Investigation of the influence of the solar terminator (ST) in the Earth's ionosphere is an important task of ionospheric physics. With the new GPS- radio sounding technology to study the ionosphere, significant progress has been made. At the moment has been found that ST excites at least two types of wave structures in the ionosphere. According to measurements GPS was found that these disturbances are observed in the form of wave packets in TEC. GPS observations variations allow for the study of regular TEC variation, such as cyclic, seasonal, diurnal, identifying different kinds of trends and longer periods. The aim is to study the ionospheric wave disturbances generated by the solar terminator during sunrise and sunset, with the help of signals of global satellite radio navigation system GPS. To achieve this goal, we have solved a number of problems: calculated the orbital motion of the satellites of systems GPS fly by over Volga region; processed and calculated the TEC from the experimental data obtained from GNSS receivers located in this region. TEC disturbance was identified variations associated with the movement of the morning and night of sectors the solar terminator. Collected data during the period 2016 year were processed. For each day of the theoretical and experimental ST for each item the orbital motion of satellites were calculated. It was found that in the winter time to 35% and in summer time in the 40% -45% of cases recorded occurrence of TEC disturbance during the passage ST. The maximal period of TEC disturbance is ~23 min and direction of propagation from east to west. The lateral scale of the terminator-induced ionospheric TEC inhomogeneity D ≈ 66–77 km [1].

The part of the work on developing the algorithms for detection wave structures excited by the solar terminator using GPS-TEC evidence was supported by the Russian Scientific Foundation (project No. 14-12-00706). Experimental data processing from the network of GNSS receivers was performed according to the Russian Government Program of Competitive Growth of Kazan Federal University. The studies of D. A. Kogogin were supported by the Russian Foundation for Basic Research (project No. 17-302-50013).

The z_abs = 2.504 Lyman Limit system (LLS) towards the quasar Q1009+2956 is one of the first absoption systems where the deuterium abundance (D/H ratio) has been measured. Since the last measurement by Burles and Tytler (1998) the quasar has been observed plenty of times with the Keck telescope increasing the signal-to-noise ratio by a factor of a few. Aiming at making a precision D/H measurement, we have analysed the publicly available dataset.

The LLS does not show strong absorption by low ionisation species (O I, Si II). In order to estimate the possible systematics, we test different (6) models with a different number of components with and without using high ionisation species (Si IV, C III, C IV). For all the considered models we found that the deuterium feature is contaminated. This significantly limits precision to which one can estimate the D/H ratio in this LLS. A new estimate of the deuterium abandunce is given.

Эпоха, предшествующая формированию первых звезд и галактик, так называемые космологические темные века, по сей день остается экспериментально неизученной. Одну из возможностей наблюдения явлений, относящихся к той эпохе, дает излучение сверхтонких переходов таких элементов, как водород и дейтерий. В данной работе были рассмотрены физические процессы, протекавшие во Вселенной в пострекомбинационный период, и построена зависимость яркостной температуры излучения сверхтонких переходов H и D от красного смещения, а также было изучено влияние концентрации свободных электронов и относительной барионной плотности на данное излучение.

В работе исследуется спектр излучения гравиатомов состоящих из двух одинаковых частиц темной материи с массой порядка великого объединения (ВО). Определение гравиатома дано в статье [1], здесь гравиатомом мы будем называть квантовую систему из двух частиц, которая связана только гравитационным взаимодействием. В данной работе верной считается гипотеза, развиваемая в статьях [2,3],что  темной материей являются сверхтяжелые, нейтральные, скалярные частицы массой порядка 10¹⁵ GeV. Рассматривается кеплерова задача на квантовом уровне, в системе центра масс. Мы пренебрегаем оператором кинетической энергии центра масс всей системы, так как нас интересует только внутренние состояние системы. Гамильтониан данной системы и его собственные значения имеют вид

Дискретный спектр энергий при массе частиц 10¹⁵ GeV , зависящий от главного квантового числа n будет иметь вид 

- где  боровский радиус системы.

 В результате исследования системы, в данном приближении были найдены интенсивности гравитационного излучения, которое возникает в результате спонтанного испускания гравитона,имеющего энергию  ,что соответствует квадрупольному переходу между уровнями дискретного спектра энергии [4]. Так же были вычислены времена жизни. Для перехода  соответствующие величины имеют значение

 Получены зависимости интенсивности гравитационного излучения от массы, в пределе массы соответствующей порядку ВО до значения, выше которого уже нужно учитывать релятивистские эффекты. 

Изучение физических процессов в космической плазме с релятивистской компонентой, в частности, процессов ускорения частиц бесстолкновительными ударными волнами в остатках сверхновых звезд, представляет большой интерес для астрофизики высоких энергий.

Исследования остатка сверхновой Тихо Браге (SN 1572) телескопом Chandra позволили получить изображения остатка в рентгеновском диапазоне (предполагается, что в диапазоне 4-6 кэВ наблюдаемое излучение — синхротронное излучение электронов с энергиями порядка 10¹⁴ эВ). При этом в излучении остатка были обнаружены когерентные структуры [1]. Данная работа посвящена моделированию рентгеновских изображений синхротронного излучения остатка Тихо с целью исследования возможных физических механизмов формирования наблюдаемых структур.

Разработана модель, которая позволяет строить изображения остатка Тихо. С ее помощью становится возможным изучить зависимость картины излучения от модели процессов переноса релятивистских частиц в остатке, дать корректную интерпретацию наблюдений. В частности, установлена возможная связь наблюдаемых структур с зеркальной неустойчивостью, развивающейся в плазме в результате анизотропии функции распределения электронов вблизи ударной волны.

​В настоящее время важнейшим источником информации о динамике процессов, реализуемых в сложных системах, являются статистические методы описания.  Указанные методы позволяют изучать структуру сложных объектов с учетом их качественной специфики. В частности, определение фрактальных размерностей позволяет не только изучать структуру таких объектов, но и устанавливать связи между процессами ее образования. В связи с этим актуальной является проблема распознавания фрактальных структур сложных астрофизических систем. Аномалии гравитационного поля Венеры и вариации физической поверхности Венеры представляют собой многопараметрическую систему, анализ которой необходимо осуществлять с использованием методов физики сложных систем, одним из направлений которых является фрактальный анализ [1].

В настоящей работе представлены результаты исследования фрактальных структур поверхности Венеры на основе данных наблюдений космической миссии НАСА «Магеллан» [2]. Благодаря искусственному спутнику  было выполнено сканирование почти всей поверхности Венеры с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой S-диапазона (12 см) и микроволнового радиометра и изучена топография на основе измерений специального радара-высотомера [2]. Неточности некоторых данных, полученных от "Магеллана", были  восполнены  информацией от космических миссий "Венера-15", "Венера-16"  и  "Пионер-Венера". Для построения модели аномалий гравитационного потенциала нами были взяты данные работы [3] по гравитационному полю Венеры. В астрофизике используют модели гравитационных потенциалов, представляемые в виде аналитических функций координат. Их определяют по эволюциям орбит искусственных спутников небесных тел и по другим измеряемым гравитационным эффектам. Такие модели позволяют изучать гравитационное поле на некотором удалении от небесного тела, а также судить о распределении масс в его недрах. Необходимо принимать во внимание тот факт, что выбор основной уровенной поверхности на Венере задается определенной величиной потенциала или точкой на поверхности, через которую проходит геоид.

В результате были проанализированы топоцентрические и гравитационные данные наблюдений с использованием фрактального анализа и получены следующие значения средних фрактальных размерностей: для гравитационного поля Венеры по широтам D_{U_φ}=1.00; для гравитационного поля Венеры по долготам D_{U_λ}=1.53; для физической поверхности Венеры по широтам D_{R_φ}=1.057; для физической поверхности Венеры по долготам D_{R_λ}=1.05. Как видно из полученных расчетов топографическая модель физической поверхности Венеры близка к сферической фигуре. Гравитационное поле имеет неоднородную и сложную структуру.

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

​В настоящее время активно изучаются как структурный состав метеорных потоков: параметры  распределения метеорных тел по массам в потоке, функции светимости  распределения метеоров по звездным величинам, зенитное часовое число и пространственная плотность потоков в его поперечном сечении вдоль орбиты Земли, так и  вопросы генетической связи наблюдаемых малых космических тел (метеороидов, комет, астероидов). С этой целью используется метод D-критерия как мера динамической близости расстояний между орбитами тел в пятимерном фазовом пространстве. При анализе генетических связей кометно-метеорных систем величину D считают равной 0.2 для всех метеорных потоков, а для более надежной оценки верхнюю границу  D-критерия исследуют для каждого метеороидного кластера [1].

Со времен Джованни Скиапарелли, открывшим связь между кометой 1862 III  и потоком Персеид, считается, что распад комет является наиболее вероятным источником образования метеорных потоков. Последующие  наблюдения кометных и метеорных радиантов установили связь с кометами наблюдаемых потоков  Лирид, Леонид, Андрометид, Драконид, Орионид и др. В частности, кроме родительской связи кометы 2P/Encke [2] с  потоком Таурид, обнаружено несколько других комет, которые намного лучше подходят для потока Таурид в качестве родительского тела. В последнее время выявлено все больше доказательств того, что метеорные потоки могут быть результатом отдельных фрагментов распада комет, а не долговременных процессов их постепенного разрушения [3]. Исследования метеоров дают ценные данные о свойствах метеороидов, хотя необходимо определить, насколько репрезентативными являются эти частицы и их родительские тела [4]. Кометные метеороиды можно считать объектами, образованными из фрактальных агрегатов с чрезвычайно высокой пористостью.

При поиске родительского тела метеорного потока среди астероидов речь может идти только об астероидах, пересекающих орбиту Земли [5]. Основная масса астероидов движется между орбитами Марса и Юпитера и размеры их орбит лежат в пределах 2–6 а.е. Поэтому генетическую связь с астероидом можно рассматривать  только для тех метеорных потоков, гелиоцентрическая скорость метеороидов которых меньше, чем 40.5 км/с, что дает размеры  орбит, соразмерные с орбитами астероидов, согласно интегралу живых сил законов Кеплера [6].

В настоящей работе было получено, что метеороиды, которые  распадаются в земной атмосфере, могут быть непосредственно связаны с их родительскими телами в том случае, если они принадлежат к определенным метеорным потокам. Физические и химические свойства метеороидов, поступающих от разных родителей, можно сравнить по кривым блеска, высотам метеоров и их спектрам. Таким образом, анализ метеоритных данных может выявить различия в физической структуре и химическом составе различных малых тел в Солнечной системе (комет и астероидов).

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

Использование методов физики сложных систем и регрессионного анализа  дает возможность для исследования и моделирования многопараметрических небесных объектов, что особенно важно для решения задач планетной астрофизики. Многие современные космические эксперименты направлены на исследования Луны [1–5]. Это в полной мере относится и к российским миссиям «Луна-25, -26, -27, -28» (2017–2020+), которые предполагают получение большого объема новой информации о внутреннем строении, инерциальной системе координат, гравитационном поле, динамической фигуре нашего естественного спутника.

Следует сказать, что современные цифровые модели физической поверхности Луны не  имеют достаточно точного координатно-временного обеспечения. Это происходит по той причине, что при редукции топографических спутниковых наблюдений поверхности отсчета селеноцентрических данных опираются на координатную систему орбиты спутника, а не на опорную динамическую селеноцентрическую систему координат [6]. Тем не менее, на основе полученного объема наблюдательных спутниковых  данных при выполнении современных космических исследований, разложения астрофизических параметров  по сферическим функциям  и многопараметрического гармонического анализа возможно построение селеноцентрической динамической цифровой модели лунной физической поверхности. Для Земли решение такой задачи может быть осуществлено с использованием большого объема как космических, так и наземных наблюдений. Однако для небесных тел такие возможности сильно ограничены, так как наблюдения непосредственно с их поверхностей фактически не существуют. Наибольшее количество космической информации имеется только для Луны, и большим преимуществом также является наличие наблюдений, выполненных с Земли, что дает возможность привязки космических селенографических наблюдений к динамической инерциальной системе координат.

