1СПбПУ

2ФТИ

Эл. почта: alexandra.ilina.94@gmail.com

Фотостабильность биологических объектов разных уровней сложности, начиная от малых биомолекул и заканчивая живыми организмами, является в настоящее время предметом интенсивного изучения во всем мире. Это в первую очередь касается УФ области спектра, так как именно это излучение приводит к возникновению мутаций и появлению злокачественных новообразований у человека. В качестве объектов исследования использованы растворы аминокислот триптофана и тирозина и их хромофоров индола и фенола в воде и органических растворителях.

В работе представлен новый интерферометрический метод исследования динамики фотопроцессов в молекулах аминокислот со сверхвысоким временным разрешением. Метод основан на регистрации изменения показателя преломления растворов аминокислот при возбуждении импульсным ультрафиолетовым излучением фемтосекундного лазера с помощью задержанных во времени импульсов излучения того же лазера по методике pump-and-probe. Эта методика позволяет с одной стороны достичь высокого временного разрешения, а с другой – исследовать динамику процесса в широком временном диапазоне от единиц-десятков пикосекунд до единиц наносекунд.

В эксперименте использовался фемтосекундный лазер MaiTai (Spectra Physics), перестраиваемый в спектральном диапазоне от 690 до 1040 нм. Возбуждение осуществлялось на эффективных длинах волн 180 – 200 нм при двухфотонном поглощении излучения второй гармоники лазерных импульсов, следующих с частотой 80 МГц. В качестве пробного излучения были использованы импульсы того же лазера на его основной частоте генерации, задержанные во времени с помощью оптической линии задержки. Регистрация осуществлялась методом гетеродинной интерферометрии [1]  с использованием дифференциальной схемы детектирования сигнала. Регистрация пробных пучков в двух противофазных каналах осуществлялась быстрыми фотодиодами THORLABS DET10A со скоростью нарастания сигнала 0,5 нс/В. Дифференциальный сигнал обрабатывался с помощью синхронного детектора SR844 Stanford Research.

В докладе представлены и исследованы экспериментальные сигналы, полученные в водном растворе индола при возбуждении лазерным излучением на частоте 800 нм с максимальным временным разрешением около 10 пс.

Разработанные методы обеспечивают принципиально новую возможность исследования короткоживущих возбужденных состояний аминокислот и могут быть в дальнейшем использованы для исследования процессов в биологических объектах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (Проект # 14-13-00266).

Список литературы

  1. Глазов А.Л., Муратиков К.Л., ЖТФ, 61[11], 187-196, 1991;


Оптические характеристики системы пористый кремний с осажденным красителем Родамин Б

Леньшин Александр Сергеевич1

1ВГУ

Эл. почта: lenshinas@mail.ru

Материалы для нанофотоники на основе пористого кремния, пропитанного растворами органических красителей, представляют большой интерес для современной техники обработки оптических сигналов. Соединение столь разнородных веществ в единый композитный материал позволяет получить серьезные преимущества по сравнению с исходными компонентами – это и широкая возможность выбора органических красителей с самыми разными оптическими свойствами, излучающих в широком спектральном диапазоне, легкость введения красителей в неорганическую матрицу.

С другой стороны, сама матрица обеспечивает возможность закрепления молекул красителя в определенном пространственном положении, а возможность получения пор разного размера позволяет добиваться того, чтобы молекулы красителя практически не взаимодействовали между собой и собственно с растворителем. В результате можно ожидать существенного роста интенсивности флуоресцентного излучения молекул красителя, помещенных в неорганическую матрицу, поскольку в этом случае исключается взаимное влияние молекул красителя.

Наличие усиления интенсивности излучения красителя при условии изоляции его молекул друг от друга подтверждено экспериментально. В то же время при проведении экспериментов по фотолюминесценции с внедрением органического красителя в пористый кремний необходимо учитывать возможность возбуждения излучения в самом материале матрицы. Поверхность свежеполученного пористого кремния является химически активной – она содержит в достаточно большом количестве связи типа Si-H и Si-OH, а также оборванные связи кремния [1]. В результате молекулы красителя, адсорбированные на поверхности пор, могут вступать в химическое взаимодействие с пористым кремнием (явление хемосорбции). Изменение химического состояния молекул красителя должно приводить к изменениям в спектре фотолюминесценции.

Кроме того, под действием потока стимулирующего фотолюминесценцию излучения в порах могут происходить различные процессы, приводящие к десорбции молекул красителя или к стимуляции протекания химических реакций. Таким образом, вопросы стабильности молекул красителя при использовании композитов типа ПК-краситель могут играть важную роль при создании фотопреобразователей излучения и при разработке светоизлучающих приборов на их основе.

Инфракрасные спектры поглощения для образцов с различным размером пор были получены на ИК-Фурье спектрометры VERTEX 70 фирмы BRUKER. Оказалось, в образцах макропористого кремния количество связей Si-Hx и Si-O-Si на поверхности существенно меньше, чем в образцах микропористого кремния. При этом влияние процесса осаждения красителя на состав пористого слоя незначительно и тип адсорбции имеет преимущественно физический характер.

В работе проведено исследование особенностей фотолюминесценции молекул красителя в зависимости от размера пор в пористом кремнии для мезо и макропористого кремния. Благодаря данным ФЛ подтверждено осаждение красителя Родамин-Б на поверхность образцов и  определены оптимальные технологические условия осаждения. Образцы при возбуждении с длинами волн 405 и 532 проявили достаточно интенсивную ФЛ, характерную как для родамина  (положение пика ФЛ ~ 530 нм), так и для пористого кремния (положение пика ФЛ ~650 нм).

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ВУЗам в сфере научной деятельности на 2014-2016 годы. (Проект №740, Задание №3.130.2014/K), а также гранта президента РФ МК-4865.2016.2

Список литературы

  1. [1] А.С. Леньшин, В.М. Кашкаров, П.В. Середин ЖТФ 85(7) 151 (2015);


Исследование процессов радиационного повреждения и механического износа алмаза методом спектроскопии комбинационного рассеяния света

Хомич Андрей Александрович1, Ашкинази Е. Е.2, Седов В. С.2, Поклонская О. Н.3, Петржик М. И.4, Поклонский Н. А.3, Хомич А. В.1

1ФИРЭ РАН

2ИОФ РАН

3БГУ

4НИТУ НИТУ МИСиС

Эл. почта: antares-610@yandex.ru

Для широкого класса углеродных соединений метод комбинационного рассеяния света (КР) отличается высокой чувствительностью и пространственной локальностью и позволяет получать данные о структуре, составе и величинах локальных напряжений в природных и CVD алмазах, в том числе при их радиационном повреждении (РП) [1-2] и при исследовании процессов износа при трибологических испытаниях (ТИ) АП [3-4].

Конфокальные измерения спектров КР в режиме обратного рассеяния в диапазоне 100–2500 см–1 проводились на спектрометре Horiba Jobin Yvon LabRAM HR и Nanofinder HE (Lotis TII Tokyo Instruments) при возбуждении алмаза излучением лазеров с длинами волн 488 и 532 нм, соответственно. Сканирование лазерного пучка вдоль поверхности образцов осуществлялось с помощью координатного столика Märzhäuser Wetzlar D-35579 с шагом 0.2-1.0 мкм. Мощность лазерного возбуждения и условия регистрации спектров поддерживались постоянными, что позволяло выполнить количественный анализ зависимости интенсивности сигнала КР и фотолюминесценции (ФЛ). Использование двух длин волн возбуждения давало возможность разделить в спектрах вклады КР и ФЛ.

Для исследования профиля РП алмазной кристаллической матрицы и изменения ее микроструктуры при допороговом уровне РП в природные алмазы с энергиями от 110 до 335 МэВ были имплантированы ионы никеля [5], ксенона и криптона. После имплантации по всей глубине повреждения алмаза сделаны косые шлифы под углом 5-10°, что позволило с высоким пространственным разрешением проследить за трансформацией алмазной решетки и поведением дефектов методами конфокального КР и ФЛ. Для оценки пространственного распределения выбитых со своих мест атомов в кристаллической решетке данные КР сопоставлены с результатами моделирования пробега ионов в алмазе методом Монте-Карло.

Изучение кинетики физико-химических и структурных превращений в микро- и нанокристаллических CVD алмазных пленках (АП) под действием механических напряжений проводилось в осажденных на подложки из карбида вольфрама CVD АП после их ТИ методом измерительного скольжения по схеме «стержень-диск», при этом профиль спектров КР и ФЛ исследовался как по бороздкам износа на поверхности АП, так и вдоль изготовленных косых шлифов.

Показано, что радиационное и механическое повреждение алмаза приводит к уширению, смещению и ослаблению алмазного пика в спектрах КР, а также к появлению и усилению узких (от 10 до 50 см-1) полос, обусловленных комплексами собственных дефектов, в том числе имеющих в своей структуре одиночные С=С связи [2, 5-6]. Исследовано влияние РП и ТИ на положение, полуширину и относительную интенсивность узких полос в спектрах КР. При высоких уровнях РП в спектрах КР наблюдались эффекты пространственной локализации фононов и формирование областей аморфного алмаза. При повреждении выше определенного порога в спектрах КР доминируют широкие D- и G-полосы, обусловленные разупорядоченным sp2-углеродом. Установлено, что в процессе ТИ пластическая деформация приповерхностного слоя на участках контакта с шариком может приводить к аморфизации не только приповерхностного слоя АП, но и нижерасположенного переходного слоя. Исследована связь кристаллической структуры и трибологических свойств тонких АП, которая показала, что износ нанокристаллических АП связан с процессами аморфизации, а у более стойких микрокристаллических АП – с накоплением точечных дефектов вблизи дислокаций, а также в областях двойникования, при этом доля sp2-фазы в АП практически не изменяется. В работе также исследовано влияние термических отжигов на оптические свойства радиационно- и механически поврежденного природного и CVD алмаза и обсуждается природа дефектов, проявляющихся в виде узких полос в высокочастотной части спектров КР.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 15-19-00279).

Список литературы

  1. Orwa J.O., Nugent K.W., Jamieson D.N., Prawer S., Raman investigation of damage caused by deep ion implantation in diamond, Phys. Rev. B., 62, 12, 5461-5472, 2000;
  2. Khomich A.V., Khmelnitskii R.A., Hu X.J., Khomich A.A., Popovich A.F., Vlasov I.I., Dravin V.A., Chen Y.G., Karkin A.E., Ralchenko V.G., Radiation damage effects on optical, electrical, and thermophysical properties of CVD diamond films, J. Appl. Spectr., 80, 5, 707-714, 2013;
  3. Wang X., Shen Х., Sun F., Shen B., Tribological properties of MCD films synthesized using different carbon sources when sliding against stainless steel, Tribol. Lett., 61, 2, paper 21, 2016;
  4. Kumar N., Panda K., Dash S., Popov C., Reithmaier J.P., Panigrahi B.K., Tyagi A.K., Tribological properties of nanocrystalline diamond films deposited by hot filament chemical vapor deposition, AIP Advances, 2, 032164, 2012;
  5. Poklonskaya O.N., Khomich A.A., Raman scattering in a diamond crystal implanted by high-energy nickel ions, J. Appl. Spectr., 80, 5, 715-720, 2013;
  6. Hyde-Volpe D., Slepetz B., Kertesz M., The [V-C=C-V] divacancy and the interstitial defect in diamond: vibrational properties, J. Phys. Chem. C, 114, 9563-9567, 2010;


Исследование лазеров со связанными волноводами методом ближнепольной оптической микроскопии

Полубавкина Юлия Сергеевна1, Крыжановская Н. В.1, Моисеев Э. И.1, Зубов Ф. И.1, Максимов М. В.1, Жуков А. Е.1, Гордеев Н. Ю.2, Паюсов А. С.2, Шерняков Ю. М.2, Минтаиров С. А.2, Калюжный Н. А.2, Кулагина М. М.2

1СПб АУ РАН​

2ФТИ

Эл. почта: polubavkina@mail.ru

Многие важные применения мощных полупроводниковых лазеров, такие как источники оптической накачки и медицина, требуют высокую оптическую мощность излучения и высокое качество луча [1]-[4]. Одной из принципиальных проблем, ограничивающих максимальную выходную мощность, является катастрофическое оптическое разрушение зеркал. Эффективным способом уменьшения оптической плотности мощности является увеличение эффективного размера моды в вертикальном и латеральном направлениях, простейшим из которых является увеличение соответствующего геометрического размера волновода. Такое расширение однако, ограничено, переходом в пространственно –многомодовый режим генерации [5]. Моды высоких порядков ухудшают картину распределения дальнего поля и качество лазерного луча.

Существует большое количество методов расширения вертикального оптического поля. Например, существует метод, использующий расширенный вертикальный волновод на основе фотонного кристала [6]. Такой дизайн лазерной структуры имеет высокую чувствительность профиля распределения моды к небольшим изменениям в показателе преломления, вызванным отклонениями состава, температуры и тока накачки.

Лазерные диоды с зауженным гребешковым волноводом сочетают в себе, как высокую выходную мощность, так и высокое качество луча [7]. Однако, лазерные диоды с зауженным гребешковым волноводом имеют два основных недостатка: потери в дополнительном волноводе, снижающие выходную мощность, и астигматизм [8].

В данной работе рассматривается простой и эффективный способ подавления мод высоких порядков в широких волноводах мощных полупроводниковых лазеров, основанный на структуре, содержащей связанные волноводы [9]. Концепция использует эффект резонансного связывания [10] между двумя параллельными волноводами, расположенными в непосредственной близости друг к другу. Волновод такого резонатора состоит из одномодового узкого пассивного волновода, оптически связанного с широким активным (имеющим в центре активную область) многомодовым волноводом. Благодаря уменьшенному фактору оптического ограничения и увеличенным оптическим потерям композитные составные моды не участвуют в лазерной генерации, что позволяет получить поперечный одномодовый режим генерации в лазерах такой конструкции по сравнению с резонаторами, имеющими один широкий волновод [11].

Две лазерные структуры были выращены методом МОГФЭ на n-легированной GaAs (100) подложке. Структура с одним широким волноводом шириной 2,5 микрона имеет активную область, состоящую из двух InGaAs квантовых ям с 24% содержанием индия. Волновод заключен между AlGaAs обкладками толщиной 1мкм каждый с 15% содержанием алюминия. Вторая структура помимо широкого волновода с активной областью имеет узкий пассивный волновод шириной 610 нм, отстоящий от широкого на расстоянии 250 нм. Обе пластины спроцессированы в гребешковые лазеры с шириной полоска 50 мкм и длиной 2 мм.

Оба лазера имеют похожие параметры, а именно плотность порогового тока ~330A/см2, внутреннюю квантовую эффективность 88% и внутренние потери 1,3 см-1 [9]. Максимумы интенсивности излучения наблюдаются при λ=1040нм. Было исследовано ближнее поле при различных токах накачки тестовой структуры с одним широким волноводом и структуры, содержащей два связанных волновода. Из распределения интенсивности лазерного излучения на поверхности зеркала тестовой структуры видно, что генерация происходит в многомодовом режиме. При токе 1А преобладает мода первого порядка, при увеличении тока накачки до 2-3А наблюдается наложение фундаментальной моды на моду первого порядка. Для лазера со связанными волноводами при любом токе накачки распределение интенсивности соответствует фундаментальной моде, что означает, что моды высоких порядков не участвуют в лазерной генерации.

В результате исследования была подтверждена идея о подавлении мод высоких порядков в лазерах с широким волноводом благодаря эффекту резонансного связывания между двумя параллельными волноводами, расположенными в непосредственной близости друг к другу.

Список литературы

  1. Y. Inoue and S. Fujikawa, “Diode-pumped Nd: YAG laser producing 122-W CW power at 1.319 μm,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 36, no. 6, pp. 751–756, Jun. 2000;

  2. W. Schulz and R. Poprawe, “Manufacturing with novel high-power diode lasers,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 6, no. 4, pp. 696–705, Jul./Aug. 2000;

  3. U. Brauch, P. Loosen, and H. Opower, “High-power diode lasers for direct applications,” in High-Power Diode Lasers: Fundamentals, Technology, Applications, R. Diehl, Ed. Berlin, Germany: Springer, 2000, pp. 303–368;

  4. H.-G. Treusch and R. Pandey, “High-power diode laser arrays,” in High-Power Laser Handbook, H. Injeyan and G. D. Goodno, Ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2011;

  5. Жуков А.Е. Основы физики и технологии полупроводниковых лазеров. СПб.: Изд-во Академ. Ун-та, 2016. 364с.;

  6. M. J. Miah, T. Kettler, V. P. Kalosha, K. Posilovic, D. H. Bimberg, J. Pohl, and M. Weyers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 21, 4900206 (2015);

  7. S. Kallenbach et al., “High-power high-brightness ridge-waveguide tapered diode lasers at 14xx nm,” Proc. SPIE, vol. 5738, pp. 406–415, Jan. 2005;
  8. M.T. Kelemen et al., “Astigmatism and beam quality of high-brightness tapered diode lasers,” Proc. SPIE, vol. 5452, pp. 233–243, Sep. 2004;

  9. Gordeev N Yu et al. “Transverse single-mode edge-emitting lasers based on coupled waveguides” Optics Letters, vol. 40, No. 9, 2015, pp 2150-2152;
  10. B. E. Little and W. P. Huang, Prog. Electromagn. Res. 10, 217 (1995);

  11. Gordeev N Yu et al. Mode Engineering in Lasers Based on Coupled Large Optical Cavities, 2015 IEEE, pp 557-558;


Фотоотрыв в отрицательных квазимолекулах

Дадонова Алла Васильевна1, Девдариани Александр Зурабович1,2

1РГПУ

2СПбГУ

Эл. почта: alladadonova@mail.ru

Работа посвящена расчету сечения фотоотрыва в связанно-свободных переходах электронов в оптическом диапазоне на примере реакции: $H + H^- + \hbar\omega$ $\rightarrow$ $H + H + e$, в рамках модели потенциала малого радиуса [1].

Вычисление сечения фотоотрыва электрона сводится к расчету сил осцилляторов df_{bc}/d\omega для переходов из связанного состояния в состояние континуума:

\sigma\left ( \omega \right ) = \frac{2\pi^2}{c} \frac{df_{bc}}{d\omega } = \frac{4 \pi^2}{c} \omega_{bc} \left|X_{bc} \right|^2

где \omega – частота падающего света, с – скорость света,  X_{bc}- дипольный момент перехода

X_{bc} = \int \left\langle \Psi_b\left|x\right| \Psi_c \right\rangle dx

​Формулы для определения сил осцилляторов представлены в работе [2]. 

По результатам расчета сечения фотоотрыва в связанно-свободных переходах можно сделать два основных вывода. Во-первых, столкновения приводят к понижению порога ионизации, поскольку терм нечетного квазимолекулярного состояния носит отталкивательный характер. Во-вторых, зависимость сечения носит осциллирующий характер в зависимости от частоты.

Список литературы

  1. DemkovYu.N. and Ostrovskii V.N., Zero-range Potentials and their Applications in Atomic Physics, Plenum Pub Corp, 288, 1988.
  2. Devdariani A.Z., Radiative Transitions in Quasi-Molecules, Opt.spectr., 119, 3, 333-337, 2015.


Определение состава жидкостей с применением спектрального анализа излучения электрического разряда

Рамазанов Александр Нажмудинович1, Кострин Д. К.1, Лисенков А. А.2

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2ИПМаш РАН

Эл. почта: ramazanow.alexander@yandex.ru

На сегодняшний день наибольшее распространение получили химические и электрохимические методы анализа жидкостей [1], однако они достаточно дорогостоящие и требуют значительного времени для проведения анализа. Таким образом, имеется большой интерес к разработке методов спектрального анализа химического состава жидкостей [2], основанных на регистрации эмиссионных спектров, образуемых различными веществами при нагревании их электрическим разрядом [3].

Существенной проблемой существующих методов спектрального анализа химического состава жидкостей является инициирование электрического разряда, требующее разработки специальной разрядной ячейки, в которой в качестве одного из электродов может использоваться непосредственно сама жидкость [4, 5]. Подобные системы имеют малые габариты и не требуют наличия вспомогательных газов, что делает их менее дорогостоящими, более портативными и быстродействующими по сравнению с другими эмиссионными системами.

Рассмотрим достаточно эффективные системы с электролизом в тлеющем разряде [6] и с разрядом при кипении в канале. В первой конструкции разряд происходит не в жидкости, а в ее парах над поверхностью. Один электрод представляет собой заостренный вольфрамовый стержень, а другой пластину, помещенную в емкость. Вторая система построена из двух емкостей соединенных каналом, организованным в диэлектрической стенке. С обеих сторон к каналу подводятся электроды.

Возникновение разряда в обеих системах осуществляется подачей на электроды с помощью высоковольтного источника питания импульсного напряжения прямоугольной или синусоидальной формы через балластное сопротивление, служащее для стабилизации тока разряда. Возникающее в результате разряда свечение плазмы регистрируется оптическим спектрометром через стенки системы, изготовленные из кварцевого стекла.

Настройка таких систем является достаточно сложной задачей. Требуется получить максимальную эффективность процесса возбуждения высокоинтенсивных спектральных линий, соответствующих содержащимся в жидкости веществам, подбирая такие механические параметры системы как форма, размер и взаимное расположение электродов, а также электрические параметры источника питания: напряжение, ток, форму и частоту импульсов.

Для обеих рассмотренных разрядных систем при анализе водопроводной воды спектры излучения имеют примерно одинаковый вид. Наиболее интенсивные спектральные линии излучения плазмы разряда сконцентрированы в промежутке длин волн 300…400 нм и соответствует в основном гидроксильной группе, а также однозарядным ионам азота и кислорода, молекулярным азоту и кислороду. В видимом диапазоне длин волн наблюдались спектральные линии соответствующие элементам, растворенным в жидкости: меди, калию и натрию.

Приведенные результаты позволяют сделать вывод о принципиальной возможности разработки системы для анализа состава жидкостей по спектрам излучения разряда в жидкости или над ее поверхностью. Однако для минимизации размеров оборудования требуется существенное повышение эффективности таких систем. В частности, необходимо исследование наиболее эффективных механических параметров системы, а также электрических параметров источника питания. Также необходимо разработать оптимальную конструкцию разрядной ячейки, которая с одной стороны позволяла бы эффективно получать информацию с помощью спектрометра, а с другой стороны была износостойкой, мало загрязняемой и механически прочной.

Список литературы

  1. Пименова Е.В., Химические методы анализа в мониторинге водных объектов, Пермь: Изд-во ПГСХА, 2011;
  2. Кириллова Е.А., Маряхина В.С., Методы спектрального анализа, Оренбург: Изд-во ОГУ, 2013;
  3. Рамазанов А.Н., Кострин Д.К., Разработка и исследование спектрометрической системы для анализа состава воды, Современная техника и технологии, № 6, С, 89-92, 2015;
  4. Webb M.R., Hieftje G.M., Spectrochemical analysis by using discharge devices with solution electrodes, Analytical chemistry, V. 81, № 3, P. 862-867, 2009;
  5. Рамазанов А.Н., Кострин Д.К., Разрядные системы для спектрохимического анализа, Современная техника и технологии, № 7, С. 42-46, 2015;
  6. Рамазанов А.Н., Кострин Д.К., Ухов А.А., Лисенков А.А., Тлеющий разряд на воздухе с жидким неметаллическим катодом, Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», № 1, С. 3-6, 2016;


Нелинейно-оптическая спектроскопия органических микроструктур

Жданова Карина Дмитриевна1, Мамонов Е. А.1, Новиков В. Б.1, Колмычек И. А.1, Мурзина Т. В.1

1МГУ

Эл. почта: kesha@shg.ru

В последние десятилетия проводятся активные исследования микро- и нано- размерных структур с возможностью их использования в устройствах фотоники. Большинство исследований в настоящее время проводится для структур, состоящих преимущественно из металлов, для которых усиление оптического и нелинейно-оптического отклика достигается за счет эффектов локального поля, например, в плазмонных наноантеннах или в пространственно-периодических сверхструктурах, таких как плазмонные кристаллы и оптические волноводы [1], [2]. Нано- и микроструктуры на основе органических материалов являются весьма перспективными в плане возможных применений ввиду возможности гибкого управления их свойствами за счет изменения химического состава, а также геометрических параметров. Одним из важных направлений в области изготовления структур на основе органических материалов является использование явления самоорганизации, позволяющее формировать структуры различной формы. К настоящему времени были изготовлены структуры на основе органических материалов, имеющих форму полых трубок, сфер, полусфер, и проч. Отличительной особенностью такого рода структур является возможность их использования в качестве оптических резонаторов, волноводов и даже лазеров, работающих при комнатной температуре [3]. Несмотря на то, что органические нелинейно-оптические материалы менее устойчивы по сравнению с неорганическими структурами аналогичного дизайна, их важным преимуществом является относительно просто реализуемая возможность управления линейными и нелинейными оптическими свойствами.