В настоящей работе были использованы данные космических миссий  «Apollo»,«LRO», «Kaguya», «Clementine», «SMART-1» и «GRAIL».  Модель лунного мегарельефа была создана на основе разложений функций вариаций векторов точек поверхности Луны в ряды по сферическим функциям. При разложениях селенографических наблюдательных данных по сферическим функциям был использован метод пошаговой регрессии. Программный комплекс, построенный для этой цели, включал в построенную модель только основные гармонические элементы. Был выполнен регрессионный  анализ модели физической поверхности Луны для определения эффективной степени разложений и получено, что увеличение степени разложения с определенного ее значения не играет решающей роли. Исследование с целью  нахождения наиболее реальной степени гармонического разложения физической поверхности Луны позволило определить, что степень восемнадцатого порядка полностью удовлетворяет поставленной задаче. Был проведен анализ оптимальной структуры для построенной модели, в частности влияния на значения вычисляемых параметров переопределенности полученной структуры. В результате выполненной работы была построена модель физической поверхности Луны для восемнадцатой степени разложения гармонических коэффициентов.

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

В настоящее время исследование физики и динамики Луны является актуальной задачей в связи с планами ее освоения в ближайшем будущем. При этом физическая либрация Луны (ФЛЛ) представляет собой инструмент, используемый для анализа и интерпретации таких высокоточных наблюдений, как многолетняя лазерная локация, спутниковые наблюдения, а также экспериментальные данные по исследованию вращения Луны с помощью аппаратуры, установленной на ее поверхности. Учитывая все выше сказанное, целью настоящей работы является сравнительный анализ орбитальных теорий Луны: аналитической теории Шмидта и динамической эфемериды DE432. Работа выполнена в рамках задачи создания численной теории физической либрации (ФЛЛ). ФЛЛ строится в рамках главной проблемы, суть которой заключается в том, что физическое тело Луны считается абсолютно твердым, орбитальное движение не зависит от вращательного движения и в качестве возмущающих источников рассматриваются точечная Земля и Солнце. Поскольку вращение Луны практически не оказывает влияния на ее орбиту, то можно заменить последнюю на более точную, что позволит учесть косвенные влияния планет на орбиту Луны. При решении главной проблемы ФЛЛ используют как аналитические теории движения Луны, так и численные динамические эфемериды JPL NASA. В данной работе создания теории ФЛЛ на первом этапе была использована аналитическая теория Шмидта [1] и реализован переход на динамическую эфемериду DE432 [2]. Корректность перехода к численной эфемериде проверялся путем сравнения обоих упомянутых выше типов эфемерид определением периодических и систематических расхождений и причин этих расхождений. Редукция численной эфемериды, заданной в инерциальной системе координат, во вращающейся эклиптической системе координат, в которой задана теория Шмидта, была произведена на основе построения сложной прецессионной матрицы. После введения всех редукционных поправок были получены следующие результаты: на временном интервале около 800 лет амплитуда остаточных разностей по долготе лежит в интервале от -40 до +80 угловых секунд, а по широте не превосходит 13 угловых секунд. В итоге можно сделать вывод, что такая большая разница параметров в рассматриваемых теориях ФЛЛ является отсутствие учета планетных возмущений при построении аналитической теории Шмидта. В настоящей работе также приводится подробный алгоритм вычисления элементов орбиты Земли относительно геоцентра Луны с использованием динамической эфемериды DE432 [3].

Работа была поддержана грантом РФФИ  16-02-00496-a

Мы рассматриваем различные определения энергии гравитационного поля в подходе Редже-Тейтельбойма, в котором пространство-время описывается как поверхность, вложенная в плоское объемлющее пространство большего числа измерений. В теоретико-полевой формулировке данного подхода (теория разбиения) гравитация описывается как некоторая теория поля в плоском объемлющем пространстве.

Мы исследуем возникающие в такой формулировке определения энергии-импульса гравитационного поля, а именно нётеровский тензор энергии-импульса, связанный с трансляциями по координатам в объемлющем пространстве, а также метрический тензор энергии-импульса, определяемый как результат вариации ``ковариантизованного'' действия теории по метрике объемлющего пространства.

В итоге, мы получаем новое определение гравитационной энергии, которое, среди прочего, даёт нетривиальный ответ для решений, являющихся также решениями уравнений Эйнштейна. В частности, мы вычисляем полученную энергию для сферически-симметричного распределения материи и сравниваем ответ со стандартными результатами общей теории относительности: АДМ энергией и энергией Мёллера. Также мы обсуждаем вопрос локализуемости полученной энергии теории разбиения.

Исследования космических объектов служат развитию знаний об экстремальных состояниях вещества. Пульсарные туманности являются объектами с экстремальным выделением энергии. Они наблюдаются как области яркого синхротронного свечения вокруг молодых нейтронных звёзд с миллисекундными периодами вращения - пульсаров. Туманности питаются энергией вращения пульсара и возникают при взаимодействии плазмы пульсарного ветра с внешней средой. Эти объекты позволяют изучать динамику бесстолкновительной релятивистской замагниченной плазмы и связанных с ней физических явлений. В том числе - образование токовых слоев и бесстолкновительных ударных волн, перезамыкание магнитного поля и ускорение частиц до высоких энергий вплоть до ПэВ (10¹⁵ эВ), коллимацию релятивистских струйных истечений и диссипацию магнитного поля и прочие явления, недоступные в наземных лабораториях.

Прогресс в понимании устройства пульсарных туманностей вызван прорывами в наблюдательной астрофизике и численном моделировании. Успехи в наблюдениях связаны с выводом на орбиту комических обсерваторий: телескопы Hubble (в оптике) и Сhandra (в рентгеновском диапазоне) помогли разглядеть структуру плазменных потоков туманностей с высоким пространственным разрешением. Прогресс в моделировании обязан появлению больших компьютерных мощностей и созданию численных кодов для расчёта релятивистстких магнито-гидродинамических течений.

В нашей работе мы проанализировали данные 11 рентгеновских наблюдений пульсарной туманности в созведии Парусов (Vela), полученные телескопом Сhandra. По этим данным построены рентгеновские карты туманности с высоким пространственным разрешением. На основе этих карт создана анимация, на которой можно отследить динамику туманности и её структур на временах от недели до года. Кроме того, исследована спектральная переменность структур туманности и вариация их поверхностной яркости.

Сравнение с данными численного моделирования и наблюдениями других пульсарных туманностей позволило нам:

1. указать вероятное положение ударной волны остановки пульсарного ветра в туманности Парусов;
2. выявить наличие двух подструктур в полярных истечениях туманности;
3. обнаружить переменность поверхностной яркости структур туманности на временах порядка недели;
4. заметить схожесть спектра структуры в основании полярного истечения со спектром излучения частиц, ускоренных на ударной волне.

Фундаментальные звездные каталоги реализуют небесную систему отсчета в оптическом диапазоне спектра. В настоящее время в качестве такой реализации Международным астрономическим союзом принят каталог Hipparcos. К сожалению в силу низкой точности собственных движений данного каталога, точности координат фундаментальных звезд быстро деградируют со временем. Собственные движения новых инструментальных каталогов Hipparcos и Gaia для кратных звезд, очевидно, включают в себя ложные компоненты, вызванные орбитальными движениями в кратных системах. Целью настоящей работы является, во-первых, составление каталога кратных фундаментальных звезд на основе неизданной второй части каталога FK6, во-вторых, сбор и систематизация имеющихся наблюдений этих звезд, а также их орбит. Наконец, на основе анализа орбит кратных звезд выводятся статистические оценки точности их координат. Особое внимание уделено Полярной звезде, для которой имеются различные оценки координат и собственных движений. Оценки, полученные разными авторами для Полярной звезды различаются по координатам на 100 миллисекунд дуги, что превышает формальную точность каталога Hipparcos в десятки раз. В рамках данной работы предполагается детально рассмотреть имеющиеся наблюдения и орбиты Полярной и получить ее средние координаты, а также реалистичную оценку их точности.

Начало эпохи Вторичной ионизации ознаменовано образованием первых галактик. Их активный рост в это время объясняется двумя механизмами: 1) за счёт слияния друг с другом, 2) за счёт аккреции газа и пыли из окружающего пространства. В данной работе мы исследуем первый механизм, путём поиска в архивных наблюдательных данных потенциально сливающихся галактик -- мерджеров. Основными кандидатами в такие объекты являются галактики в непосредственной угловой близости друг от друга. Однако, из-за неточности в определении красного смещения, данные объекты могут быть случайными проекциями. Другой эффект, дающий похожий видимый результат --  сильное гравитационное линзирование. Нас же, интересуют реально гравитационно-связанные системы, находящиеся на стадии слияния. Путём анализа наблюдательных данных с поля eXtreem Deep Field (XDF) снятым телескопом Хаббл в различных фильтрах, мы выявили ряд кандидатов на роль мерджеров на красных смещениях z > 7.  Путём статистического анализа мы показываем, что с высокой степенью вероятности данные объекты являются гравитационно-связанными системами. В частности, на примере одной системы мы показываем, что несмотря на низкую вероятность, другие две гипотезы -- случайные проекции и линзирование -- не могут быть полностью исключены. Также мы сравниваем статистику мерджеров с реальных данных с результатами численного моделирования образования галактик и получаем согласующиеся результаты. В заключении мы обсуждаем использование полученной статистики для исследования физики ранних галактик, и предсказываем количество мерджеров доступных для следующего поколения телескопов, например, James Webb Space Telescope.

В работе представлены результаты глубоких (до 28-ой звездной величины) оптических наблюдений гамма-пульсара J2055+2539, выполненных с помощью телескопа GTC в фильтре Sloan g' с суммарной экспозицией кс. Для улучшения точности положения пульсара мы использовали наблюдения телескопа Chandra, по данным которого пульсар достоверно отождествлен с рентгеновским источником. По двум опорным объектам, присутствующим одновременно на изображениях Chandra и GTC, удалось осуществить привязку рентгеновского изображения к оптическому и таким образом уменьшить ошибку определения координат пульсара до  и  по RA и Dec соответственно. Получившийся результат оказался в два раза точнее  позиции пульсара по данным тайминг-анализа телескопа Ферми ().

Несмотря на то, что внутри улучшенного эллипса ошибок на изображениях GTC пульсар обнаружен не был, нам удалось существенно уточнить верхний предел на поток его оптического излучения по сравнению с результатами предварительных наблюдений на телескопе БТА. Ввиду попадания эллипса ошибок на кромку звезды с , новый предел оказался равен звездным величинам для g' - полосы. Рассмотрение многоволнового спектра пульсара выявило наличие спектрального излома между рентгеновской нетепловой компонентой и оптической областью.

Обсуждаются результаты микроскопического моделирования квази-перпендикулярных ударных волн в бесстолкновительной космической плазме, содержащей небольшую примесь тяжёлых ионов с низкими зарядовыми состояниями. Расчеты выполнены с использованием оригинального трёхмерного гибридного кода [1]. Показано, что непосредственно за фронтом ударной волны с углом наклона магнитного поля к нормали более 45 градусов возникают квазистационарные анизотропные распределения тяжёлых слабо заряженных частиц. Анизотропия распределения может сохраняться на расстояниях от фронта порядка сотен ионных гирорадиусов при условии достаточно малой концентрации ионов.

Результаты исследований долговременной нелинейной эволюции распределений ионов при помощи численного моделирования на основе гибридного кода, согласуются с результатами анализа дисперсионного уравнения из работы [2], примененного к задаче релаксации ионов низких зарядовых состояний. Эти результаты указывают на то, что наличие слабой анизотропной примеси тяжёлого заряженного элемента в низком зарядовом состоянии приводит к развитию ион-циклотронной неустойчивости. При этом усиливаются длинноволновые возмущения (с масштабом порядка десятков гирорадиусов тяжёлых ионов), распространяющиеся вдоль магнитного поля. Таким образом, наличие примеси тяжёлых слабо заряженных частиц приводит к существенному расширению области, занятой флуктуациями электромагнитного поля вблизи фронта бесстолкновительных ударных волн, и изменению их спектральных характеристик. Эти флуктуации влияют на наблюдаемые макроскопические характеристики бесстолкновительной ударной волны, в частности, на степень сжатия. Увеличение относительной концентрации примеси усиливает влияние флуктуаций на степень сжатия. В работе обсуждаются возможности регистрации промоделированных эффектов в окрестности ударных волн в межпланетной среде.

Численное моделирование производилось на вычислительных комплексах tornado СПБПУ, МВС-10п МСЦ РАН и кластере СПбАУ.

В докладе представлены результаты реконструкции гелиосферного модуляционного потенциала на основе данных по содержанию космогенного изотопа ¹⁴С в кольцах деревьев с начала 11 до середины 19 вв. Этот временной интервал включает в себя несколько глобальных минимумов солнечной активности – минимум Оорта (середина 11 века н. э.), минимум Вольфа (конец 13 – середина 14 века н.э.), минимум Шпёрера (середина  15 – середина 16 века н.э.), минимум Маундера (середина 17 – начало 18 века н.э.), и минимум Дальтона (начало 19 века). Также на этот временной интервал приходится Средневековый максимум солнечной активности (12-ый и первая половина 13-го века н.э.). Известно, что изотоп ¹⁴C образуется в атмосфере Земли под действием частиц галактических космических лучей (ГКЛ) высоких энергий. Поэтому данные по вариациям содержания космогенного изотопа ¹⁴C в годичных кольцах деревьев дают возможность изучать изменения интенсивности галактических космических лучей, межпланетного магнитного поля и солнечной активности на тех временных интервалах, для которых отсутствуют данные инструментальных измерений. Интенсивность ГКЛ, приходящих в атмосферу Земли, не является постоянной, а модулируется в гелиосфере вариациями межпланетного магнитного поля, возникающими при изменении солнечной активности. Модуляция галактических космических лучей в гелиосфере может быть описана гелиосферным модуляционным потенциалом. Однако при реконструкции этого потенциала возникает ряд трудностей, связанных с влиянием климатических изменений на содержание изотопа ¹⁴C в кольцах деревьев. В течение рассматриваемого временного интервала происходили изменения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли и глобальной температуры, которые учитывались нами при восстановлении скорости генерации ¹⁴С в земной атмосфере, на основе которой проводились расчеты гелиосферного модуляционного потенциала. В докладе приводятся результаты этих расчетов. При реконструкции скорости генерации изотопа ¹⁴C в атмосфере Земли учитывается обмен этим изотопом между атмосферой, биосферой, гумусом, верхним и глубоким слоями океана. Также учитывается изменение скорости перехода радиоуглерода из поверхностного слоя океана в атмосферу при изменении глобальной температуры. В ходе реконструкции гелиосферного модуляционного потенциала на основе полученной скорости генерации изотопа ¹⁴C учитывается образование этого изотопа в земной атмосфере под действием протонов и альфа-частиц первичных галактических космических лучей и изменения напряжённости геомагнитного поля во времени. Показано, что игнорирование учета климатических факторов искажает результаты реконструкций. Поэтому учет климатических изменений является необходимым условием для получения надёжных реконструкций. Установлено, что минимальные значения модуляционного потенциала во время минимумов солнечной активности Маундера и Дальтона могут быть сравнимы по величине, а следовательно, указанные минимумы солнечной активности могут быть сопоставимы по глубине.

В рамках базисных наблюдений в апреле 2017 г. были выполнены наблюдения астероида 2014 JO25, классифицированного Центром Малых Планет как потенциально опасный. В течение пяти ночей в период его тесного сближения с Землёй (самого тесного за последние 400 лет) велись синхронные наблюдения астероида на двух телескопах Пулковской обсерватории (ГАО РАН), а также на телескопах обсерваторий Краснодара (КубГУ), Звенигорода (ЗНБ), Уссурийска (АО ИГУ) и в двух обсерваториях Института астрофизики АН Таджикистана – Санглох и Гиссар (ГисАО). После обработки совместно полученных данных были получены точные астрометрические координаты 2014 JO25, а также напрямую были определены расстояния до него. Далее были уточнены элементы орбиты астероида. Фотометрическая обработка позволила построить кривую блеска астероида, по которой удалось установить период его осевого вращения, а также уточнить его размеры и определить спектральный класс.

В настоящей работе усовершенствован алгоритм построения теоретических профилей излучения и

поглощения, образующихся в газовой среде [1]. Автором разработан пакет программ для расчета

соболевских H-функций --- основного элемента, необходимого при построении профилей линий.

Считается, то рассеяние излучения в линии происходит при лоренцовском или фойгтовском

коэффициенте поглощения с полным перераспределением по частоте. При этом для фойгтовского

коэффициента учитывается непрерывное поглощение в рамках модели Милна-Эддингтона. Данная

методика может применяться для детального расчета профилей циклотронной линии, образующейся

при отражении излучения от атмосферы нейтронной звезды. Это позволит уточнить имеющиеся

модели [2, 3], объясняющие спектральные наблюдения подобных объектов.

Проблема определения точных расстояний до планетарных туманностей до сих пор не решена. Обычно для построения шкалы расстояний используются статистические методы, основанные на методе Шкловского. Для калибровки шкал используются объекты, расстояния до которых известны с высокой точностью.

На основе кинематической калибровки, опирающейся на высокоточные определения расстояния до центра Галактики, и наблюдательных данных об угловых размерах туманностей и их радиопотоках, нами были уточнены расстояния до 555 планетарных туманностей. Полученная шкала расстояний сравнивалась с широко известной шкалой SSV (Stanghellini et al., 2008).

С использованием модифицированной классификации планетарных туманностей (Peimbert 1978, Quireza et al. 2007), определяющей принадлежность той или иной туманности к галактическим подсистемам (тонкий и толстый диск, балдж и гало), был проведен анализ пространственной структуры Галактики. Получены шкалы высот h_z для планетарных туманностей разных подсистем. Величины h_z меняются от 0.28 кпк для туманностей тонкого диска до 1.4 кпк для гало.

Японские исследователи [1] по измерениям содержания радионуклидов в кольцах деревьев обнаружили импульсное повышение содержания ¹⁴С, датируемое 774-775 г.н.э. На данный момент наиболее активно обсуждается версия о солнечной природе этого события (напр., [2]).

Нами смоделировано образование космогенных изотопов ¹⁴С ¹⁰Be и ³⁶Cl в атмосфере Земли и лунных породах различными типами космических высокоэнергичных частиц: галактическими космическими лучами, солнечными космическими лучами и аномальной компонентой космический лучей. Изучено влияние сторонних факторов, таких как солнечная модуляция ГКЛ, геомагнитная модуляция заряженных частиц и колебания высоты тропопаузы на их производство в атмосфере, а также депозит в природные архивы. Анализ результатов моделирования показывает, что при сравнении с данными природных архивов следует учитывать локальное образование изотопов непосредственно в месте получения архивных образцов, в то время как многие работы используют для этого глобальное производство. Рассмотрена гипотеза о солнечной природе сигнала 775 г.н.э. на примере различных типов спектра солнечных событий - как наблюдаемых, так и теоретических предельно возможных. Показано, что без учёта процессов переноса радионуклидов в атмосфере изотопный след события 775 г.н.э. объяснить солнечной вспышкой нельзя.

Работа посвящена оценке физических условий в межгалактическом веществе ранней Вселенной, соответствующей красным смещениям z ~ 2-3. Одним из важных физических параметров межгалактического вещества является уравнение состояния. Считается, что оно имеет вид степенной зависимости T~ρ^γ-1. Эволюция уравнения состояния межгалактической среды с красным смещением связана с процессами образования галактик, звездообразования и формирования активных ядер галактик, и является актуальной задачей астрофизики. Для решения этой задачи используется анализ спектров квазаров и так называемого Лайман-альфа леса – набора линий Lyα нейтрального водорода, образующегося в межгалактической среде, попавшей на луч зрения квазар-наблюдатель. Представлена автоматическая процедура анализа абсорбционных линий Лайман-альфа леса в спектрах квазаров, которая позволяет определять доплеровскую ширину линий и лучевые концентрации нейтрального водорода. На основе этих измерений определено значение показателя степенной зависимости температура-плотность для межгалактического вещества.

Современные астрономические наблюдения показывают, что около 70% материи Вселенной составляет так называемая “темная энергия”, однако ее природа до сих пор не известна [1]. В предположении, что общая теория относительности справедлива на космологических масштабах [2], существует несколько основных моделей, позволяющих приближенно описать наблюдательные данные. Простейшая модель предполагает, что в качестве темной энергии выступает энергия вакуума. Иными словами, плотность темной энергии постоянна - так называемый, Λ-член. Включение космологической постоянной в уравнения общей теории относительности привело к появлению современной космологической модели ΛCDM [3]. Результаты этой модели согласуются с наблюдательными данными [4], однако порождают “проблему космологической постоянной”. Она заключается в том, что значение энергии вакуума, предсказываемое квантовой теорией поля [5] на много порядков отличается от значения, полученного из анализа наблюдательных данных. Это побуждает к поиску других моделей. Следующим кандидатом на роль тем- ной энергии является квинтэссенция - динамическое поле, как правило являющееся скалярным. Плотность энергии квинтэссенции в отличие от плотности энергии вакуума может зависеть от времени. Наблюдения пока не подтвер- дили существование скалярных полей, однако нельзя исключать этого, так как многие теории, например струнные [6], предсказывают появление скалярных полей, которые могут оказывать влияние на эволюцию Вселенной. Особенность этой модели заключается в произвольности выбора вида потенциала и, как следствие, наличие свободного численного параметра.

Наличие динамического скалярного поля и ненулевое значение энергии вакуума не должны исключать друг друга. По этой причине, была рассмотрена модель QΛCDM, являющаяся синтезом модели с некой постоянной плотностью энергии ΛCDM и модели квинтэссенции (Quintessence). В основе модели, как и ранее, лежат уравне ния Эйнштейна, записанные в метрике Фридмана-Робертсона-Уокера (FRW) - уравнения Фридмана [7], уравне- ния состояния, а также уравнение движения скалярного поля с потенциалом V (φ). Согласно модели, основными компонентами, дающими вклад в плотность энергии являются ультрарелятивистское вещество (радиация), нере- лятивистское вещество (пыль), Λ-член, а также скалярное поле. В этой модели присутствует уже 2 параметра. С одной стороны, это расширяет возможность того, что эта модель более приближена к реальности при определенных значениях параметров, с другой стороны с увеличением количества параметров возрастает сложность поиска этих значений, а следовательно сложность отбора необходимого решения.

Рассмотренная в данной работе модель предсказывает, что плотность энергии в допустимой области параметров на больших временах стремится к постоянному значению. Однако оно отличается от того же значения в модели ΛCDM. Также стоит отметить, что в рассматриваемой модели плотность энергии убывает несколько медленнее. Это свойство оказывает определенное влияние на эволюцию Вселенной - расширение в будущем будет идти с меньшей скоростью. Главный вывод работы заключается в том, что данная модель позволяет учесть наличие во Вселенной как динамических полей, так и некой сущности с постоянной плотностью энергии.

Ударные волны в бесстолкновительной плазме – широко распространенное явление в астрофизике, встречающиеся в остатках сверхновых, джетах пульсаров, пульсарных и звездных ветрах.  Для их изучения используются различные методы математического моделирования – решение магнитогидродинамических уравнений, метод Монте-Карло, а так же моделирование на микроскопическом уровне, исходя непосредственно из уравнений движения частиц и уравнений Максвелла – метод Particle-in-cell.  Нами разработан  Particle-in-cell код, основанный на схеме предложенной Лапентой [1], с помощью которого в данной работе исследованы ударные волны в релятивистской плазме различного состава – электрон-позитронной,  электрон-ионной с различными тяжелыми ядрами. Изучен вопрос о генерации магнитных полей и ускорения частиц в них.

Пульсарные туманности с головными ударными волнами, наблюдаемые в широком диапазоне энергий от радиоволн до гамма-лучей, представляют интерес как эффективные ускорители частиц. Электроны и позитроны релятивистского пульсарного ветра, инжектируемые в туманность на ударной волне торможения, могут ускоряться, многократно диффундируя сквозь область сходящихся потоков между ударной волной торможения и головной ударной волной.

В статье Bykov et al. (2017) приведены результаты моделирования методом Монте-Карло переноса частиц пульсарного ветра от ударной волны торможения через пульсарную туманность с головной ударной волной. Полученные локальные спектры частиц вблизи контактного разрыва и головной ударной волны довольно сильно отличаются от степенного спектра частиц, инжектированных на ударной волне торможения. Формируемая жесткая компонента спектра частиц, , , где - функция распределения частиц,  - энергия частицы, достигает энергии , зависящей от скоростей течений.