Цель данной работы состояла в экспериментальном исследовании особенностей оптического и нелинейно-оптического отклика органических микроструктур, изготовленных методом самоорганизации. Структуры были изготовлены в сотрудничестве с коллегами из университета Хайдарабад (проф. Р. Чандрасекар). Они имеют форму усеченного конуса с характерным размером верхнего основания единицы микрометров и углом раствора конуса около 45 градусов. Конусы расположены на стеклянной подложке с расстоянием между соседними микрочастицами, превышающим их характерный диаметр.

Были проведены исследования оптических свойств как массива таких микроструктур, так и изолированных усеченных конусов, методами спектроскопии пропускания, поглощения и фотолюминесценции, а также методом нелинейно-оптической спектроскопии. В спектрах поглощения массива частиц наблюдается максимум в спектральной области 600-700 нм, соответствующий поглощению красного DCM красителя [3], [4]. Однако при исследовании отдельного элемента массива методом микроскопии фотолюминесценции было показано, что проявляется тонкая структура спектра, а именно, наблюдается набор пиков в спектре, соответствующих возбуждению мод шепчущей галереи (МШГ) в усеченных конусах. Кроме того, оказалось, что максимальные значения фотолюминесценции наблюдаются вблизи краев конусов, что соответствует преимущественной локализации электромагнитного поля в этих пространственных областях.

Численное моделирование, проведенное для данного типа структур, показало, что электромагнитное поле в структурах в виде усеченного конуса локализовано преимущественно вблизи острых углов структур. Модовый состав локализованного излучения определяется геометрическими размерами микроструктур, а расстояние в спектре между ближайшими модами также соответствует возбуждению в них МШГ.

Список литературы

  1. A.E. Minovich et al., Laser & Photonics Reviews 1–19, 2015;
  2. T. Murzina et al, Phys. Rev B 89, 121113, 2014;
  3. R. Chandrasekar et al., Adv. Opt. Mater., DOI: 10.1002/adom.201500362, 2015;
  4. Y. S. Zhao et al, J. Am. Chem. Soc., 137, 62–65, 2014;


Фотолюминесценция гетероструктур на основе Hg1-xCdxTe c x~0.5

Тимошков Александр Олегович1, Семакова А. А.2, Мынбаев К. Д.3, Баженов Н. Л.3

1СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2ИТМО

3ФТИ

Эл. почта: sanekspbproff@yandex.ru

Твердые растворы  Hg1-xCdxTe в настоящее время являются одним из основных материалов инфракрасной фотоэлектроники. Традиционно большое внимание уделялось изучению Hg1-xCdxTe с составом (мольной долей CdTe) x в диапазоне от 0.2 до 0.4, так как ширина запрещенной зоны такого материала соответствует длинноволновому (8-14 мкм) и средневолновому (3-5 мкм) инфракрасным диапазонам длин волн.  Материал с x~0.5 (длины волн < 2 мкм) ранее исследовался мало, однако в последнее время к нему появился интерес в связи с разработкой технологии сверхчувствительных фотоприемников так называемого расширенного коротковолнового инфракрасного диапазона (длина волны 1.7-3.0 мкм, англ. extended Shortwave Infrared, eSWIR). Для минимизации темновых токов, связанных с вкладом рекомбинации Шокли-Рида, оптимальной для фотоприемников на этот диапазон является конструкция, использующая гетеропереход, однако для традиционных материалов этого диапазона (например, InGaAs/InP) характерны невысокие значения квантовой эффективности приборов на основе гетеропереходов из-за больших значений разрыва зон на гетероинтерфейсе.

Фотолюминесценция (ФЛ) является одним из наиболее информативных методов характеризации полупроводниковых материалов. В отношении Hg1-xCdxTe, ФЛ в основном применялась для изучения свойств материала с x=0.3-0.4, поскольку в твердых растворах с более малым x существенно влияние безызлучательной рекомбинации, а материал с x>0.5, как уже отмечалось, ранее не представлял практического интереса. Исследования фотолюминесценции Hg1-xCdxTe с x>0.5 ранее проводились только на монокристаллах с x>0.7, близких по своим оптическим свойствам к CdTe. Нами были проведены исследования фотолюминесценции гетероструктур на основе Hg1-xCdxTe с составом «активного» («фоточувствительного») слоя x=0.4-0.6 (ширина запрещенной зоны соответствует диапазону длин волн 1.6-2.7 мкм при 300 К), выращенных молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках Si и GaAs.

В спектрах ФЛ гетероструктур, выращенных на подложках из GaAs, в исследованном температурном диапазоне (4.2-300 К) в основном присутствовала одна полоса, обусловленная рекомбинацией экситона, локализованного флуктуациями состава. При этом влияние флуктуаций оказалось столь значительным, что для всех гетероструктур с x<0.6 наклон температурной зависимости энергетического положения пика ФЛ EPL имел противоположный знак относительно наклона такой же зависимости расчетной ширины  запрещенной зоны Eg твердого раствора данного состава. При комнатной температуре EPL соответствовала Eg. В спектрах гетероструктур, выращенных на подложках из Si, кроме основной полосы также наблюдались полосы, связанные с акцепторными состояниями. Предполагается, что они связаны с примесями, захваченными на структурные дефекты, типичные для гетероструктур со значительным рассогласованием подложки и эпитаксиальных слоёв по параметру кристаллической решетки и коэффициенту термического расширения.



Влияние динамического Штарк-эффекта на долговременную стабильность частоты самогенерирующего магнитометра с лазерной накачкой щелочных атомов

Баранов Алексей Анатольевич1, Ермак С. В.1, Семёнов В. В.1, Петренко М. В.2

1СПбПУ

2ФТИ

Эл. почта: lexusbar@gmail.com

Важнейшим параметром современных квантовых магнитометров с лазерной оптической накачкой является его точность, которая на больших временах усреднения ограничивается действием фликкерных шумов, связанных  вариациями спектра накачки лазерного источника [1]. Подобные вариации вызывают Штарковский сдвиг измеряемой частоты, содержащий в варианте щелочных атомов три компоненты – скалярную векторную и тензорную [2]. Одновременное действие этих компонент затрудняет их экспериментальное исследование и не позволяет оптимизировать режим оптической накачки, соответствующий минимальному световому сдвигу частоты магнитометра. В настоящей работе эта проблема решена путем сравнения показаний двух магнитометров на парах 87Rb, один из которых выполнен по принципу НЧ спинового генератора, другой – в виде пассивного СВЧ радиоспектрометра с автоподстройкой резонансной частоты [3]. Эксперимент показал существенное взаимное влияние детектируемых сигналов, проявляемое как в динамике изменения их интенсивности, так и спектрального состава. При этом на СВЧ переходах действуют все три компоненты светового сдвига, а в НЧ области работы самогенерирующего магнитометра влияние на его работу оказывает лишь тензорная и векторная составляющие. Эта особенность тандема магнитометров позволяет  корректно определить удельный вклад составляющих светового сдвига в его интегральное значение, а также оценить влияние их взаимной компенсации на долговременную стабильность измеряемой частоты при смене знака циркулярной поляризации света накачки [3]. Подобные оценки проводились путем одновременного контроля рабочего магнитного поля по сигналу ошибки СВЧ измерительного канала устройства и по частоте НЧ сигнала самогенерирующего магнитометра с последующем вычислением девиации Аллана разностного сигнала в функции времени усреднения при примерном равенстве отношения сигнал-шум как в  СВЧ, так и НЧ каналах измерительного модуля. Анализ этих зависимостей показывает, что в области больших времен усреднения t девиация Аллана увеличивается по закону (tn-1 )1/2, где коэффициент n в пределах измерительной погрешности варьируется в диапазоне 2,4 − 2,6.

Список литературы

  1. Ермак С.В., Зимницкий П.В., Смолин Р.В., Семенов В.В. Влияние фликкерных процессов на разрешающую способность самогенерирующих магнитометров с оптической накачкой в режиме насыщения // Письма в ЖТФ, 2014, 6, 82-88;

  2. W.Happer, B.S.Mathur, Effective operator formalism in optical pumping // Phys. Rev., 1967, 163, 1, 12-25;

  3. Баранов А.А., Ермак С.В., Сагитов Э.А., Смолин Р.В., Семенов В.В. О компенсации светового сдвига частоты радиооптического СВЧ резонанса в оптически ориентированных щелочных атомах с лазерной накачкой // ЖЭТФ, 2015, 148, 3(9), 453-465;



Плазмонное анизотропное отражение света от массивов металлических нанокластеров

Коротченков Алексей Владимирович1, Кособукин Владимир Артёмович1

1ФТИ

Эл. почта: KorotchenkovAlex@gmail.com

Исследование плазмонных мод в наноструктурах важно для различных задач фотоники (рамановская спектроскопия, фотовольтаика, ближнеполевая микроскопия), в которых используется эффект резонансного усиления электромагнитного поля на частоте плазмона. Поляризационные оптические эффекты позволяют изучать анизотропию структур, поддерживающих плазмоны. Недавно были зарегистрированы дифференциальные спектры анизотропного отражения (АО) света от кластеров In, выращенных на поверхности InAs(001) [1]. Сигнал АО определяется величиной

\frac{\Delta R}{R}=2\frac{R_x-R_y}{R_x+R_y},\hfill(1)

где R_{x,y} - коэффициенты нормального отражения света, поляризованного по осям x и y , выбранным вдоль направлений [1\bar{1}0] и [110] в кристалле. Наблюдавшиеся в [1] спектры АО массивов металлических частиц обладают резонансной особенностью, имеющей плазмонное происхождение, а их масштаб \Delta R/R \sim 0.1 на два порядка величины превосходит масштаб спектров АО чистой поверхности InAs(001). Существенно, что анизотропная структура массивов частиц не выявляется стандартными методами диагностики (АСМ, СЭМ). Поэтому актуальной задачей является объяснение наблюдаемых спектров АО и оценка соответствующей анизотропии слоя частиц.

В этой работе представлена теория анизотропного отражения света от массива металлических кластеров. В качестве модели рассматривается слой эллипсоидальных наночастиц с полуосями $a_x, a_y$ и a_z , расположенных в узлах прямоугольной решётки \boldsymbol{\rho}_\mathbf{n}=n_x A_x \mathbf{e}_x+n_y A_y \mathbf{e}_y с периодами A_x и A_y на расстоянии h от поверхности полупроводника. Предполагается, что частицы поддерживают дипольные плазмоны и обладают анизотропной резонансной поляризуемостью

\chi^{(0)}_{\alpha\alpha}=\frac{a_x a_y a_z}{3} \frac{\varepsilon-\varepsilon_1}{(\varepsilon-\varepsilon_1)N^{(\alpha)}+\varepsilon_1}.\hfill(2)

Здесь \varepsilon и \varepsilon_1 - проницаемости материала частицы и окружающей среды, N^{(\alpha)} - коэффициенты деполяризации эллипсоида по осям \alpha=x,y.