Сопоставив с наблюдениями смоделированные по полученным распределениям частиц спектры и пространственные распределения синхротронного излучения источников, можно получить ограничения на Лоренц-факторы течений в пульсарных туманностях. В докладе будут представлены результаты моделирования спектров частиц, их синхротронного излучения, и сделаны выводы о характерных значениях Лоренц-фактора пульсарного ветра после прохождения им ударной волны торможения.

В настоящее время актуальной проблемой является объяснение наличия «следов» присутствия жидкой воды на поверхности Марса в относительно недавнем прошлом. Наличие воды (или соляных растворов) на поверхности требует существования более плотной, по сравнению с современной, атмосферы.  Известно, что под действием сильных колебаний оси вращения (основной период 120 000 лет) Марс испытывает серьёзные климатические изменения, поэтому одним из возможных механизмов вариаций массы атмосферы Марсом, допустимым и в современных условиях, является адсорбция грунтом  в периоды низких температур с последующим «захоронением» водяным льдом. По данным со спутников [1] обнаружены большие залежи CO₂ в окрестности южного полюса Марса на глубинах в сотни метров. Причём, они в несколько раз превосходят по массе существующую ныне CO₂ атмосферу. Но, даже при долговременном увеличении температуры поверхности, тепловая волна на такие глубины не доходит и не может вызвать высвобождение «захороненного» СО₂. Поэтому наибольший интерес представляет возможность существования залежей («захоронений») CO₂ на небольших глубинах, подверженных долговременным климатическим и сезонным изменениям температуры.

В данной работе экспериментально исследована стабильность «захоронений» льда CO₂ под небольшим слоем модельного грунта (песок+ лед) в зависимости от температуры при неравновесных условиях с атмосферой. Определены критические параметры температуры, при которых происходит потеря CO₂. Установлена стабильность «захоронений» на глубинах порядка 10мм при избыточном давлении СО₂ ~1бар. Экспериментально установлены верхняя граница скорости диффузионных потерь CO₂. Оценено время стабильного существования СО₂ захоронений в зависимости от глубины залегания, широты и состава удерживающего слоя.

Остаток сверхновой Тихо принадлежит к небольшому подклассу так называемых "исторических остатков сверхновых". Он является результатом взрыва сверхновой типа Iа, наблюдаемой Тихо Браге в 1572 году. Остаток широко изучен во всех диапазонах энергий электромагнитного спектра. Однако, величина расстояния до остатка по-прежнему обсуждается. Большинство авторов дают оценки в интервале от 2 до 4 кпк.

В данной работе представлена оценка расстояния до остатка сверхновой Тихо, полученная совместным анализом наблюдений, проведенных обсерваторией Chandra в 2003, 2005 и 2015 годах, с результатами гидродинамического моделирования. Моделирование проводилось с помощью одномерного сферически-симметричного кода SUPREMNA. Код учитывает наиболее важные для остатков сверхновых физические процессы, такие как нестационарная ионизация, влияние радиативных потерь, учет электронной теплопроводности и нетепловых частиц. В качестве моделей взрыва сверхновых мы использовали классическую модель дефлаграции W7 и модель задержанной детонации, которая, как было показано в работах других авторов, обеспечивает хорошее согласие с рентгеновским спектром остатка Тихо.

В работе рассматривается поглощение выскоэнергичных фотонов при взаимодействии с фотонами теплового тормозного излучения

горячего газа в скоплениях галактик с образованием электрон-позитронных пар и его возможное влияние на искажение спектра далеких источников в гамма-диапазоне 100 МэВ - 100 ГэВ. Рассматривается только случай отрелаксировашего скопления со сферически симметричным распределение газа. Исследована зависимость оптической толщи как от радиальных профилей концентрации и температуры газа, так и от расстояния до центра скопления галактикm на котором пролетает гамма-квант.

Показано, что для небольших скоплений оптическая толща составляет 10^-6-10^-4.

Магнитное поле играет важную роль в эволюции нейтронных звёзд. Считается, что связанные с ним эффекты позволяют объяснять наблюдаемые свойства различных классов нейтронных звёзд (магнитары, изолированные нейтронные звёзды, пульсары и т.д.). В связи с этим необходим расчёт долговоременной (на масштабах  лет) эволюции магнитного поля.

В частности, важно уметь моделировать магнито-тепловую эволюцию недрах звезды. Это явление неоднократно изучалось в коре нейтронных звёзд (см., например, Vigano et al. 2013, Gourgouliatos et al. 2016). Было также предпринято множество попыток изучения магнито-тепловой эволюции в ядре нейтронных звёзд (см., например, Goldreich & Reisenegger 1992, Urpin & Shalybkov 1999, Passamonti et al. 2017), но самосогласованного решения данной задачи произведено не было.

В данной работе предложен метод самосогласованного расчёта долговременной магнито-тепловой эволюции в ядрах нейтронных звёзд в квазистационарном приближении, когда основным источником возмущений среды является сильное и сверхсильное магнитное поле (до  Гс). Учитываются основные механизмы диссипации поля: неупругие столкновения частиц (реакции), амбиполярная диффузия и омическое затухание (Goldreich & Reisenegger 1992). Метод демонстрируется на примере нейтронной звезды, состоящей из несверхтекучих нейтронов, протонов и электронов и обладающей аксиально симметричным полем, но он также может быть обобщён на случай большего числа сортов частиц, сверхтекучести/сверхпроводимости барионов и отсутствия аксиальной симметрии. Показано, что приближения, использованные в предыдущих работах (например, Goldreich & Reisenegger 1992, Passamonti et al. 2017, Castillo et al. 2017) могут не удовлетворяться в условиях нейтронных звёзд и приводить к ошибочным результатам.

В 2015-2016 гг. на РАТАН-600 проведено несколько циклов плановых наблюдений в континууме астрономических объектов–кандидатов SETI. Наблюдения проведены на приемо-измерительном комплексе Эридан-2 на Южном секторе антенны с плоским отражателем. . Список SETI-объектов составил 29 звезд и одно шаровое скопление, наблюдавшихся в течении двух лет:

1) солнцеподобные звезды, у которых обнаружены планеты: HD 1388, HD 1461, HD 13931, HD 38858, CoRoT-5, HD 51419, HD 69830, HAT-P-43, HD 89307, 83 Leo B, HD 114783, HD 134987, HD 146233, HD 150433, HD 157347, HD 164595, HD 164922, CoRoT-9, CoRoT-25, Kepler-69, HD 217877;

2) солнцеподобные звезды: HD 50692, HD 154088, HD 172051, близкие к плоскости эклиптики;

3) звезды-адресаты первых радиопосланий с Земли: HD 50692, HD 75732, HD 95128, HD 186408, HD 197076;

4) шаровое звездное скопление NGC 6553 c металличностью -0.18, что не отличается от металличности многих звезд с открытыми планетами, как в окружении Солнца, так и на больших расстояниях.

Обработка данных проведена на двух волнах наблюдений 2.7 и 6.2 см. Использовался метод накопления сигналов от SETI-объектов , а также поиск вариации излучения при мониторинге этих объектов в течении всего периода наблюдений. Достигнутая чувствительность при накоплении данных составила менее 10 мЯн для 60% и менее 20 мЯн для 80% из всех наблюдавшихся источников. Общее накопление данных составило до 150 дней наблюдений для почти половины объектов списка.

Анализ полученных данных не выявил значимого сигнала от SETI-объектов, но показал, что на РАТАН-600 можно накапливать сигналы с высокой чувствительностью - до 1 мЯн по плотности потока и проводить мониторинг объектов излучения со стабильностью в несколько процентов от уровня принимаемого сигнала.

Модель кулоновского кристалла: точечные ионы, упорядоченные в кристаллическую решетку, и нейтрализующий фон электронов, широко используется в различных областях физики. По современным представлениям эта модель с хорошей точностью описывает вещество во внешней коре холодной нейтронной звезды, в оболочке толщиной несколько сотен метров, простирающейся от основания атмосферы звезды до слоя с плотностью 4.3 10¹¹ г/см³ (плотность нейтронизации). Наибольший интерес представляет структура аккрецированной внешней коры нейтронной звезды, формирующейся в ходе последовательных ядерных превращений при сжатии аккрецированного вещества давлением нового аккрецированного вещества. На данный момент общепринятой считается модель внешней коры, предложенная в работе [1], которая предполагает, что при любой фиксированной плотности плазма состоит из электронов и одного типа ионов, однако, недавние результаты молекулярно-динамических симуляций свидетельствуют о том, что кора имеет более сложную структуру, а аккреция может приводить к формированию многокомпонентных кристаллических смесей [2].

Данная работа посвящена теоретическому описанию свойств кулоновских кристаллов, состоящих одновременно из двух и более типов ионов. Так анализ фононного спектра бинарной ОЦК решетки показывает, что она устойчива если отношение зарядов ионов (q) изменяется в пределе от 1/3.6 до 3.6, и ионы, существенно отличающиеся друг от друга, не образуют ОЦК решетку. С другой стороны, «MgB₂ решетка» устойчива если q больше 0.1, но меньше 0.375. Исследования бинарной  ГПУ решетки показали, что эта решетки изменяет свой размер. Расстояние между слоями уменьшается по мере роста |q-1|.

Рассматривается влияние мелкомасштабного поля на эволюцию угла наклона радиопульсаров и затухание их прецессии.

Нейтронная звезда предполагается состоящей из трех свободно вращающихся друг относительно друга компонент: коры и двух компонент внутри ядра.Предполагается, что каждая из компонент вращается твердотельно, и считается, что одна из ядерных компонент содержит припинингованную сверхтекучую жидкость.  В рамках рассматриваемой модели нейтронная звезда может одновременно иметь долгопериодическую прецессию (с периодом 10² - 10⁴ лет) и испытывать глитчеобразные скачки скорости вращения. Рассматривается как случай осесимметричной, так и неосесимметричной прецессии. Показано, что случай с малым количеством припингованной

сверхтекучей жидкости лучше согласуется с наблюдениями.

According to the standard r-mode theory, hot and rapidly rotating neutron stars (NSs) in low-mass X-ray binaries (LMXBs) should be CFS-unstable with respect to emission of gravitational waves [1,2]. As a consequence, the probability to observe them should be very small,

but this conclusion contradicts observations [3]. To resolve the paradox, in the series of papers [4-8], we introduced a new scenario, in which the finite-temperature effects in the superfluid core of an NS lead to resonance coupling and enhanced damping (and hence stability) of oscillation modes at certain "resonance" stellar temperatures. We demonstrated that NSs in LMXBs with high spin frequency may spend a substantial amount of time at these resonance temperatures, so their interpretation does not constitute a problem.

The scenario of Refs.[4-8] was based on a simplified phenomenological model (in particular, resonance temperatures have never been calculated explicitly). In this work we put it on a more solid ground by considering realistic NS models.

Moreover, to find the resonance temperatures (and hence to verify the scenario) we perform  extensive calculations of oscillation spectra for rotating NSs, accounting for the effects of nucleon superfluidity, finite-temperatures, and multilayer structure of NS cores with different particle compositions. Our work provides a new method to quantitatively constrain the properties of superdense matter by comparing the observed temperatures of NSs in LMXBs with the theoretically calculated resonance temperatures in their oscillation spectra.

Рассматривается спектр радиоизлучения солнечной вспышки 5 июля 2012 г. на основе сантиметровых (RSTN) и миллиметровых (РТ-7.5) наблюдений. В настоящей работе представлена попытка объяснить рост субтерагерцового (100-200 ГГц) излучения с частотой, исходя из численных расчетов спектральных и пространственных характеристик гиросинхротронного (ГС) излучения ускоренных электронов в неоднородной магнитной петле с учетом ультрафиолетовых (SDO/AIA) и рентгеновских (RHESSI) наблюдений. Учитывая влияние как хромосферной, так и корональной плазмы магнитной вспышечной арки, показано, что рост излучения с частотой в миллиметровой части спектра может быть обусловлен тормозным поглощением низкочастотного ГС излучения ускоренных электронов хромосферной плазмой.

Основной задачей современной теоретической физики является построение теории, описывающей фундаментальные взаимодействия и являющейся расширением основополагающей на данный момент Стандартной Модели. Многочисленные существующие варианты такой теории все в той или иной степени гарантируют несохранение пространственной и временно́й четностей, или нарушения пространственной (P) и временно́й (T) инвариантностей (данные эффекты были предсказаны, а позднее и обнаружены экспериментально во второй половине прошлого века). Таким образом, по "степени" нарушения Р,Т-инвариантности можно судить о том, какая из предложенных теорий имеет право на существование.