Cамосогласованное решение электродинамической задачи в приближении точечных диполей [2] дает главные компоненты эффективной поляризуемости частиц в массиве

\chi_{\alpha\alpha}=\chi^{(0)}_{\alpha\alpha}\left[ 1-\frac{\chi^{(0)}_{\alpha\alpha}}{\varepsilon_1}\left(S^{(d)}_\alpha +\frac{\varepsilon_1-\varepsilon_2}{\varepsilon_1+\varepsilon_2} S^{(i)}_\alpha (h)\right ) \right ]^{-1}. \hfill(3)

Квазистатические решёточные суммы S^{(d)}_\alpha и S^{(i)}_\alpha  учитывают прямое взаимодействие дипольных плазмонов и взаимодействие с их изображениями в границе сред; \varepsilon_2 - диэлектрическая проницаемость полупроводника, \alpha=x,y. Коэффициенты поляризованного отражения, входящие в формулу (1), равны

R_\alpha=\left|r^{(0)}+\Delta r_\alpha \right|^2. \hfill(4)

Здесь r^{(0)} - амплитудный коэффициент отражения от интерфейса в отсутствие частиц, а

\Delta r_\alpha=\frac{2\pi i}{\sqrt{\varepsilon_1}} \frac{\omega}{c} \frac{\chi_{\alpha\alpha}}{A_x A_y} \left[ \exp(-i\Phi)+r^{(0)}\exp(i\Phi) \right ]^2 \hfill(5)

 - анизотропный вклад массива частиц, зависящий от фазы \Phi=\sqrt{\varepsilon_1}\frac{\omega}{c}h. В такой модели анизотропное отражение может быть связано либо с анизотропной поляризуемостью частиц (соотношение полуосей эллипсоидов a_y/a_x\neq1 ), либо с анизотропией действующего на частицы локального поля (соотношение периодов решётки A_y/A_x\neq1 ).

Выражение (3) для эффективной поляризуемости частиц можно привести к виду

\frac{1}{A_y A_x} \frac{\omega}{c}\chi_{\alpha\alpha}(\omega)\approx \frac{\Omega^2}{\omega^2_\alpha-\omega^2-i\omega\Gamma}, \hfill(6)

в котором его удобно использовать как феноменологическое при интерпретации экспериментальных спектров АО. Тогда оно соответствует лоренцевым плазмонным резонансам, обладающим различными частотами \omega_{x,y} для двух ортогональных поляризаций. В результате обработки наблюдавшихся спектров АО с помощью представления (6) найдена разность энергий плазмонов \hbar(\omega_x-\omega_y)\approx0.1 \textup{eV}, малая по сравнению со средним значением \hbar(\omega_x+\omega_y)/2\approx3.5 \textup{eV}. При этом величины \Gamma\approx1.1\textup{eV} и \Omega\approx0.8\textup{eV}, соответствующие ширине резонанса и силе осциллятора, считались одинаковыми для двух поляризаций.

В предложенной модели были получены и исследованы соотношения, связывающие характеристики плазмонных резонансов в массиве наночастиц с его структурой [2]. В силу соотношения |\omega_x-\omega_y|\ll\omega_{x,y} для наблюдавшихся спектров сначала были установлены параметры изотропной структуры a=20\textup{nm}, A=50\textup{nm}a_z/a=0.2 и h=12\textup{nm}. Затем было получено расщепление частот резонансов в линейном приближении по деформации сфероидов в эллипсоиды с a_{x,y}=a\mp\Delta a/2 и квадратной решётки в прямоугольную с A_{x,y}=A\pm\Delta A/2. Найдено, что анизотропия плазмонных резонансов (\omega_x-\omega_y)/\omega_\parallel\approx0.1/3.5 соответствует либо отношению полуосей эллипсоидов в плоскости слоя a_y/a_x\approx1.03, либо отношению периодов решётки A_x/A_y\approx1.13.

Таким образом, предложенная теория позволила проанализировать спектры анизотропного отражения от частиц In на InAs и оценить анизотропию массивов кластеров, исследованных в [1]. Дифференциальные спектры отражения, обусловленные анизотропными плазмонными модами, моделируются и для других пар "металл-полупроводник", экспериментальное исследование которых проводится в настоящее время.

Список литературы

  1. V.L. Berkovits, V.A. Kosobukin, V.P. Ulin, A.B. Gordeeva and V.N. Petrov, Plasmonic anisotropy of In nanocluster arrays on InAs(001) surface observed by differential reflectance spectroscopy, Surface Science, 632, L9-L12, 2015.

  2. В.А. Кособукин, А.В. Коротченков, Плазмонная спектроскопия анизотропного отражения света от наночастиц металла, находящихся на поверхности полупроводника, ФТТ, 58, № 12, 2016, в печати.



Оптические свойства упругонапряженных полупроводниковых гетероструктур InAlGaAs/InGaAs/InP спектрального диапазона 1520-1580 нм

Курочкин Александр Сергеевич1, Гладышев А. Г.2, Новиков И. И.2, Карачинский Л. Я.2, Блохин С. А.3, Блохин А. А.3, Надточий А. М.3, Денисов Д. В.2, Егоров А. Ю.1,2

1ИТМО

2ООО «Коннектор Оптикс»

3ФТИ

Эл. почта: alexander.kurochkin@connector-optics.com

Стандартно используемыми материалами активной области лазерных диодов (ЛД) спектрального диапазона 1520-1580 нм являются четверные твердые растворы арсенид-фосфидов InGaAsP [1]. Альтернативным подходом к созданию активной области ЛД является использование напряженных гетероструктур на основе тройных и четверных твердых растворов арсенидов InGaAs и InAlGaAs. Использование материалов InGaAs и InAlGaAs позволяет создать сильнонапряженные КЯ с несоответствием кристаллических решеток КЯ и подложки 1–2 % и посредством этого увеличить дифференциальное усиление ЛД [2]. При использовании напряженных полупроводниковых гетероструктур (НПГ) InAlGaAs/InGaAs/InP на формируемых гетерограницах образуется разрыв зоны проводимости. Отношение величины разрыва зоны проводимости к изменению ширины запрещенной зоны на гетерограницах ΔEc/ΔEg для НПГ InAlGaAs/InGaAs/InP может достигать значения 0.7, в то время как для гетероструктур InGaAsP/InP только 0.4. Использование НПГ InAlGaAs/InGaAs/InP позволяет реализовать гетероструктуры с большим контрастом показателя преломления на гетерограницах по сравнению с традиционно используемыми материалами InGaAsP/InP [3]. Повышение дифференциального усиления, рост квантовой эффективности (в силу уменьшения потерь носителей заряда, в том числе на Оже-рекомбинацию.) и малая температурная чувствительность НПГ InAlGaAs/InGaAs/InP являются основными преимуществами по сравнению с InGaAsP/InP [4]. В настоящей работе обсуждаются результаты исследования методом спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) оптических свойств упругонапряженных полупроводниковых гетероструктур InAlGaAs/InGaAs/InP, предназначенных для формирования активной области лазерных диодов, излучающих в спектральном диапазоне 1520-1580 нм, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии созданы экспериментальные образцы гетероструктур активной области лазерных диодов области с различной степенью рассогласования параметров кристаллической решетки слоев квантовых ям InGaAs относительно параметра кристаллической решетки подложки InP. Исследованы гетероструктуры с относительным несоответствием параметров кристаллической решетки слоев квантовых ям InGaAs в диапазоне от +1.0 до +2.0 %. Проведено исследование оптических свойств гетероструктур методом фотолюминесценции при различных температурах и мощностях накачки. В ходе проведенного исследования показано, что все образцы демонстрируют интенсивную ФЛ с максимумом соответствующим длине волны 1520 нм при комнатной температуре и имеют тенденцию к уширению пиков ФЛ по мере увеличения параметра рассогласования кристаллической решетки. Исследования оптических свойств при различных уровнях накачки показали, что лучшей эффективностью ФЛ обладают образцы с относительным несоответствием параметров кристаллической решетки +1.3 и +1.6 %. При увеличении рассогласования решеток до 2.0 % эффективностью ФЛ уменьшается в два с половиной - три раза во всем диапазоне плотностей накачки. Исследования влияния температуры на пиковую интенсивности сигнала ФЛ показали, что при увеличении температуры от 20 до 140о С пиковая интенсивности в таком широком диапазоне температур сигнала ФЛ падает всего в пять раз. Такое незначительное падения интенсивности ФЛ обеспечивается относительно высокой энергией локализации электронов в слоях квантовых ям, при этом во всем диапазоне температур доминирует рекомбинация через основное состояние КЯ.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы», шифр 2015-14-579-0014, соглашение № 14.579.21.0096, уникальный идентификатор RFMEFI57915X0096.

Список литературы

  1. Raring, J. W. Advanced integration schemes for high-functionality/high-performance photonic integrated circuits [Text] / J. W. Raring, M. N. Sysak, A. Tauke-Pedretti, M. Dummer, E. J. Skogen, J. S. Barton, S. P. DenBaars, L. A. Coldren // Integrated Optoelectronic Devices. – 2006. – P. 61260H-61260H.;
  2. Suemune, I. Theoretical study of differential gain in strained quantum well structures [Text] / I. Suemune // IEEE J. Quantum Electron. – 1991. –Vol. 27, № 5. – P. 1149-1159.;
  3. Allovon, M. Interest in AlGaInAs on InP for optoelectronic applications [Text] / M. Allovon, M. Quillec // IEE Proceedings J. – 1992. – Vol. 139, № 2. – P. 148-152.;
  4. Tandon, A. Low-threshold, high-T0 and high-efficiency 1300nm and 1500nm lasers with AlInGaAs active region grown by MOCVD [Text] / A. Tandon, D. P. Bour, Y. L. Chang, C. K. Lin, S. W. Corzine, M. R. Tan // Int. Opt. Dev. – 2004. – P. 206-217.;


Люминесцентные свойства нанокристаллических люминофоров Mg2SiO4:Eu3+

Коломыцев Антон Юрьевич1, Маньшина А. А., Колесников И. Е.

1СПбГУ

Эл. почта: kau210296@mail.ru

Исследование неорганических наноматериалов, активированных редкоземельными ионами, сейчас представляет большой интерес для науки и техники. Люминофоры на основе силикатов, арсенатов и других соединений, содержащих редкоземельные ионы, широко применяются в различных областях современной науки, например, для получения излучения с фиксированной длиной волны в светодиодах, в сцинтилляционных детекторах.

Перспективными областями применения соединений на основе оксидных матриц, легированных редкоземельными ионами являются создание твердотельных лазеров, а также биомаркеров для выявления различных заболеваний.

Одним из соединений, которое может быть использовано для подобных целей является Mg2SiO4:Eu3+. Преимуществом данного соединения является его нетоксичность и высокая устойчивость к внешним факторам, а также относительно невысокие затраты на синтез данного соединения.

Объектом исследования в ходе выполнения данной работы был выбрана концентрационная серия люминофора Mg2SiO4:Eu3+ с атомными концентрациями европия  2, 4, 8 и  12%.

В ходе выполнения данной работы была изучена концентрационная зависимость интенсивности люминесценции  и определена оптимальная концентрация европия в соединении – 8%. С превышением данной концентрации европия в образце возникает эффект концентрационного тушения люминесценции.

Были изучены спектры комбинационного рассеяния света данных образцов. Наиболее интенсивные пики соответствуют волновым числам  824, 856 и 1005 см-1

Также была исследована кинетика люминесценции и определены времена жизни метастабильного уровня 5D0.

Работапроводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РоссийскойФедерации в рамках соглашения по теме «Разработка метода синтеза наноразмерныхассоциированных гибридов для создания люминесцентных маркеров медико-биологическогоприменения». Соглашение №14.604.21.0078, уникальный идентификатор прикладных научныхисследований (проекта) RFMEFI60414X007. Также авторы выражают благодарность РЦ«Оптические и лазерные методы исследования вещества», «Нанотехнологии» и"Рентгенодифракционные методы исследования" Научного парка СПбГУ.

Список литературы

  1. Чукова Ю. П. Антистоксова люминесценция и новые возможности ее применения. – Сов. радио, 1980;

  2. Kolesnikov I. E. et al. Eu3+ concentration effect on luminescence properties of YAG: Eu3+ nanoparticles //Optical Materials. – 2014. – Т. 37. – С. 306-310;

  3. Kolesnikov I. E. et al. Structural and luminescence properties of MgAl 2O4: Eu3+ nanopowders //Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Т. 654. – С. 32-38;

  4. Iishi K. Lattice dynamics of forsterite //American Mineralogist. – 1978. – Т. 63. – №. 11-12. – С. 1198-1208;



Nonradiating anapole modes of dielectric microparticles in terahertz range

Terekhov Pavel Dmitrievich1, Baryshnikova K.V.1, Evlyukhin A.B. 1,2, Khromova I.A.1,3,, Shalin A.S.1

1ITMO University, Saint-Petersburg, Russia

2Laser Zentrum Hannover e.V., Germany

3King's College, London, United Kingdom

Эл. почта: terekhovpd@gmail.com

Nonradiating current configurations are very perspective research area. There configuration can be successfully used for effective cloaking and concealing of different objects. One of disputed nonradiating sources is known as anapole. Recently it was suggested as a classical model of elementary particle for description of dark matter. There is an analogue of anapole in electrodynamics - it is combination of electric and toroid dipole moments. The classical particle for anapole researches is toroidal nanoparticle. Toroidal and dipole moment irradiations can destructively interfere with total suppression of far-field radiation [1,2]. Recently it was demonstrated for visible range, that anapole modes could be exited in silicon nanocilinder [2].

Here we numerically confirm existence of a radiationless anapole mode in terahertz range. In this work we are using TiO2 particles which have extremely high dielectric permittivity \varepsilon \approx 100. We achive the spectral overlapping of the toroidal and electric dipole modes through geometry tuning and observe a highly pronounced dip in the far-field scattering. At the same time we can note the specific near-field distribution, associated with the anapole mode. We also achieve toroidal and electric dipole modes overlapping at the resonant frequency with total suppressing of total electric dipole moment. Possibility of total suppressing of scattering spectral resonances is also considered.

The anapole physics gives us a lot of possibilities to study electromagnetic properties of nontrivial excitations of complex fields. This effect has a huge actuality in the area of metamaterials and nanophotonics.

This work was supported, in part, by the Russian Fund for Basic Research within the project 16-52-00112.

Список литературы

  1. Miroshnichenko A. E. et al. Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles //Nature communications. – 2015. – Т. 6.;
  2. Basharin A. A. et al. Dielectric metamaterials with toroidal dipolar response //Physical Review X. – 2015. – Т. 5. – №. 1. – С. 011036.;


Примесный состав кубических кристаллов алмаза из россыпей северо-востока сибирской платформы

Рахманова Мариана Ивановна1

1ИНХ СО РАН

Эл. почта: rakhmanova_m@mail.ru

Несмотря на значительный объем исследований алмазов, многие принципиальные стороны их генезиса остаются неясными. В частности, мало изучен вопрос о взаимосвязи морфологии с дефектно-примесным составом различных типов алмаза. Исследование зон роста и различных неоднородностей кристаллической структуры позволяет выявить закономерности образования и роста кристаллов.

Нами была изучена коллекция кубических кристаллов алмаза (окрашенные и бесцветные) из россыпей северо-востока Сибирской платформы. Детальное исследование внутренней морфологии было возможно благодаря тому, что наиболее интересные из них были разрезаны на пластины. Нами применен ряд методов: поляризационно-оптический, позволяющий установить механические напряжения; фотолюминесцентный, выявляющий точечные дефекты; ИК спектроскопии, устанавливающий присутствие и локализацию примесей, и ЭПР позволяющий охарактеризовать структурное положение примесей в кристаллах.

Как следует из ИК данных, часть изученных кристаллов алмаза (в основном бесцветные) содержат только А-центры (два атома азота, изоморфно замещающие углерод в соседних позициях структуры) и относятся к типу IаА по физической классификации алмазов. Помимо А-дефекта (пики 1282, 1215 см-1) в исследуемых кристаллах часто регистрируется С-дефект (одиночный атом азота, замещающий углерод в структуре) с основными линиями 1135, 1344 см-1. В большинстве кристаллов регистрируются оба эти центра. В части кристаллов (оерашенные) присутствует спектр, пики которого не могут быть четко отнесены ни к одному из вышеупомянутых дефектов (пики 1135-1145 (Y-center), 1240, 1270, 1290-1295 and 1350-1380 см-1) [1]. Также во всех кристаллах регистрируется линия 1332 см-1, относящаяся к состоянию азота N+ [2]. Методом ЭПР-спектроскопии во всех изученных кристаллах алмаза также было установлено присутствие одиночных атомов азота.

Спектры фотолюминесценции были записаны при температуре 80К с возбуждением длинами волн 313 и 532 нм. Отличительной чертой спектров ФЛ окрашенных кубических кристаллов является присутствие двух интенсивных электронно-колебательных систем с близко расположенными бесфононными линиями – 635.7 и 637 нм. Модель центра 637 надежно установлена и обусловлена одиночным атомом азота, изоморфно замещающим углерод и связанным с вакансией в структуре (NV-). Центр 635.7 изучен достаточно слабо. В работе [3] показано, что центр является классической электронно-колебательной системой, у которой спектры возбуждения и эмиссии являются зеркальными отражениями друг друга. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что изучаемый дефект может являться центром окраски в алмазе. В спектрах некоторых образцов с центром 635,7 нм наблюдаются узкие линии 612,0 и 617,0 нм. Эти линии были отмечены в алмазах смешанного типа Ib-IaAB [4], [5], однако природа этих дефектов не была изучена. В окрашенных кристаллах так же регистрируются центры N3 (три замещающих атома азота, образующими треугольник в плоскости (111) (т.н. «треугольник Митчелла») и вакансия), S1 (титан в положении двойной полувакансии с одним атомом азота в первой координационной сфере [6]) и 553.5 нм (природа данного центра не известна). Бесцветные образцы характеризуются слабыми центрами N3, 612.4 нм и 637 нм.

В результате проведенных исследований было установлено, что окрашенные алмазы кубического габитуса характеризуются набором оптических дефектов, которые проявляются в различной степени в зависимости от окраски кристаллов (от желтовато-зеленых до желтых и оранжевых разного тона).

Список литературы

  1. Hainschwang T., Fritsch E., Notari F., Rondeau B.. A new defect center in type Ib diamond inducing one phonon infrared absorption:The Y center. Diamond&RelatedMaterials 21 (2012) 120–126.;
  2. Lawson S.C., Fisher D., Hunt D.C, Newton M.E.. J. Phys.:Cond. Matter 10 (1998) 6171.;
  3. Зудина Я. Н., Титков С. В., Сергеев А. М., Зудин Я. Г.. Особенности центров фотолюминесценции в кубических алмазах с различной окраской из россыпей северо-востока Сибирской платформы. Записки российского минералогического сообщества ч. CXLII, М 4 2013;
  4. Smith P., Bosshart G., Ponahlo J., Hammer V.M.F., Klapper H., Schmetzer K., 2000.GEPOLdiamonds: beforeandafter.Gems & Gemology36, 192-215.;
  5. Hainschwang T., Notari F., Fritsch E., Massi L., 2006.Natural, untreated diamonds showing the A, B and C infrared absorptions (“ABC diamonds”), and the H2 absorption. Diamond and Related Materials 15, 1555–1564.;
  6. Nadolinny V.A., Yuryeva O.P., Shatsky V.S., Rakhmanova M.]., Stepanov A.S., Kupriyanov I.N., Zedgenizov D.A. New Data on the nature of the EPR OKI and N3 Centers in Diamond // Appl. Magn. Reson. - 2009. - V.36. - P. 97-108.;


Исследование процесса мультиплексирования в маломодовом волокне на пучках Лагерра-Гаусса

Ильясова Арифе Айдеровна, Халилов С. И., Рыбась А. Ф.

1КФУ им. Вернандского

Эл. почта: arife-ilyasova@mail.ru

Вопрос об увеличении пропускной способности волоконных линий связи широко обсуждается в научной сфере. Как известно, технологии мультиплексирования и демультиплексирования сигналов в оптическом волокне позволяют увеличить пропускную способность волоконных линий связи. В своей работе мы использовали не стандартные Гауссовы пучки, а пучки Лагерра-Гаусса, которые благодаря спин-орбитальному взаимодействию угловых моментов пучка, имеют разные постоянные распространения, это существенно позволяет увеличить количество каналов для передачи информации в волокне.

В своем эксперименте мы использовали навитое маломодовое волокно. В ходе эксперимента было обнаружено, что в зависимости от количества витков и шага между ветками можно добиться таких условий, при которых происходит высветка высших мод, и часть мод смещается на периферию пучка. Таким образом, вдоль оптической оси распространяется вихревая мода.

И на выходе волокна, проанализировав суперпозицию пучков по модовому составу, мы  уже можем различить входной сигнал. Основная проблема заключается в том, что в волокне из-за спин-орбитального взаимодействия угловых моментов пучков, состояние топологических зарядов оптических вихрей и состояние поляризации пучков, смешиваются. Для решения этой проблемы мы используем Дифференциальный Стокс-поляриметр, позволяющий определить полное состояние поляризации пучка.

В работе экспериментально были получены картины интенсивности и распределения поляризации сложного пучка переносящего два сигнала с различными комбинациями состояния циркулярной поляризации и орбитального момента. На основе параметров Стокса была построена картина распределения поляризации. Зная поляризационную картину после волокна, мы можем анализировать модовый состав поля излучения и состав сигнала на входе в волокно. Тем самым проанализировав суперпозицию пучков по модовому составу, возможно различить входной сигнал, проведя его окончательное демультиплексирование.

Список литературы

  1. Борн М., Вольф Э., Основы оптики, М.: Наука, с. 720, 1973;
  2. Cнайдер А., Лав Дж., Теория оптических волноводов, М: Радио и связь, с. 358-376, 1987 ;
  3. Berry M. Singularities in waves and rays, In: R. Ballan. Physics of defects. North Holland Publishing Company, р. 456-543, 1981;


Подавление множественной филаментации субтераваттных УФ импульсов в ксеноне

Рябчук Сергей Васильевич1, Гончаров С. А.1, Мокроусова Д. В.2, Селезнев Л. В.2, Сунчугашева Е. С.2, Устиновский Н. Н.2, Шутов А. В.2, Зворыкин В. Д.2

1НИЯУ МИФИ

2ФИАН

Эл. почта: ryaservas@gmail.com

При усилении субпикосекундных УФ лазерных импульсов на гибридной Ti:Sa–KrF лазерной системе ГАРПУН-МТВ на протяженной воздушной трассе (~ 100 м) лазерный пучок оказывается неустойчивым, так как пиковая мощность излучения ≤ 1 ТВт на 3-4 порядка превышает критическую мощность самофокусировки (~ 0.1 ГВт) для длины волны 248 нм [1]. Самофокусировка пучка происходит из-за положительной нелинейной добавки к показателю преломления в воздухе и окнах KrF усилителей и приводит к множественной филаментации – распаду пучка на множество нитей – филамент с характерным диаметром ~ 300 мкм, интенсивность в которых достигает 0,2 ТВт/см2, что примерно в 200 раз превышает среднюю интенсивность пучка. Множественная филаментация приводит к деградации окон усилителей и возрастанию нелинейных потерь, а также ухудшает фокусировку лазерного пучка на мишени [2].

В настоящей работе продемонстрировано, что множественная филаментация лазерного пучка, который содержит примерно 300 филамент, может подавляться в ксеноне, обладающем большим отрицательным нелинейным показателем преломления на длине волны KrF лазера [3]. Усиленные импульсы пикосекундной длительности с энергий ~ 0,1 Дж пропускались через ячейку c ксеноном длиной 2,5 м при давлении до 1 атм. После ячейки вследствие керровской дефокусировки (процесс обратный самофокусировке) филаменты распадались. Сглаженными оказались и интенсивные неоднородности пучка. Измеренные потери энергии при распространении в ксеноне составили около 20%. При фокусировке пучка сферическим зеркалом с фокусом 250 см использование ячейки с ксеноном приводило к уменьшению диаметра пятна фокусировки.