Как было показано в 70-х годах [1], такого рода эффекты будут более заметны для тяжелых атомов и их соединений. Интерес к этой теме разгорелся с новой силой в последние десятилетия, когда были достигнуты существенные успехи в спектроскопии атомов и молекул [2]. Таким образом, в настоящее время темы поиска теории Великого Объединения и атомно-молекулярной теории тесно переплетены друг с другом.

Специфика рассматриваемых задач заключается в том, что теоретические расчеты и эксперименты не являются взаимозаменяемыми: для корректной интерпретации экспериментально полученных результатов необходимо знание некоторых величин, которые могут быть определены только теоретически. Основным примером является электрический дипольный момент электрона (eEDM, electron Electric Dipole Moment), текущее ограничение на величину которого  было получено в эксперименте с молекулами оксида тория [3] только после вычисления "эффективного поля на орбите" [4].

Проводимые в данный момент эксперименты с атомами франция [5], а также уже проведенные эксперименты на атомах цезия [6], также требуют высокоточного расчета необходимых параметров. В настоящей работе исследованы такие характеристики атома Fr₈₇, как коэффициент усиления электрического дипольного момента электрона, электрон-ядерного скалярно-псевдоскалярного взаимодействия (по результатам исследования этого параметра нами опубликована работа [7]), магнитного квадрупольного момента ядра  (все, кроме первой, ранее для данного атома не рассматривались), а также Cs₅₅. Данные величины позволят определить такие фундаментальные константы, как дипольный момент электрона (возникающий как следствие несохранения четности в слабых взаимодействиях) и т.д., значение которых может служить критерием истинности  теории, претендующей на “должность” фундаментальной. Кроме того, воспроизведены такие свойства электронной структуры, как постоянная сверхтонкого взаимодействия, энергии переходов и потенциал ионизации, достигнуто высокое согласие теории с экспериментом. Впервые в методах учета электронной корреляции рассмотрен брейтовский вклад в межэлектронное взаимодействие, эффектом от которого, как выяснилось, не всегда можно пренебречь.

One of the main tasks of modern High Energy Physics is to study properties of quark-gluon plasma(QGP). In quantum chromodynamics (QCD) QGP is a state of matter with partonic degrees of freedom which exists at extremely high temperatures and baryonic densities. It is generally believed that in the first microseconds after Big Bang Universe existed in the state of QGP.[1]

First experimental signatures of QGP were measured in heavy nuclei collisions at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, BNL). [2] One of the signatures of QGP formation is jet quenching which was observed as a suppression of particle yields (compared to the yield of the same particles in proton-proton collisions) at high transverse momentum region in central collisions of ultra-relativistic heavy nuclei. Jet quenching is the effect of the final state of heavy nuclei collision which is usually explained through parton energy loss in hot and dense medium.

Measurement of the invariant yields of neutral pions is one of the instruments for studying parton energy loss processes, since neutral pions are copiously produced in heavy ion interactions and thus its yield can be measured in a wide transverse momentum range with relatively small statistical and systematic uncertainties.

One of the main advantages of RHIC is a possibility to study QGP properties in different collision systems of nuclei with different interaction energy. This fact allows to study properties of QGP in a wide range of energy densities. In 2012, PHENIX experiment collected data from U+U collisions at 192 GeV, which provide the largest energy density available at RHIC. Such collisions are a unique possibility to obtain additional restrictions on the parameters of theoretical models and measure properties of QGP with a higher accuracy.

PHENIX experiment has measured invariant transverse momentum spectra and nuclear modification factors for neutral pi-mesons in U+U collisions at 192 GeV. Spectra and factors are measured in a wide pT range up to 20 GeV/c for different centrality classes. In central U+U collisions suppression of neutral pi-mesons is the same as the suppression of neutral pi-mesons in Au+Au collisions[4] at the similar collision energy and similar numbers of participants which suggests that suppression level depends on the size of the interaction region and not on its shape.

We acknowledge support from Russian Ministry of Education and Science, state assignment 3.1498.2017/4.6.

Strongly interacting quark-gluon plasma (sQGP) is a state of nuclear matter with partonic degrees of freedom under extreme conditions of temperature. Such state of matter was widely presented in early Universe within microseconds after the Big Bang. First experimental evidences of sQGP formation in ultra-relativistic heavy nuclei collisions were obtained in experiments at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at BNL, USA [1].

Jet quenching is one of the signatures of sQGP formation, which manifests itself in suppressed production of jets and high transverse momentum hadrons relative to binary scaled yields measured in elementary p+p collisions. Suppression of hadron yields at high transverse momentum is explained through energy loss of hard partons in the quark-gluon medium before fragmentation. This effect is studied with nuclear modification factor, which is calculated as ratio of yields measured in heavy ion and elementary p+p collisions and divided by the average number of binary inelastic nucleon-nucleon collisions.

Light neutral mesons (, , , ) could be measured in a wide transverse momentum range with relatively small uncertainties, thus measurement of their differential transverse momentum spectra and nuclear modification factors gives a good opportunity to study the effect of jet quenching.

The system of Cu+Au collisions is a first asymmetric collision system of heavy relativistic nuclei available for the analysis. The first data for Cu+Au collisions at 200 GeV was delivered by RHIC experiments in 2012. This collision system is characterized by a special nuclear overlap geometry different to that in symmetric collision systems (Au+Au, Cu+Cu). Study of differential transverse momentum spectra and nuclear modification factors of  mesons and kaons in Cu+Au collisions will help to better discriminate between input parameters of various theoretical models and better understand mechanisms of partonic energy loss in the quark-gluon medium.

PHENIX experiment [2] has measured differential transverse momentum spectra and nuclear modification factors of  mesons in Cu+Au collisions at 200 GeV in a wide transverse momentum range and different centrality intervals. Yields of  mesons measured in Cu+Au collisions shows similar suppression as same as yields of neutral pions and reconstructed jets [3] in the same collision system. Also they show similar suppression with yields measured in Au+Au collisions [4,5] at the same collision energy and similar numbers of participant. Ratios of  and  yields do not depend on collision centrality and shows similar transverse momentum dependence as previous measurements in p+A and A+A collisions at RHIC [4].

We acknowledge support from Russian Ministry of Education and Science, state assignment 3.1498.2017/4.6.

К неожиданным результатам приводит применение стандартной квантовополевой ренормгруппы к модели эрозии ландшафтов, построенной Р. Пастор-Саторрасом и Д. Г. Ротманом [1]: модель оказывается мультипликативно ренормируемой только в том случае, когда она содержит бесконечное число констант связи. Несмотря на это, однопетлевой контрчлен можно формально выразить через известную функцию V(h), входящую в исходное стохастическое уравнение, и ее производные по h - полю высоты профиля. Из разложения V(h) в ряд Тейлора можно получить весь бесконечный набор однопетлевых констант ренормировки, бета-функций и аномальных размерностей. Вместо набора отдельных неподвижных точек, характеризующих асимптотическое поведение системы, возникает их двумерная поверхность. Если она содержит инфракрасно притягивающие области, то модель демонстрирует скейлинговое поведение в инфракрасном диапазоне. Соответсвующие критические индексы оказываются неуниверсальными, но они удовлетворяют точному универсальному соотношению. 

Одним из способов проверки квантовой электродинамики является измерение радиационных поправок к сверхтонкой структуре высокозарядных ионов. Однако, для их извлечения из экспериментальных данных необходимо учитывать поправки на структуру ядра. Первая из них, вызванная конечным распределением заряда ядра, получила название  поправки Брейта-Розенталя, а вторая, связанная с распределением магнитного момента (т.е. отличие от модели точечного диполя) - поправки Бора-Вайсскопфа. Подробному рассмотрению последней и была посвящена проведённая работа.

В качестве изучаемого объекта был выбран водородоподобный атом таллия в основном электронном состоянии. С одной стороны для него уже были проведены достаточно точные расчёты, поэтому есть возможность сравнения, а с другой применённые ранее техники расчёта не допускают прямого обобщения на случай молекул, а разработанный в данной работе код может быть легко модифицирован для этой цели.

В работе были использованы два технически различных метода для вычисления поправки Бора-Вайсскопфа, которые дали одинаковые результаты. Полученные данные сравнены с результатами предыдущих исследований [1,2].

      Координационные соединения платины и палладия давно зарекомендовали себя в качестве перспективных агентов - биологически активных веществ, которые могут найти применение в противоопухолевой терапии. Обнаруженные при клиническом использовании побочные эффекты цисплатина, обусловленные токсичностью и неизбирательностью действия данного препарата, служат причиной синтеза новых соединений из числа координационных соединений металлов платиновой группы путем перебора комбинации лигандов и координационных центров. Так как противоопухолевое действие цисплатина обусловлено взаимодействием с молекулой ДНК, логично проверять возможность новых синтезированных препаратов образовывать комплексы с молекулой ДНК в модельных системах – водно-солевых растворах.  Данная работа посвящена проверке возможности взаимодействия ДНК с новыми координационными соединениями, содержащими ион двухвалентного палладия или платины в качестве координационного центра с одинаковыми лигандами.

Несмотря на то, что спектры поглощения тестируемых соединений пересекаются с полосой поглощения ДНК, мы использовали УФ спектрофотометрию для анализа их взаимодействия. С помощью спектрофотометрического плавления ДНК была исследована вторичная структура макромолекулы в комплексе с соединениями палладия и платины. Информация о размерах молекулярного клубка и персистентной длине макромолекулы была получена благодаря использованию гидродинамического метода, а именно с помощью вискозиметрии. Было обнаружено, что связывание соединений, содержащих Pd и Pt, с макромолекулой в растворе приводит к увеличению вязкости растворов ДНК.

      Для характеристики связывания изучаемых соединений с ДНК была использована специально разработанная методика альтернативного разбавления раствора, содержащего сформированные комплексы. Она показала, что соединение платины взаимодействует с ДНК путем образования координационной связи. Было выяснено, что взаимодействие Pd-комплекса с макромолекулой происходит намного быстрее, чем с соединением, содержащим Pt. Эксперимент показал, что при образовании комплексов не происходит дестабилизации двойной спирали ДНК. 

      Анализ протонирования ДНК в комплексе с соединениями позволил заключить, что соединение платины блокирует основную протон-акцепторную группу двуспиральной ДНК – N7 гуанина, тогда как для палладиевого комплекса однозначного вывода сформулировать не удалось. Изучение флуоресценции красителя DAPI в растворах ДНК с изучаемыми координационными соединениями показало, что оба соединения связываются по большой бороздке ДНК, но образуют комплексы с участием азотистых оснований и фосфатных групп макромолекулы.  При этом соединения оказывают влияние на конформационные свойства макромолекулы сходным с цис-ДДП способом, хотя наблюдаются также и некоторые отличия.  Действительно, хотя связывание обоих соединений с ДНК и происходит по позиции N7 гуанина, структура формируемого комплекса существенно отличается от комплекса цис-ДДП с ДНК.

It is necessary during surgical operations to make the patient insensitive to any kind of external impact. Narcosis prevents the appearance of pain sensations and associated physiological protection mechanisms that hinder the surgical intervention. Usually there are local, regional and general narcosis. The last type of narcosis is associated with the inhibition of human consciousness that presents in the lack of pain sense, muscle relaxation and memory loss at the time of surgery.

Usually it is necessary to control blood pressure, peripheral capillary oxygen saturation and also to record an electrocardiogram during narcosis. In case of general narcosis it is extremely important to monitor the depth of artificial sleep, in which is immersed the patient to prevent as sudden awakening during surgery, and excessively deep anesthesia [1]. The main difficulty is that the depth of narcosis is not discernible without special medical equipment.

This problem can be solved with the use of electroencephalographic signal (EES) that reflects the activity of the brain. In a state of deep narcosis, the spectrum of the EES is shifted to the low frequency range due to the delta rhythm emergence. The delta rhythm has relatively high-amplitude (hundreds of microvolts) harmonics with frequencies from 1 to 4 Hz. Automated determination of the depth of narcosis involves calculation of the entropy of the EES in time and frequency domains and reduction the obtained values of entropy to a single scale [2–4]. Registration of the EES with the aim of obtaining information for monitoring the depth of narcosis doesn’t require the use of a multichannel electroencephalograph. It is sufficient to use the device with a single bipolar channel, which registers the difference between two potentials on the frontal region of the scalp. Electric potential of the mastoid process or the earlobe is used as a reference.