При распространении УФ излучения в ксеноне в этих же экспериментах было зарегистрировано узкополосное когерентное излучение на длине волны 828 нм на переходе 6р[1/2]→6s [3/2]10, обусловленное двухквантовым резонансным возбуждением верхнего уровня. Оно представляло собой коническую эмиссию под углом ~ 4 мрад к излучению накачки, обусловленную предположительно вынужденным гипер-рамоновским рассеянием. Такое рассеяние с генерацией континуумов в различных спектральных диапазонах в виде утолщенных колец наблюдалось ранее в работе [4]. В нашем случае монохроматическая коническая эмиссия от каждого филамента в фокальной плоскости имела вид тонкостенного кольца.

Список литературы

  1. Zvorykin V.D., Ionin A.A., Levchenko A.O., et al., Multiple filamentation of supercritical UV laser beam in atmospheric air, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 355, 227-231, 2015;
  2. Zvorykin V.D., Ionin A.A., Levchenko A.O., et al., Ti:sapphire/KrF hybrid laser system generating trains of subterawatt subpicosecond UV pulses, Quantum Electronics, 44, 431, 2014;
  3. Lehmberg R.H., Pawley C.J., Deniz A.V., Klapisch M. and Leng Y., Two-photon resonantly-enhanced negative nonlinear refractive index in xenon at 248 nm, Opt. Commun. 121, 78, 1995;
  4. Tünnermann A., Mossavi K. and Wellegehausen B., Nonlinear-optical processes in the near-resonant two-photon excitation of xenon by femtosecond KrF-excimer-laser pulses, Phys. Rev. A ,46, 2707, 1992;


Нелинейные оптические свойства металло-диэлектрических наночастиц типа ядро-оболочка для современных оптических применений

Зограф Георгий Петрович1, Макаров С. В.1, Миличко В. А.1, Мухин И. А.1,2, Зуев Д. А.1, Убейвовк Е. Г.1,3, Белов П. А.1

1ИТМО

2СПб АУ РАН​

3СПбГУ

Эл. почта: g.zograf@metalab.ifmo.ru

Плазмонные наночастицы имеют широкую область применения, в том числе оптике и биомедицине [1], благодаря их способности локально усиливать поле. Тем не менее, они имеют некоторые ограничения, связанные с высокими диссипативными потерями и наличием резонансов только электрической природы в структурах простой формы (сферы, стержни и т.д.). С другой стороны, диэлектрические наночастицы с высоким показателем преломления и низким коэффициентом поглощения способны поддерживать сильные электрические и магнитные резонансы в видимой области спектра [2]. Поэтому диэлектрические наноантенны обладают низкими потерями и могут быть использованы для эффективного управления светом на наномасштабе за счет интерференции электрических и магнитных мультиполей [3]. Наша цель состоит в объединении преимуществ обоих типов наноантенн - плазмонных и диэлектрических.

Недавно было продемонстрировано, что сферические нанорезонаторы с высоким показателем преломления могут быть изготовлены из кристаллического кремния при помощи фемтосекундной лазерной абляции аморфных пленок [4]. В данной работе, мы применяем эту методику для создания наночастиц типа ядро-оболочка из тонких золотых и аморфных кремниевых пленок. Резонансные свойства полученных наночастиц зависят от их размеров, которые могут быть заданы при помощи выбора золотых и кремниевых пленок подходящих толщин.

Преимуществом предложенного нами метода является то, что фемтосекундная лазерная печать позволяет получать частицы широкого спектра размеров. Проведенный ряд экспериментальных работ по темнопольной спектроскопии полученных наночастиц хорошо согласуется с численными расчётами. Способность управлять положением резонансов, при помощи подбора соответствующих пленок золота и кремния, дает возможность использовать частицы в качестве основы для создания биодатчиков, направленных нанолазеров и других оптических приложений. В частности, мы исследовали нелинейные оптические свойства таких гибридных наночастиц для создания на их основе широкополосных наноразмерных источников света.

Список литературы

  1. A.E.Krasnok et al, Physics-Uspekhi, 56, 539-564, 2013;
  2. A.I.Kuznetsov et al, Sci Rep., 2, 492, 2012;
  3. A.E.Krasnok et al, Nanoscale, 6, 7354-7361, 2014;
  4. P.A.Dmitriev et al, Nanoscale, 8, 5043, 2016;


Магнитоструктурный фазовый переход, решеточная и магнитная динамика квазиодномерного антиферромагнетика Ni3(BO3)2

Просников Михаил Алексеевич1, Писарев Р. В.1, Давыдов В. Ю.1, Смирнов А. Н.1, Попова М. Н.2, Болдырев К. Н.2, Молчанова А. Д.2, Пашкевич Ю. Г.3, Журавлев А. В.3

1ФТИ

2ИСАН

3ФТИ им. А.А. Галкина

Эл. почта: yotungh@gmail.com

Ортоборат никеля Ni3(BO3)принадлежит ромбической пространственной группе Pnnm (#58, Z=2), магнитные ионы Ni2+ (S=1) занимают два типа неэквивалентных кристаллографических позиций 2и 4f [1]. Ниже температуры Нееля TN=46 K формируется антиферромагнитная струкутра с доминирующим антиферромагнитным вектором L || c [2], образованная квазиодномерными ферромагнитными лентами расположенными вдоль оси a.

Исследована решеточная и магнитная динамика взаимодополняющими методами поляризационной Рамановской и ИК спектроскопии. Обнаружены все предсказанные теорией групп фононы, изучены температурные зависимости их параметов. Обнаружено взаимодействие спиновой и решеточной подсистем, проявляющееся в спин-фононном взаимодействии для части фононов. Также наблюдалось изменение правил отбора в фононных спектрах комбинационного рассеяния и появление новых линий в спектрах ИК поглощения. Эти наблюдения указывают на сосуществование совместного магнитоструктурного фазового перехода.

В низкочастотной области магнитоупорядоченной фазы как в КРС, так и в ИК спектрах наблюдаются сильнополяризованные одномагнонные возбуждения. В Рамановском рассеяниии дополнительно наблюдаются широкие полосы одноионных (single-ion) возбуждений.

Проведен детальный симметрийный анализ возможных магнитных подгрупп для соответствующегомагнитного вектора k=(0,1/2,1/2) Предлагаются модели магнитоструктурного перехода и дисперсии спиновых волн для ферромагнитных лент образующих сложную магнитную структуру, находящиеся в согласии с экспериментальными наблюдениями.

Работа поддержана грантами правительства Российской Федерации (#14.B25.31.0025), РФФИ (№15-02-04222a), РНФ (№16-12-10456).

Список литературы

  1. Pardo J., Martinez-Ripoll M., Garcia-Blanco S., The crystal structure of nickel orthoborate, Ni_3(BO_3)_2, Acta Crystallographica Section B: Structural Crystallography and Crystal Chemistry 30, 37 (1974);
  2. Bezmaternykh L.N., Sofronova S.N., Volkov N.V., Eremin E.V., Bayukov O.A., Nazarenko I.I., et al., Magnetic properties of Ni_3B_2O_6 and Co_3B_2O_6 single crystals, physica status solidi (b). 249(8):1628–33, (2012);
  3. Pisarev R.V., Prosnikov M.A., Davydov V.Y., Smirnov A.N., Roginskii E.M., Boldyrev K.N., et al., Lattice dynamics and a magnetic-structural phase transition in the nickel orthoborate Ni_3(BO_3)_2, Phys Rev B,93(13), 134306, (2016);


Исследование электронной динамики в системе GaAs:Te методом спектроскопии спиновых шумов

Беляев Леонид Юрьевич1, Рыжов И. И.1, Козлов Г. Г.1, Запасский В. С.1

1СПбГУ

Эл. почта: lenyabelyaev@mail.ru

Использование спина в качестве носителя и передатчика информации имеет мощный прикладной потенциал, поэтому исследование свойств спиновых систем является одной из важнейших задач современной физики. Метод спектроскопии спиновых шумов (ССШ) является очень молодой и бурно развивающейся экспериментальной методикой, позволяющей наблюдать за поведением спиновых систем в состоянии термодинамического равновесия. Отличительной чертой ССШ является принципиально невозмущающий характер измерительной процедуры. Пробный свет действует в области прозрачности среды и не вызывает никаких реальных оптических переходов [1].

Метод ССШ был предложен еще в 1981 году Е.Б. Александровым и В.С. Запасским [2], однако широкое практическое распространение получил только в последнее десятилетие, в том числе и для исследования полупроводниковых систем [3,4].

Известно, что общая намагниченность реальной спиновой системы, находящейся в постоянном хаотическом движении, в каждый момент времени случайно отклоняется от своего среднего значения. Согласно флуктуационно-диссипационной теореме, шумы данной системы, находящейся в магнитном поле, должны обнаруживать пик на частоте магнитного резонанса. Намагниченность среды может быть определена оптически по повороту плоскости поляризации (эффект Фарадея) прошедшего через нее света. Следовательно, флуктукации намагниченности будут приводить к флуктуациям фарадеевского вращения.

Приводятся результаты исследования электронных спиновых шумов в системе bulk GaAs, легированной Te. Были исследованы несколько образцов с различной степенью легирования. Регистрация шумов магнитного вращения плоскости поляризации производилась в конфигурации Фохта. Частотный спектр шумов изучался как функция от магнитного поля, температуры образца, мощности и длины волны лазерного излучения. 

Список литературы

  1. Zapasskii V.S., Spin-noise spectroscopy: from proof of principle to applications, Adv. Opt. Photon., 5, 131, 2013;
  2. Aleksandrov E.B., Zapasskii V.S., Magnetic resonance in the Faraday rotation noise spectrum, Zh. Eksp. Teor. Fiz, 54, 64, 1981;
  3. Oestreich M., Römer M., Haug R.J., Hägele D,Spin noise spectroscopy in GaAs, Phys. Rev. Lett. 95, 216603, 2005;
  4. Crooker S, Cheng L, Smith D., Spin noise of conduction electrons in n-type bulk GaAs, Phys. Rev. B 79, 035208, 2009;


Изучение Fano эффекта в кристалле Na1/2Bi1/2TiO3 с помощью Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света

Дерец Никита Кириллович1, Федосеев А. И.2, Лушников С. Г.2, Коджима С.3

1СПбГУ

2ФТИ

3Institute of Materials Science, University of Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki 305-8573, Japan

Эл. почта: marshalrets@mail.ru

Натрий-висмутовый титанат Na1/2Bi1/2TiO3 (NBT) относится к числу сложнокомпонентных перовскитов типа ABO3, в которых кристаллографические А-позиции заняты ионами разного сорта и разной валентности. Хотя кристаллы NBT известны давно [1], в последнее время они привлекают большое внимание исследователей как «экологически чистые» соединения, свободные от ионов свинца, с уникальными для промышленности пьезоэлектрическими свойствами. С научной точки зрения кристаллы NBT интересны тем, что испытывают «богатую» последовательность фазовых переходов, показывая при этом необычные диэлектрические и сегнетоэлектрические свойства. Следует отметить, что до сих пор не сформировалась единая точка зрения на динамику происходящих изменений  в ходе фазовых превращений в данном кристалле.

В настоящей работе приведены результаты исследований Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния  (МБР) света в широком температурном интервале, охватывающем последовательно при понижении температуры кубическую, тетрагональную и тригональную фазы в монокристалле NBT. В температурном диапазоне 820 – 300 К в экспериментальных спектрах обнаружены квазиупругое рассеяние света и искажение формы фононных спектров (Fano эффект). Предполагается, что эти два наблюдаемых явления тесно взаимосвязаны. Аналогичное поведение низкочастотного колебательного спектра было недавно обнаружено и  проанализировано в экспериментах по комбинационному рассеянию света в кристаллах KTa1-xNbxO3 [2]. Мы провели подобный анализ наших МБР-спектров в NBT для их адекватного качественного описания и получения количественных характеристик наблюдаемого Fano эффекта.