Developed single-channel electroencephalograph consists of an input stage with instrumentation amplifier [5] and direct current biasing circuit [6][7], lowpass filter, mains hum rejection filter [8], highpass filter, and an analog-to-digital converter with serial data output [9]. The developed device is powered by two lithium-ion batteries (nominal voltage of 3.7 V each), one of which is connected to the electroencephalograph and ensure its operation, and the second is charged from an external power source. When the first battery runs out, the device is connected to the second charged battery while the first battery is connected to an external power source for charging [10]. This method provides the galvanic isolation of the device from the industrial power line.

The electroencephalograph via the serial interface with galvanic isolation is connected to an application-specific computer based on the Qseven Conga-QMX6 embedded processor module. The computer software calculates the entropy of the EES and displays the coefficient corresponding to the depth of narcosis. Calculated coefficient together with the EES recording helps the anesthesiologist to determine the necessary dose of anesthetic and thus prevents the negative outcomes of the surgical intervention.

The study of interaction mechanisms between biologically active substances, DNA and proteins 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 directed designing of the new ones.

Diamminedichloroplatinum(II) (DDP) is one of the most known and widespread anticancer drugs. The ability to interact with DNA and different proteins characterizes the biological activity of the compound. However, molecular mechanisms of these interactions are not clear yet.

In present work, we have studied interaction of cis- and trans- DDP isomers with DNA and serum albumins (SA) using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and DNA melting analysis. The application of FTIR spectroscopy allowed us to study the DDP/DNA and DDP/BSA complexes in D₂O solutions using DNA and protein concentrations close to the physiological level (tens mg/ml). We have shown that both of the DDP isomers facilitate the formation of BSA dimers. The observed effect is stronger for the trans-DDP. In the case of DDP spatial isomers and DNA interaction study, it has been shown that, the isomers predominantly bound to guanine. Moreover, binding of cis-DDP with DNA changed the geometry of DNA sugar-phosphate backbone.

Part of the study was carried out in the Center for Optical and Laser Materials Research and Center for Diagnostics of Functional Materials for Medicine, Pharmacology and Nanoelectronics of St. Petersburg State University. The work was supported by Russian Foundation for Basic Research (RFBR, grant 15-08-06876).

В результате многолетних исследований наночастиц было установлено, что они способны доставлять лекарства местного применения через кожный барьер. Успешная загрузка лекарств в наночастицы и их внедрение внутрь волосяного фолликула может представлять собой эффективный метод локализованной доставки лекарств. Окруженные густой сетью капилляров, волосяные фолликулы являются интересными целевыми структурами. Однако для повышения глубины детектирования частиц требуется применение методик, позволяющих увеличить контраст визуализации данных частиц. Целями работы является исследование возможности увеличения глубины детектирования наночастиц в волосяном фолликуле с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ) благодаря оптическому просветлению кожи.

В работе использовались пять лабораторных крыс альбиносов ex vivo возрастом около 1 года весом 250-300 г. На каждом животном выделялись по два участка, экспериментальный и контрольный.

В качестве исследуемых частиц использовались частицы диоксида титана (TiO₂) (Sigma-Aldrich, США) диаметром 25 нм. Концентрация суспензий частиц составляла 0.5 г/мл. В качестве основы суспензии для исследуемых частиц использовался полиэтиленгликоль 400 (ПЭГ-400).

В качестве иммерсионного агента использовалась многокомпонентная смесь ПЭГ-400 и диметилсульфоксида (ДМСО) в соотношении 80% и 20%, соответственно. Для оценки влияния ДМСО на повышение проницаемости кожи на одном животном в качестве иммерсионного агента использовался ПЭГ-400 без добавления ДМСО.

Суспензия частиц наносилась на предварительно депилированные экспериментальные участки кожи крысы и подвергалась воздействию УЗ частотой 1 МГц, мощностью 1 Вт в непрерывном режиме в течение 1 минуты. Затем суспензия удалялась, и на область воздействия наносился иммерсионный агент. На контрольные участки кожи наносился только иммерсионный агент. С помощью ОКТ (930 нм) проводился мониторинг изменения оптической глубины детектирования участков локализации наночастиц в фолликулах с интервалом 5 минут в течение 1 часа.

По полученным А-сканам ОКТ-изображений была оценена оптическая глубина детектирования наночастиц.

Наибольшая оптическая глубина детектирования частиц в фолликулах при применении смеси ДМСО и ПЭГ-400 составила 354 мкм (через 55 мин). В контрольном эксперименте с применением только ПЭГ-400 в качестве иммерсионного агента глубина детектирования наночастиц составила 213 мкм (через 20 мин). В контрольной группе волосяные фолликулы в процессе оптического просветления полностью визуализировались.

Сравнение оптической глубины детектирования области локализации наночастиц в фолликулах при использовании в качестве иммерсионного агента ПЭГ-400 и смеси ПЭГ-400 и ДМСО показало, что в последнем случае глубина детектирования увеличилась более, чем в 1.5 раза. За время наблюдения оптическая глубина детектирования частиц при использовании ПЭГ-400 практически не изменилась, в то время как при использовании ПЭГ-400 в сочетании с ДМСО глубина постоянно увеличивалась.

Известно, что твердые зубные ткани человека – эмаль и дентин – представляют собой нанокомпозиты, структурные, морфологические и оптические свойства которых зависят от минеральной и органической составляющих [1]. Для того, что соответствовать потребностям современной терапевтической стоматологии в реставрации тканей зуба, необходимо использовать биоматериалы, функциональные характеристики которых аналогичны эмали и дентину [2]. Существующие на данный момент методы получения биокомпозитов повторяют морфологию зубного комплекса, однако не воспроизводят его оптические свойства. За последние отвечает органическая составляющая, содержащаяся в биокомпозите. Следовательно, для их организации необходимо введение органики в состав. Это позволит максимально повторить молекулярные и эмиссионные свойства нативной ткани. Поэтому актуальной является задача по воспроизведению оптических характеристик зубной ткани в биомиметических композитах.

Биокомпозиты, моделирующие органоминеральный состав нативной эмали и дентина, были синтезированы в данной работе с использованием органической и неорганической компонент. Неорганическая составляющая разработанного биокомпозита была получена по методике нашей предыдущей работы [3] и представляла собой нанокристаллический карбонат-замещенный гидроксиапатит кальция (КГАП). Органическая – представляла смесь полярных аминокислот, обнаруживаемых в эмалевых канальцах зубов. Соотношение органической/неорганической составляющих композита было выбрано в соответствии с составом нативных тканей зубов человека. Метод рентгеновской дифрактометрии использовался для оценки фазового состава образцов. Анализ их молекулярного строения осуществлялся методом ИК-спектроскопии. Для сопоставления эмиссионных характеристик биокомпозитов с нативной тканью зуба использовался метод фотолюминесцентной спектроскопии.

С применением комплекса структурно-спектроскопических методов удалось показать, что спектр люминесценции интактной эмали зуба совпадает со спектром синтезированного нами КГАП, использованного в качестве минеральной составляющей биомиметических композитов, и определяется его структурными дефектами. Спектр люминесценции интактной эмали зуба практически полностью аналогичен спектру неорганической составляющей разработанного нами биокомпозита. Определено, что для достижения аналогичных оптических спектров биокомпозита и интактной эмали зуба достаточно использования органической составляющей на уровне 5%, неорганической – 95%. Оптические характеристики интактного дентина максимально полно моделируются в спектре люминисценции биокомпозита с соотношением органической и неорганической составляющих 40%/60%.

Современные компьютерные методы прямого конструирования новых низкомолекулярных лекарственных веществ в активных центрах белков - мишеней стали не менее эффективными, чем традиционный фармакологический подход [1]. За последние пятнадцать лет фрагментно-ориентированный дизайн лигандов стал общепризнанной стратегией создания новых химических соединений как в фармакологии, так и в фундаментальных исследованиях [2]. Данный подход является одним из наиболее успешных методов получения высокоэффективных лекарственных веществ. При этом одной из нерешённых проблем является выбор точек входа и выхода при соединении отобранных фрагментов с помощью линкеров без стерических затруднений в активном центре рецептора в автоматическом режиме [3].

Химическая природа и структура линкера оказывает существенное влияние на биологическую активность разрабатываемых лекарств. Так при жёстком линкере, могут нарушаться взаимодействия фрагментов с функциональными группами рецептора, что приводит к увеличению энергии взаимодействия, а слишком большой и гибкий линкер приводит к увеличению энтропийных потерь и, как следствие, также оказывает отрицательное влияние на энергетические составляющие.

В этой работе мы разработали новый вычислительный метод выбора оптимальных входных и выходных атомов двух фрагментов для конструирования возможных линкеров способных без стерических затруднений соединить рассматриваемые фрагменты в активом центре белка.

Важным шагом перед анализом генетического материала методом полимеразной цепной реакции в режиме реального времени (ПЦР-РВ), является его качественная пробоподготовка, включающая очистку пробы от примесей и концентрирование целевого продукта. Наиболее доступным путём решения этой проблемы является использование высокоспецифических сорбционных методов, что позволяет многократно сконцентрировать целевой продукт.

В последнее время наибольшее распространение принял метод на основе магнитной сепарации. Таким способом можно отделять компоненты клеточного лизата, которые ингибируют ДНК-полимеразу и ПЦР-реакцию, например полисахариды, фенольные компоненты, гумус. Для процесса выделения используются магнитные частицы, размером от 10 до 100 мкм, покрытые силикатной оболочкой. Однако, в случае работы с низкими, и предельно низкими концентрациями ДНК, требования к эффективности сорбционных методов существенно возрастают,  и часто при использовании стандартных методик, не удаётся достичь необходимого уровня генетического материала, достаточного, для достоверного ПЦР анализа [1].

Путём по решению этой проблемы является создание метода выделения ДНК, обеспечивающего выделение единичных молекул в пробе, с целью их последующей детекции. Для этого необходимо обеспечить: 1) пропускание всего объёма пробы через специфический сорбент; 2) очистку целевого продукта от примесей, мешающих дальнейшему анализу; 3) высокую степень концентрации выделенной ДНК.

Показано, что использование переменного магнитного поля для управления магнитным сорбентом внутри жидкой пробы позволяет не только охватить весь объём пробы, но и осуществлять смену жидких реагентов в рабочей камере, таким образом могут быть достигнуты высокие показатели скорости и эффективности процесса выделения ДНК. Опираясь на данные полученные ранее при изучении температурного и ультразвукового воздействий на эффективность выделения ДНК [2], предложен способ увеличения эффективности выделения и концентрирования нуклеиновых кислот при помощи переменного магнитного поля.

При сопоставлении результатов серий экспериментов показано, что такой способ сравним по эффективности с выделением нуклеиновых кислот при помощи некавитирующего ультразвука мегагерцового диапазона [1]. Простота подведения и применения переменного магнитного поля при выделении ДНК на магнитных сорбентах является весомым преимуществом при дальнейшей автоматизации и использовании в устройстве для пробоподготовки генетического материала к анализу методом ПЦР-РВ.

В работе показано влияние различных параметров магнитного поля (частоты, индукции) на эффективность выделения ДНК из модельной пробы. Показано что результат ПЦРРВ анализа ДНК выделенной таким способом таким способом, соответствует высокоочищенным (калибровочным) титрам ДНК [3].

Также получены данные показывающие эффективность отдельных этапов стадий выделения, показано что зависимость скорости пропускания пробы через сорбент, не носит линейно влияет на эффективность сорбции ДНК.

Таким образом, изменяя параметры вспомагательных устройств (магнита, насоса) определены параметры необходимые для высокоэффективного выделения ДНК из жидкой пробы.