Список литературы

  1. Г.А. Смоленский, В.А. Исупов, А.И. Аграновская, Н.Н. Крайник. ФТТ, 11 (1960) 2982;

  2. M.M. Rahaman, T. Imai, T Sakamoto, S. Tsukada, S. Kojima. Scientific Reports 6, Article number: 23898 (2016);



Tuning of optical properties of hybrid dimer nanoantennas via fs-laser melting at nanoscale

Kolodny Stanislav Alexandrovich1, Sun Y.2, Lepeshov S.1, Zuev D.1, Krasnok A.1, Belov P.1

1National Research University ITMO, Russia

2Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei, China

Эл. почта: s.kolodny@metalab.ifmo.ru

Hybrid nanostructures, comprising dielectric and plasmonic (metal) components, can enhance or alter optical properties that are distinct from those of the corresponding pure dielectric/metal components. A special class of the hybrid nanostructures is the one based on plasmonic (e.g. gold, silver) and high-index dielectric nanoparticles (e.g. silicon, germanium). Because of the high-index dielectric nanoparticles these hybrid structures have artificial resonant magnetic response in the visible range, and the plasmonic ones provide a strong electric field enhancement. Moreover, it has recently been experimentally demonstrated that asymmetric hybrid metal-dielectric (Au/Si) nanoparticles which consist of a plasmonic nanodisc placed on the top of a truncated silicon nanocone, can be tuned via fs-laser melting at nanoscale [1].

 We have studied hybrid dimer nanoantennas consisting of asymmetric metal-dielectric (Au/Si) nanoparticles, and have proposed a practical way to tune their near- and far-field properties via fs-laser melting at nanoscale. We have demonstrated numerically the modification of scattering properties, the near electric field, and the Purcell factor of such pair (dimer) hybrid nanoantennas after the fs-laser reshaping. It was shown that the selective fs-laser modification (reshaping) of the metal components of the hybrid nanoparticles without affecting dielectric ones is applied to complete the fabrication process and precisely tailoring magnetic and electric optical resonances of the nanoparticles. Also, we have observed the changing of local electric field and its increasing in the gap of pair hybrid nanoantennas after the fs-laser reshaping. We have calculated the Purcell factor for two cases of the small dipole located close to a single hybrid nanoparticle, and to the dimer hybrid nanoantennas. We have noticed that the position of Purcell factor resonances changes after the modification of gold nanoparticles. The value of Purcell factor strongly depends on the distance between dipole and nanoantenna and the gold nanoparticle shape.

In conclusion, we belive that the results lay the groundwork for the fine-tuning of hybrid nanoantennas arrays and can be applied for effective light manipulation, as well as biomedical and energy applications.

Список литературы

  1. D. A. Zuev et al,Fabrication of Hybrid Nanostructures via Nanoscale Laser-Induced Reshaping for Advanced Light Manipulation, Advanced Materials, 28, 3087-3093, 2016;


Описание плазмонных резонансов в неупорядоченных нанокомпозитах с помощью теории случайных матриц

Олехно Никита Андреевич1,2, Бельтюков Я. М.1

1ФТИ

2СПбАУ НОЦ НТ

Эл. почта: olekhnon@gmail.com

Тонкопленочные нанокомпозиты, в которых частицы металла случайным образом расположены на подложке из диэлектрика или полупроводника, обладают рядом интересных свойств, причиной которых является резонансный характер взаимодействия таких систем с электромагнитным излучением. При падении на такую пленку излучения в видимом или инфракрасном диапазоне в системе металлических частиц возбуждаются коллективные колебания электронной плотности - плазмонные резонансы [1]. Особо интересны системы на пороге перколяции, в которых образуется разветвленный металлический кластер, соединяющий противоположные стороны образца - в таком случае наиболее сильно проявляются гигантские флуктуации локальных электрических полей, являющиеся причиной поверхностно-усиленного рамановского рассеяния, а также усиливаются поглощение и различные оптические нелинейности [2]. Отдельный интерес представляет плотность резонансов в таких системах, поскольку она не только определяет вид спектра поглощения композита, но и является ключевой характеристикой для описания эффекта Парселла - изменения скорости спонтанной эмиссии излучателей (например, молекул или квантовых точек) в случае, когда они находятся на поверхности композита.

Одна из моделей, используемых для теоретического описания таких сред, состоит в замене исходной системы дискретной решеткой, связи которой представляют собой импедансы двух сортов, отвечающие металлическим или диэлектрическим областям, соответственно. Такой подход учитывает особенности локальной геометрии и хорошо подходит для описания флуктуаций электрических полей [2]. Система уравнений Кирхгофа для определения резонансов в такой случайной сети сводится к решению обобщенной задачи на собственные значения [3]

\displaystyle (\hat{K}-\lambda(\hat{K} + \hat{C}))\varphi =0,

где \hat{K} - матрица обратных индуктивностей для связей "металлического'' типа: ее матричный элемент K_{ij}равен обратному значению индуктивности, напрямую соединяющей узлы i и j, при этом диагональные элементы дополнены по правилу сумм K_{ii} = - \sum_{j \neq i}K_{ij}. "Диэлектрическим'' связям отвечает \hat{C} - построенная аналогичным образом матрица емкостей между узлами. Собственный вектор \varphi описывает распределение потенциала на узлах решетки для резонансной моды с соответствующим собственным числом \lambda, связь которого с резонансной частотой для исходного композита \omega задается выражением \lambda = \varepsilon_d(\omega)/(\varepsilon_d(\omega) - \varepsilon_m(\omega)). Таким образом, достаточно определить спектр собственных чисел \lambda, зависящих только от геометрии сети, а спектр резонансных частот может быть построен для произвольных диэлектрических функций компонент \varepsilon_m(\omega)\varepsilon_d(\omega) с помощью явного преобразования [4].

Однако, теоретически описать распределение собственных чисел такой задачи в зависимости от ключевых параметров (доли металлических включений p и типа используемой для дискретизации решетки) пока не удавалось - аналитически в рамках теории случайных матриц с использованием гауссовых ансамблей был рассмотрен лишь случай сетей с квазиодномерной топологией [5,6]. Такой случай не связан напрямую с описанием резонансов в композитах, более физичные двумерные и трехмерные сети рассматривались лишь численно [3].

В настоящей работе для описания спектра резонансов в неупорядоченных композитах в рамках теории случайных матриц использован ансамбль Якоби. Такой ансамбль возникает естественным образом, поскольку матрицы \hat{K} и \hat{C} отрицательно определены, и могут быть представлены в виде \hat{K}=-\hat{A}\hat{A}^{T}, \hat{C}=-\hat{B}\hat{B}^{T}. При этом строкам матриц \hat{A} и \hat{B} соответствуют узлы сети, а столбцам - "металлические'' или "диэлектрические'' связи [7]. Плотность состояний для такого ансамбля дается формулой [8]

      \rho(\lambda) = (a+b)\frac{\sqrt{(\lambda-\lambda_{-})(\lambda_{+}-\lambda)}}{2\pi \lambda (1-\lambda)},

где \lambda_{\pm} = (\sqrt{a^2 + ab-a} \pm \sqrt{b})^2/(a+b)^2, а a и b - отношения количества столбцов к количеству строк в матрицах \hat{A} и \hat{B}. Показано, что значения параметров a и b для случайной сети в виде решетки с координационным числом z и фактором заполнения металлическими связями p задаются выражениями

a = pz/2 , b = (1-p)z/2 .

Полученная формула дает очень хорошее согласие с результатами численных расчетов для сетей различной топологии во всем диапазоне значений фактора заполнения p.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (16-32-00359) и фонда "Династия''.

Список литературы

  1. В.В. Климов. Наноплазмоника, М.: Физматлит, 2009. 480 с.;
  2. A.K. Sarychev, V.M. Shalaev. Electromagnetic field fluctuations and optical nonlinearities in metal-dielectric composites, Physics Reports 335, 275-371 (2000);

  3. Th. Jonckheere, J.M. Luck. Dielectric resonances of binary random networks, J. Phys. A 31, 3687-3717 (1998);

  4. Н.А. Олехно, Я.М. Бельтюков, Д.А. Паршин, Спектральные свойства плазмонных резонансов в решеточной модели бинарных нанокомпозитов, Письма в ЖЭТФ 103, 657-661 (2016);

  5. Yan V. Fyodorov, Spectral Properties of Random Reactance Networks and Random Matrix Pencils, J. Phys. A: Math. Gen. 32, 7429-7446 (1999);

  6. J. Staring, B. Mehlig, Yan V. Fyodorov, J.M. Luck. On random symmetric matrices with a constraint: the spectral density of random impedance networks, Phys. Rev. E 67, 047101 (2003);

  7. Я.М. Бельтюков, Применение теории случайных матриц к описанию колебаний в гранулярных средах, Письма в ЖЭТФ 101, 377-341 (2015);

  8. L. Erdos, B. Farell, Local Eigenvalue Density for General MANOVA Matrices, J. Stat. Phys. 152, 1003-1032 (2013);



Изучение связывающей способности альбумина и фуллернола методом лазерной корреляционной спектроскопии

Савченко Е.А.1, Непомнящая Э. К.1, Величко Е. Н.1, Аксенов Е. Т.1, Богомаз Т.А,1

1СПбПУ

Эл. почта: savchenko-spbstu@mail.ru

В настоящее время одной из актуальных задач в медицине является поиск различных методов исследования транспортных свойств альбумина. Данный белок способен связывать большое количество органических и неорганических веществ, что и определяет главную функции белка транспорт метаболитов и лекарственных препаратов. При патологиях альбумин теряет способность к связыванию в силу конформационных преобразований, происходящих с молекулой при заболеваниях. В данной работе используется метод лазерной корреляционной спектроскопии для оценки связывающей способности молекулы альбумина. Этот метод позволяет получить информацию о гидродинамическом радиусе молекулы через коэффициент диффузии дисперсных частиц в жидкости путем измерения времени корреляции рассеянного света [1, 2].

В процессе работы был разработан измерительный стенд, который состоял из трех основных частей: полупроводникового лазера с длиной волны λ = 650 нм и мощностью излучения до 2.5 мВт; измерительной кюветы с исследуемым раствором; и регистрирующего блока, в котором рассеянное излучение оцифровывалось и передавалось на компьютер для построения временной автокорреляционной функции. Полученные сигналы рассеяния обрабатывались в специально разработанной программной среде работающей на основе метода регуляризации Тихонова [3].

В качестве тестового зонда, с помощью которого можно оценить связывающую способность альбумина, использовались молекулы фуллеренола [4]. Фуллернол ¾ это одна из модификаций углерода, состоящая из карбоксильных групп, которая в воде при рН=7,4 несет отрицательный заряд. Зонды являются чувствительными индикаторами конформационных и других перестроек в белковой молекуле. Ожидается, что молекулы фуллеренола также могут быть активаторами транспортной функции белка.

В работе проведены результаты по изучению взаимодействия альбумина с фуллеренолом, получен средний гидродинамический радиус этих частиц, как в отдельности, так и в смесях. Рассмотрено влияние концентрации фуллеренола на степень связывания с молекулой альбумина. Кроме того, было исследовано взаимодействие раствора альбумина с ионами различных металлов при добавлении фуллеренола. Полученные результаты представлены в докладе. 

Список литературы

  1. 1. Бункин Н.Ф., Шкирин А.В., Бурханов И.С., Чайков Л.Л., Ломкова А.К. Исследование нанопузырьковой фазы водных растворов NaCl методом динамического рассеяния света // Ж. Квантовая Электроника. - 2014. - Т. 44, № 11. - С.1022-1028;

  2. 2. Непомнящая Э.К., Величко Е.Н., Аксенов Е.Т., Богомаз Т.А. Применение лазерной корреляционной спектроскопии для исследования параметров биологических суспензий // Оптический журнал, т. 82, № 3, 2015. с. 43-48;

  3. 3. Nepomniashchaia E. K., Velichko E. N., Aksenov E. T. Solution of the Laser Correlation Spectroscopy Inverse Problem by the Regularization Method // Университетский научный журнал. - 2015, №15. – С.13-21;

  4. 4. S.-T. Yang, H. Wang, L. Guo, Y. Gao, Y. Liu and A. Cao, “Interaction of fullerenol with lysozyme investigated by experimental and computational approaches” J. Nanotechnology, v. 19, 2008, 7pp.;


Трехвалентный ион европия как люминесцентный зонд для исследования структуры наноматериалов

Кравец Влад Андреевич1

1ФТИ

Эл. почта: vladislav2033@yandex.ru

Редкоземельные ионы Eu3+, широко используются в современной науке и технике – материалы, содержащие Eu3+, применяют в качестве красного люминофора в различных дисплеях: плазменных панелях, дисплеях с автоэлектронной эмиссией, электронно-лучевых трубках и люминесцентных лампах. Также возможно использование иона Eu3+ в качестве контрастного агента в различных областях науки и техники.