Одними из наиболее часто аномально экспрессируемых белков, представленных на поверхности опухолевых клеток, являются рецепторные тирозин-киназы, к которым относится семейство рецепторов эпидермального фактора роста ErbB1-4 (HER1-4) [1]. В последнее десятилетие стали появляться исследования, в которых была показана связь экспрессии HER3 в опухолевых тканях с их резистентностью к препаратам, блокирующим рецепторы HER1 и HER2 [2], а также с выживаемостью пациентов [3]. В связи с этим возникает необходимость разработки терапевтических антител, блокирующих димеризацию рецептора HER3 и тем самым подавляющих тирозин-киназную активность гетеродимера HER2-HER3 в опухолевых клетках.

Перспективным подходом к разработке терапевтических антител является использование вариабельного домена неканонических антител (VHH), впервые обнаруженных в сыворотке крови верблюдовых [4]. Преимуществами такого подхода является высокая аффинность и стабильность препаратов, а также относительная простота их наработки.

В данной работе разработан метод экспрессии VHH-антитела с гистидиновым тагом в периплазме Escherichia coli. Данный метод позволяет получить высокочистый белок (степень чистоты 95%) уже после первого этапа очистки с помощью металл-хелатной аффинной хроматографии.  Корректность фолдинга VHH-антитела к рецептору HER3 была установлена с помощью спектроскопии кругового дихроизма. Анализ спектра кругового дихроизма показал преимущественно ​-листовую вторичную структуру, свойственную иммуноглобулинам, что свидетельствует о корректности фолдинга белка в периплазме E. coli. Оценка стабильности антитела получена из кривых плавления дифференциальной сканирующей калориметрии: температура плавления VHH-антитела составляет 75-76°С и не зависит от ионной силы буферного раствора. Также с помощью спектроскопии флуоресценции была получена кривая денатурации в мочевине.  На основе её анализа была вычислена свободная энергия Гиббса фолдинга белка ​G(H₂O)=9.8±0.5 ккал/моль (более 15kT для комнатной температуры), что также свидетельствует о его высокой термодинамической устойчивости.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (уникальный идентификатор: RFMEFI57716X0217; соглашение 14.577.21.0217).

Фотодинамическая терапия (ФДТ) - это клинически одобренный метод лечения опухолевых заболеваний, который может оказывать цитотоксическую активность в отношении опухолевых клеток [1-3]. Механизмы повреждения опухолевых клеток сильно зависят от места локализации применяемого фотосенсибилизатора (липидная мембрана, внутриклеточные органеллы или ядро). Препараты хлоринового ряда, применяемые в клинической практике в России (Радахлорин, Фотодитазин, mTHPC), преимущественно накапливаются в цитоплазме клеток (не в ядре), связываясь с белковыми компонентами и тем самым локализуя область повреждений. При лазерном облучении происходит генерация возбужденного состояния молекулы кислорода (синглетный кислород) и дальнейшее окисление биологических объектов. Однако существует возможность повреждения молекул ДНК вблизи поверхности ядерной мембраны, что может привести к образованию мутаций. В данной работе проведено исследование повреждения модельных белковых ферментов (Taq ДНК-полимераза и PFU-полимераза) и дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) при фотодинамическом воздействии с использованием фотосенсибилизатора Радахлорин. Экспериментально определены диапазоны доз лазерного облучения и концентрации синглетного кислорода образующиеся в растворе при ФДТ приводящие к полному подавлению ферментативной активности Taq- полимеразы и PFU-полимеразы. Также определены дозы облучения при ФДТ снижающие репликационную активности одноцепочечных молекул ДНК. Полученные результаты демонстрируют, что ферментативные белки обладают на порядок более высокой чувствительностью к повреждению при ФДТ, чем молекулы ДНК и прямое повреждение нуклеиновых кислот в ядре опухолевых клеток является маловероятным. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-04-01858 а.

Транэпидермальная и трансдермальная доставка лекарственных препаратов и оптических иммерсионных агентов привлекает большое внимание исследователей. При этом значительное количество работ посвящёно разработке методов преодоления эпидермального барьера, который препятствует свободной диффузии препаратов с поверхности в более глубокие слои кожи.

В работе представлены результаты сравнительного исследования оптического иммерсионного просветления кожи лабораторных крыс in vivo при различных методах проницаемости эпидермиса. Фракционная и поверхностная лазерная микроабляция осуществлялась с помощью установки на основе импульсного эрбиевого лазера (λ = 2940 нм). Низкочастотное ультразвуковое воздействие осуществлялось с помощью специальной терапевтической установки. В качестве оптического просветляющего агента использовался полиэтиленгликоль 300. Исследования выполнялись на лабораторных крысах. Для мониторинга состояния кожи в процессе оптического просветления использовалась оптическая когерентная томография (ОКТ). На основе модели однократного рассеяния по наклону ОКТ-сканов оценивался коэффициент ослабления света в коже.

Большая группа противоопухолевых препаратов нацелена на предотвращение деления опухолевых клеток путем связывания с ядерной ДНК. Среди таких препаратов особое место занимают препараты на основе координационных соединений металлов платиновой группы. Однако ввиду их несовершенства (сложности при реализации внутриклеточного проникновения, неизбирательности действия, трудности вывода продуктов реакций из организма, нефротоксичности и др.), продолжается поиск новых координационных соединений, связанный с замещением металла-комплексообразователя или с введением новых лигандов в координационную сферу центрального атома. Относительно мало изучено взаимодействие анионных комплексов фталоцианинов и структурно родственных им порфиринов с ДНК. Они имеют ряд преимуществ перед классическими катионными координационными соединениями. Такие соединения уже зарекомендовали себя как эффективные фотосенсибилизаторы для фотодинамической терапии, более того, анионные комплексы менее опасны для здоровых клеток.

В данной работе использовали анионный комплекс динатриевой соли дисульфофталоцианина Co. Рассматривали возможность его взаимодействия с молекулой ДНК. Использовали методы: спектрофотометрию, низкоградиентную вискозиметрию, изучение плавления ДНК. Для изучения комплексообразования готовили растворы высокомолекулярной ДНК тимуса теленка фирмы Sigma с молекулярной массой M = 9*106 , определенной по значению характеристической вязкости в 0,15 M NaCl.

Показано, что при добавлении ДНК в раствор соединения наблюдается формирование комплекса, проявляющееся в изменении поглощения соединения (вне полосы поглощения ДНК). Фиксируется падение интенсивности и гипсохромный сдвиг полосы с увеличением концентрации ДНК в растворе. Принято считать, что для порфиринов и фталоцианинов интеркаляция между основаниями ДНК обычно сопровождается батохромным сдвигом полосы поглощения (10 нм) и уменьшеем интенсивности поглощения (40%) для области 348-355 нм, тогда как бороздочное связывание отвечает малым изменениям в поглощении и незначительным сдвигом.

Важнейшим фактором, определяющим эволюцию сложных систем, является наличие коллективных эффектов, возникающих в результате взаимодействия или перераспределения определенных связей между частями составного объекта. Во многих случаях без учета групповых явлений оказывается невозможным проведение объективного анализа функционирования указанных систем.

Существуют разные подходы в изучении коллективных явлений сложных систем. Все они, так или иначе, связаны с исследованиями уникальных особенностей составных объектов: определенные количественные и качественные соотношения между элементами системы, согласованность динамики компонентов при внешних воздействиях, специфические явления синхронизации.

Одним из наиболее удивительных и сложнейших объектов, в функционировании которого наиболее ярко проявляются эффекты согласования и синхронизации большого количества сигналов, является головной мозг человека. Он содержит порядка 100 млрд. нейронов, на каждый из которых приходится в среднем около 10 тыс. связей.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) – достаточно простой и в то же время информативный метод, позволяющий изучать физиологическую и аномальную (патологическую) динамику отдельных областей головного мозга в различных состояниях испытуемого, а также анализировать особенности функционирования участков мозга у людей, имеющих различные когнитивные способности.

В данной работе на основе фрмализма функций памяти - оригинального теоретического подхода для  анализа временных сигналов сложных систем  [1, 2] рассматриваются коллективные процессы в коре головного мозга человека в различных когнитивных ситуациях. Были изучены ЭЭГ-сигналы двух групп испытуемых: людей имеющих ("музыканты") и не имеющих ("немузыканты") музыкальные способности [3] при решении ими нескольких когнитивных задач. Были выявлены динамические, спектральные и немарковские особенности коллективной динамики ЭЭГ-сигналов указанных групп испытуемых, а также установлены пары сенсоров, взаимодействие сигналов с которых существенным образом различается. Представленные результаты будут представлять интерес для биофизики, когнитивной психологии, нейрофизиологии и других областей, связанных с изучением удивительных особенностей биоэлектрической активности человеческого мозга.

Кристаллизация белков является одним из перспективных направлений современной науки, поскольку позволяет создать кристаллы из белков; использовать их для исследований отработанными твердотельными методами; устанавливать пространственное строение молекулы белка.

С термодинамической точки зрения кристаллизация белка подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация любых других веществ. Однако имеется целый ряд особенностей, которые существенно осложняют процессы формирования кристаллов белка: 1) высокая растворимость белка в воде, приводящая к необходимости добавления конденсирующего агента в раствор [1]; 2) наличие гидратной оболочки вокруг молекулы белка [1]; 3) ориентационно-зависимые взаимодействия молекул белка и поверхностью кристалла белка [2].

Целью данной работы является формулирование кинетической модели зародышеобразования и роста отдельных кристаллов белка при кристаллизации в капиллярах методом встречной диффузии.

Отдельно стоит отметить, что грани кристалла белка лизоцима растут по островковому механизму, последовательно заращивая слой за слоем, а также необходимо учитывать, что молекулы белка могут присоединяться к растущему кристаллу в двух ориентациях: совпадая («ориентировано») и не совпадая («неориентировано») с ориентацией уже присоединившихся молекул белка [2].

В ходе работы сформулирована кинетическая модель и проведены компьютерные расчёты кристаллизации белка лизоцима. Определены условия образования таких кристаллов. На основании полученных условий выращены отдельные кристаллы, пригодные для рентгенографического исследования. Разработанная модель позволяет предсказывать количество, размер и место зарождения кристалла внутри капилляра.

В настоящее время значительный интерес для теоретической и вычислительной физики представляет исследование эффектов статистической памяти, связанных с эволюцией природных объектов. При этом усилия физиков, работающих в данной области, направлены на поиск статистических индикаторов и численных показателей, на оптимизацию таких мер для описания дискретной временной эволюции сложных систем разнообразной природы. Особую актуальность решение этих задач приобретает при идентификации и количественном описании аномального функционирования живых систем из дискретных временных серий. Анализ временных серий является важным инструментом, используемым для изучения природы сложных систем в физических исследованиях.

В этой работе формализм функций памяти [1, 2] применяется для анализа динамики длительности шага у людей с различными патологиями мозга: болезнями Паркинсона, Хантингтона и боковым амиотрофическим склерозом, а также здоровых людей [3]. У здоровых испытуемых динамика продолжительности шага изменяется во времени сложным образом. Эти изменения могут быть описаны при помощи амплитуды и динамики флуктуаций продолжительности шага. При некоторых неврологических заболеваниях наблюдается увеличение амплитуды флуктуаций, а также изменение динамики флуктуаций, связанное с временной организацией исследуемого процесса. Например, при болезнях Паркинсона и Хантингтона, вызванных нейрогенеративными нарушениями в функционировании базальных ганглий, возникают значительные нарушения в способностях человека поддерживать равновесие при ходьбе, что существенно отражается в изменении его локомоторных функций. У людей с данными нейрогенеративными заболеваниями наблюдается снижение способности центральной нервной системы регулировать и координировать двигательные функции, отвечающие за устойчивость при ходьбе. Боковой амиотрофический склероз – заболевание, при котором, прежде всего, повреждаются двигательные нейроны ствола и коры головного мозга, а также спинного мозга. Локомоторная функция у таких пациентов значительно нарушается. 

Предложенные в работе информационные характеристики статистической памяти позволяют провести количественную оценку динамических состояний пациентов и здоровых людей. В частности, было обнаружено, какую роль играют эффекты статистической памяти в локомоторной динамике человека. Мы установили, что сильная память и переход от хаотического поведения к робастному и регулярному режиму характерны для походки пациентов при различных заболеваниях головного мозга и ЦНС. Даже незначительное усиление эффектов статистической памяти, изменения в поведении статистических индикаторов и структуре фазовых облаков могут свидетельствовать о патологических изменениях в функционировании головного мозга и деятельности ЦНС человека.