Спектр люминесценции редкоземельных ионов Eu3+, представляет собой набор узких полос, связанных с переходами внутри экранируемой f-оболочки, что существенно упрощает исследование люминесцентных свойств иона в различных материалах. Полосы в спектре определяются запрещенными переходами между 5DJ и 7FJ уровнями иона. Форма спектра Eu3+ зависит от локальной симметрии иона в материале, благодаря чему Eu3+ можно использовать в качестве люминесцентного зонда, спектр которого крайне чувствителен к структурным изменениям легированного материала. Особое внимание в данной работе уделяется изменению соотношения интенсивностей энергетических переходов 5D0 - 7F2 и 5D1 - 7F2 в спектре. Так, например, интенсивность электродипольного перехода 5D0 - 7F2 заметно меняется в зависимости от локальной симметрии иона Eu3+, тогда как интенсивность магнитодипольного перехода 5D1 - 7F2 слабо зависит от его локального окружения, что объясняется различными правилами отбора для этих переходов. По изменению соотношения интенсивностей этих двух переходов (коэффициенту асимметрии - интегральное отношение I(ЭД) / I(МД)), можно судить об изменении локальной симметрии иона Eu3+, что позволяет исследовать структурные свойства аморфных материалов. Данный метод можно применить и к наноматериалам которые активированы Eu3+. Один из таких материалов -  Gd2O3:Eu3+/mSiO2 – мезопористые частицы, перспективные для диагностики и терапии онкологических заболеваний.

В работе представлены исследования спектров Eu3+ методом локальной катодолюминесценции в различных диэлектрических матрицах (Gd2O3:Eu3+, Y2O3:Eu3+, Eu2O3, а также Gd2O3:Eu3+/mSiO2 – мезопористых частицах, перспективных для диагностики и терапии онкологических заболеваний). Благодаря высокой энергии электронов пучка, метод локальной катодолюминесценции позволяет возбуждать полосы излучения в УФ диапазоне. Таким образом, удалось интерпретировать высокоэнергетические переходы Eu3+ с уровня 5D3, возбуждение которых затруднено в фотолюминесценции. Целью данной работы является исследование влияния структурных изменений и фазовых примесей в аморфных и кристаллических материалах на коэффициент асимметрии, определенный из спектров излучения иона Eu3+. По результатам исследований сделаны выводы о структурных особенностях образцов, подтвержденные другими методами исследований (СЭМ, РСМА, РДФА).

Автор благодарен А.Ю. Мелеху, В.Г. Голубеву и И.Е. Колесникову за предоставлении материалов для синтеза и исследований; М.А. Яговкиной за РДФА исследования образцов. Особая благодарность выражаетя научному руководителю автора - К.Н. Ореховой.



Измерение показателя преломления клеточных структур методами цифровой голографии

Жихорева Анна Александровна1,2, Белашов А. В.1,3, Беспалов В. Г. 4, Васютинский О. С.1, Жилинская Н. Т. 4, Новик В. И. 4, Петров Н. В.3, Семенова И. В.1

1ФТИ

2СПбПУ

3ИТМО

4НИИ онкологии им. Н.Н. Петрова

Эл. почта: anna_zhikhoreva@mail.ru

Морфологические параметры клеточных структур, такие как форма, объем, показатель преломления, используются для диагностики физиологического состояния организма. Например, при микроцитарной анемии, дефиците витамина В12 или солей  фолиевой кислоты значительно меняется объем эритроцитов [1]. Показатель преломления гемоглобина зависит от насыщения кислородом, а оптические свойства эритроцитов у больных диабетом существенно отличаются от свойств здоровых клеток [2]. Таким образом, разработка и апробация методов определения толщины и показателя преломления клеток является актуальной задачей.

Цифровая голография – группа методов, позволяющая восстановить форму волнового фронта на основе анализа интерференционной картины опорной и предметной волн. Регистрация голограмм осуществляется с помощью цифровых фотоприемников, а восстановление волнового фронта из интерференционной картины для получения фазовых распределений производится численными методами, основанными на Фурье-анализе. Использование  методов цифровой голографии для исследования клеток позволяет получить информацию об изменении фазового набега волнового фронта, прошедшего через клетки. Фаза   предметной волны, прошедшей через исследуемый объект, зависит как от толщины клетки, так и  от интегрального показателя преломления. При работе с живыми клетками для определения обоих параметров используются растворы с одинаковой осмотической концентрацией, сохраняющие объем клетки, но с различными показателями преломления [3]. Данный подход позволяет оценить распределение интегрального показателя преломления в различных структурах клетки и проследить изменения этого распределения в ходе какого-либо процесса.

Исследование проводилось на клетках плоского эпителия ротовой полости в средах с различными показателями преломления. На предметное стекло, где находилась культура клеток, наносилась среда, для равномерного распределения которой образец накрывался покровным стеклом. Эксперименты проводились с использованием физраствора (0,9% раствор хлорида натрия в воде), иммерсионного масла и в воздушной среде. Изменение фазы волнового фронта прямо пропорционально произведению толщины образца и разности показателей преломления

\Delta \varphi = \frac{2 \pi}{\lambda}l(n_{m}-n_{c})

где l- толщина исследуемого образца, n_{m}- показатель преломления среды, n_{c}- интегральный показатель преломления клетки по всей толщине. По результатам измерения фазового набега в предметном волновом фронте в различных средах можно составить систему уравнений:

\left\{\begin{matrix} \Delta \varphi_{1} = \frac{2 \pi}{\lambda}l({n_{m}}_{1}-n_{c})\\ \Delta \varphi_{2} = \frac{2 \pi}{\lambda}l({n_{m}}_{2}-n_{c}) \end{matrix}\right.

Решение этих уравнений позволяет определить параметры клетки: показатель преломления и толщину.

\left\{\begin{matrix}l= \frac{\lambda}{2 \pi} \frac{\Delta \varphi_{1}-\Delta \varphi_{2}}{{n_{m}}_{1}-{n_{m}}_{2}}\\ n_{c}= \frac{\Delta \varphi_{1} {n_{m}}_{2}-\Delta \varphi_{2} {n_{m}}_{1}}{\Delta \varphi_{1} -\Delta \varphi_{2} }\\ \end{matrix}\right.

где \Delta \varphi_{1}}, {{n_{m}}_{1} - изменение фазового набега и показатель преломления в 1 среде, \Delta \varphi_{2}}, {{n_{m}}_{2} - изменение фазового набега и показатель преломления в 2 среде.

Из решения видно, что при большой погрешности измерения фаз волновых фронтов и показателей преломления выгоднее брать среды с максимально различными показателями преломления.

В ходе работы были зарегистрированы цифровые голограммы  клеток в трех средах. Анализ восстановленных фазовых распределений позволил численно найти толщину клетки и интегральный показатель преломления в клеточных структурах.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Список литературы

  1. Rappaz, B., Barbul, A., Emery, Y., Korenstein, R., Depeursinge, Comparative study of human erythrocytes by digital holographic microscopy, confocal microscopy, and impedance volume analyzer, Cytometry Part A,Т. 73, №. 10, С. 895-903, 2008. ;
  2. Mazarevica G., Freivalds T., Jurka A., Properties of erythrocyte light refraction in diabetic patients, Journal of biomedical optics,Т. 7, №. 2, С. 244-247, 2002.;
  3. Rappaz B., Marquet P., Cuche E., Emery Y., Measurement of the integral refractive index and dynamic cell morphometry of living cells with digital holographic microscopy, Optics express,Т. 13, №. 23, С. 9361-9373, 2005;


Hybrid core-shell Yagi-Uda nanoantennas for highly efficient and directive emission

Sergaeva O.N.1

1ITMO University

Эл. почта: olgasergayeva@gmail.com

Optical nanoantennas allow enhancing and manipulating light on the scale smaller than wavelength of light, and offer unique opportunities for applications in optical communications, photovoltaics, sensing. Yagi-Uda nanoantennas consist of several scatterers, such as dielectric core-shell [1], plasmonic [2] and high-index dielectric nanoparticles [3], placed along a straight line, and operate similarly to their radio frequency analogues.

We study properties of Yagi-Uda nanoantenna composed of core-shell nanoparticles with silver core (radius 68 nm) and silicon shell (radius 225 nm). Magnetic dipole (MD) and electric dipole (ED) resonant frequencies almost coincide and backward scattering is suppressed automatically [4] due to Kerker effect [5]. Nanoantenna is designed as a chain of 10 particles placed with period a=550 nm and is fed with a point electric dipole source placed in front of a chain. We use a coupled-dipole approximation [6] with analytically calculated particle polarizabilities [5] and perform numerical simulations in CST MW Studio to confirm the main results.

We reveal that core-shell nanoantenna can operate in two regimes. In the first low-frequency regime nanoantenna operates similarly to the well-known plasmonic and dielectric ones, and is characterized by a high directivity in forward direction and low Purcell factor. Due to the presence of two resonances in each particle there is a second operation regime at higher frequencies, which is characterized by a high directivity in backward direction, the Purcell factor can be tuned to larger values.

We calculate dispersion properties of an infinite chain of nanoparticles. The low frequency chain eigenmode lies close to the light line at frequencies ≤175 THz and is characterized by a positive group velocity with its value close to the speed of light; this corresponds to the first operation regime. The second dispersion branch crosses the light line at 195 THz, and in this range is characterized by a negative group velocity, which corresponds to the second operating regime. The values of Purcell factor are low in both regimes.

To increase Purcell factor we increase the radius of core to 78 nm, thus shifting the ED resonance to a lower frequency. In this case the group velocity of the second dispersion branch substantially decreases, so the local density of optical states increases. The MD moments induced in particles are dominant over the ED moments. Since the ED source oriented perpendicular to the chain axis induces MD moments in neighboring particles oscillating out-of-phase, chain eigenmodes corresponding to the second dispersion branch now can be effectively excited with the ED source [3].

We perform calculations for different positions of the source: in front of the chain, in the center of the chain, and between the first and the second particles. In the first case the Purcell factor is low due to the ineffective excitation of the chain eigenmodes. In the second case the Purcell factor reaches high values, but directivity is not high, as the dipole radiates equally in backward and forward directions. When the source is placed between the first and the second particle effective excitation of dark MD chain modes allows to achieve high directivity and Purcell factor in a narrow frequency range around 191 THz.

Список литературы

  1. Alu A., Engheta N., Wireless at the nanoscale: Optical interconnects using matched nanoantennas, Phys. Rev. Lett., 104, 213902, 2010.;

  2. Koenderink A., Plasmon Nanoparticle Array Waveguides for Single Photon and Single Plasmon Sources, Nano Lett., 9, 4228-4233, 2009.;
  3. Krasnok A. E., Glybovski S. B., Petrov M. I., Makarov S. V., Savelev R. S., Belov P.A., Simovski C. R., Kivshar Y. S., Demonstration of the enhanced Purcell factor in all-dielectric structures, Applied Physics Letters, 108, 211105, 2016.;
  4. Liu W., Miroshnichenko A., Broadband unidirectional scattering by magneto-electric core-shell nanoparticles, ACS Nano 6, 5489-5497, 2012.;
  5. Aden A., Kerker M., Scattering of electromagnetic waves from two concentric spheres, J. Appl. Phys., 22, 1242-1246, 1951.;
  6. Novotny L., Hecht B., Principles of Nano-Optics, Cambridge University Press, 2006. ;


Дифракция электромагнитного излучения около границы раздела положительно и отрицательно преломляющих дискретных сред

Власова Наталья Сергеевна1, Быков Н. В.1,3, Маймистов А. И.2

1МГТУ

2НИЯУ МИФИ

3ФИЦ ИУ РАН

Эл. почта: n.s.vlasova@gmail.com

Наблюдаемый в последние пятнадцать лет всп