Под доставкой лекарства понимается или процесс переноса вещества в микрочастице/контейнере к очагу болезни или процесс высвобождения лекарства из контейнера. Ведутся разработки как таргетной доставки контейнеров к месту заболевания (например, использование магнитных наночастиц, или специфическая модификация поверхности капсулы), так и методов эффективного выхода лекарств из контейнеров.  Микроконтейнеры применяются для упрощения приема препаратов, снижения количества приемов, для поддержания в крови заданной концентрации лекарства. Например, для терапии ВИЧ требуется принимать несколько препаратов в строго заданное время. С помощью микрочастиц с заданным временем выхода лекарства такая процедура будет происходить в автоматическом режиме [1].

Многообещающим подходом развития контролируемого выхода лекарства служит упаковка всех компонентов препарата в контейнеры нано- и пиколитрового объема, представляющие собой макроэмульсию (например, «гидрогель в масле»). Для создания такой макроэмульсии используется технология под названием «Капельная» микрофлюидика (droplet microfluidics). С ее помощью возможно производить сотни тысяч монодисперсных микроконтейнеров с заданными характеристиками (размер, состав капсул). Кроме того, такая технология позволяет снижать объем используемых реагентов и обеспечивает прецизионные манипуляции с микрореакторами [2]. Выход лекарства сильно зависит как от структуры контейнера, так и от самой дозы препарата. Изменяя размер и структуру контейнера, процентное соотношение состава лекарства в контейнере, можно контролируемо варьировать время высвобождения препарата от нескольких секунд до минут и т. д. в зависимости от конкретного заболевания [3]. Большой интересен вызывают гидрогелевые PEGDA контейнеры из-за ряда преимуществ: биосовместимость, простота формирования, возможность изменения морфологии контейнера, создание структур по типу жидкое ядро с твердой оболочкой.

В данной работе создание гидрогелевых контейнеров осуществлялось с помощью микрофлюидных генераторов макроэмульсий, которые были изготовлены методом «мягкой литографии» [4]. Формирование макроэмульсии осуществлялось за счет возникновения нестабильности на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей. В качестве непрерывной фазы использовалось минеральное масло, а в качестве дисперсной фазы – водные растворы полиэтиленгликоль диакрилата (PEGDA) c фотоинициатором Irgacure 2959. Диаметр контейнеров составил 20 – 200 мкм в зависимости от соотношения между расходами фаз. После формирования эмульсии проводилась полимеризация PEGDA с помощью УФ излучения с длиной волны 365 нм и мощностью 150 мВт/см².

Было проведено исследование процесса образования капель PEGDA и получена зависимость времени их отверждения от концентрации фотоинициатора. Построена качественная модель отверждения таких объектов. Проведено исследование диффузионного выхода флуоресцентного красителя FITC из микроконтейнеров в зависимости от концентрации PEGDA, что позволило качественно оценить их пористость.

Исследование поддержано грантом Президента РФ №MK-2131.2017.4

Известно, что примерно 70% твердого основного вещества кости образовано неорганическими соединениями, главным компонентом которых является неорганический минерал гидроксиапатит (ГАП). Он является основным минералом в составе зубной эмали и дентина. Керамика на его основе не вызывает реакции отторжения и способна активно связываться со здоровой тканью. Благодаря этим свойствам, гидроксиапатит может успешно использоваться при восстановлении повреждений

Недостатком гидроксиапатита являются его механические характеристики. Порошки, используемые для производства биокерамики, должны отвечать следующим требованиям:

1) Близость частиц, составляющих порошок, по размеру, для образования в процессе дальнейшего спекания керамического материала, обладающего однородностью и характеризующегося отсутствием микротрещин;

2) Отсутствие микропор в частицах, составляющих порошок;

3) Воспроизводимость параметров пористой структуры в процессе синтеза.

Соответственно, необходимо развитие эффективных методов анализа, обеспечивающих оценку всех перечисленных выше параметров.

Целью настоящей работы является рассмотрение возможностей метода тепловой десорбции инертных газов  для анализа структурных свойств биосовместимых наноматериалов для стоматологии - порошков гидроксиапатита кальция Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, полученных методом гидрохимического осаждения. В отличие от других методов исследования структурных характеристик образцов, адсорбционные методы анализа имеют ряд преимуществ: возможность исследования большого объема материала в один прием (в отличие от локальных методов, где анализируются отдельные участки образца и результаты исследования усредняются), возможность исследования материалов с большой шероховатостью, где другие методы анализа поверхности неприменимы или нежелательны.

Синтез порошков ГАП проводили методом осаждения из водных растворов, в качестве исходных реагентов использовали растворы нитрата кальция (Ca(NO3)₂·4H₂O) и гидроортофосфата аммония ((NH₄)₂HPO₄), полученные образцы подвергали термической обработке в различных температурно-временных режимах. В ходе работы были проведены исследования изотерм адсорбции и удельной поверхности серии синтезированных образцов, далее эти данные сопоставлялись с данными о плотности порошка, и с помощью специально созданного программного продукта производилось определение параметров пористой структуры, наличия микропор, среднего размера частиц в материале и прочих характеристик, требуемых для создания биокерамики.

Полученные характеристики исследуемого порошкового материала (размер частиц порошка, параметры пористой структуры) сопоставлялись с характеристиками костной ткани человека, дентина и эмали зубов. Были установлены режимы, при которых размеры частиц синтезированных гидроксиапатитов наиболее близки по характеристикам к зубной эмали.

Микоплазмы (класс Mollicutes) - самые маленькие из известных организмов, которые могут жить на искусственных средах. Микоплазмы способны вызывать острые и хронические заболевания у растений и животных, в том числе, у человека [1]. Эти бактерии, существенно редуцировали геномом (от 0,5 до 1,5 млн пар оснований) из-за, как считается, их паразитического образа жизни [2]. Они потеряли значительную часть генов предков, но сохранили гены, необходимые для жизни. Один из этих генов кодирует высококонсервативный белок FtsZ. FtsZ - известный прокариотический гомолог тубулина, являясь одним из ключевых элементов аппарата деления в большинстве изученных бактерий, считается перспективной мишенью для новых антибиотиков. Однако, микоплазмы мало изучены и роль белка FtsZ в клетках микоплазм до сих пор неясна.

Изучение микоплазм затруднено отсутствием генетических инструментов и специфическими требованиями к условиям культивирования этих бактерий. Одним из, наиболее широко используемых методов изучения внутренней организации биологических объектов, является, флуоресцентная микроскопия. Однако, разрешение оптической микроскопии ограничено дифракцией света, что значительно осложняет визуализацию внутренних структур, таких как белковые комплексы, для столь мелких организмов как микоплазмы, размер клеток которых, порядка десятых долей микрометра.

Благодаря разработке новых методов, стало возможным преодоление предела, ограничивающего область применения флуоресцентной микроскопии. Один из передовых методов сверхвысокого разрешения – локализационная микроскопия (англ. SMLM – single-molecule localization microscopy), которая в комбинации с иммунофлуоресцентным окрашиванием, была использована в данной работе, чтобы исследовать свойства белков FtsZ в клетках микоплазм.

Локализационная микроскопия - основана на разделении флуоресценции одиночных молекул во времени за счет обратимых переходов молекул между флуоресцентным и «темным» состояниями и последующей локализации каждой флуоресцентной молекулы с субдифракционной точностью. Конечное изображение реконструируется из накопленных положений молекул со значительно улучшенным разрешением [3].

Флуоресцентные изображения получали с использованием установки на основе моторизованного микроскопа AxioImager.Z1 (Carl Zeiss, Германия). Работа с образцами выполнялась в буфере описанном в [4], с использованием программного обеспечения MicroManager [5]. Реконструкция изображений выполнялась с использованием плагина ThunderSTORM для ImageJ [6].

Описанным метод локализационной микроскопии позволил визуализировать белки FtsZ в микоплазмах и построить некоторые предположения о структурах формируемых этим белком и о его роли в клетках. Полученные данные свидетельствуют, что метод локализационной микроскопии позволяет визуализировать внутриклеточные структуры, которые остаются неразрешенными при использовании традиционной флуоресцентной микроскопии, что является существенным для такого объекта исследования как микоплазмы, размеры клеток которых сопоставимы с дифракционным пределом оптической микроскопии.

DNA damage induced by ionizing radiation can lead to mutation and cancer transformation of the cell and cause the death of the cell or the whole organism. Among the most abundant types of radiation-induced structural damages in DNA are modifications and destruction of nitrogenous bases, and also local breakages of hydrogen bonds (partial denaturation) mainly in the lesion sites of the macromolecule [1].

One of the most sensitive method for revealing alterations in DNA primary and secondary structure is DNA melting [2]. It is a transition of double-stranded molecule (helix) in single strands with coil conformation. This process can be induced by different denaturants or by heating, and can be investigated with different methods: absorbance, optical activity, microcalorimetry. The most common method is measuring of UV-absorption DNA solution at 260 nm. This method is based on hyperchromic effect – increasing of DNA absorption when hydrogen bonds between complimentary nitrogenous bases disappears [2].

In the presence work we study aqueous-salt DNA solutions exposed by gamma-radiation with the doses of 0-100 Gy at the ionic strengths 0.15 M and 0.005 M NaCl. DNA melting curves were measured in these solutions and DNA melting temperatures which characterize a middle point of the "helix-coil" transition were obtained. The increase in electrolyte concentration in a solution augments the stability of native DNA helix and the melting temperature enlarges. Gamma-irradiation causes decrease of DNA melting temperature both in 0.15 M and 0.005 M NaCl solutions. We also obtainedthe concentration of unaltered nucleobases and total hyperchromic effect in irradiated solutions. It is found that bases destruction is reduced in the solutions with larger NaCl concentration. Differential melting curves of irradiated DNA display more then one maximum as opposed to ones of native DNA. We suppose that it can indicate that in irradiated macromolecule there are regions with essentially different thermostability. The additional maxima often lie at the temperatures larger then melting temperature of native DNA. It permit us to propose that the observed effect is due to inter- or intramolecular crosslinks in DNA.

Acknowledgment

A part of this work was performed using the equipment of the Centre for Optical and Laser Materials Research (COLMR), St. Petersburg State University.

This work was supported by the RFBR, project no. 15-08-06876.

Сканирующая силовая микроскопия (ССМ) является одним из немногих методов, позволяющих изучать нативные (живые) клеточные структуры. Кроме того, в отличие от распространенных оптических методов изучения клеточных структур, ССМ позволяет получить трехмерные изображения топологии объектов с наноразмерной точностью, а также получить дополнительные данные об объекте исследования (шероховатость, силу адгезии, жесткость и т.п.). Однако, существует необходимость дальнейшего повышения разрешения метода для визуализации тонкой структуры сложных биообъектов, в частности, структуры клеточных мембран [1,2]. 

При этом в атомно-силовой микроскопии зонд является одним из основных элементов, влияющих на пространственное разрешение получаемых изображений. В некоторых случаях существующего разрешения ССМ не достаточно, поэтому для детального изучения наноразмерных особенностей поверхности объектов проводятся работы по модификации формы и состава стандартных зондовых датчиков. Одним из перспективных направлений является формирование на вершинах стандартных зондов нитевидных структур, в частности, одиночных нановискеров [3,4].

Целью данной работы являлось изучение тонкой структуры нативных биологических объектов в жидкости с использованием метода атомно-силовой микроскопии и сформированных специализированных зондов с одиночными нановискерами.

Для формирования зондов с металлуглеродными Pt/C нановискерами использовался  двухлучевой электронно-ионный микроскоп CrossBeam Neon 40 (Carl Zeiss, Германия). Для изучения клеточных структур тестирования зондов и выявления особенностей проведения измерений в жидких средах использовался атомно-силовой микроскоп Ntegra Aura (NT-MDT, Россия) и Bioscope Catalyst (Bruker, Германия), совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом Axio Observer D1m (Carl Zeiss, Германия).

Нановискер фомировался на вершине зонда путем разложения и осаждения компонентов газа-прекурсора под действием пучка электронов в вакууме. Оптимальный размер составил 300-400 нм в длину при диаметре вискера около 40-60 нм. При данных размерах сохраняется высокая механическая устойчивость зондов, что было продемонстрировано экспериментально. Исследование биологических объектов в нативном состоянии в жидких средах проводилось в полуконтактной силовой моде ССМ для уменьшения инвазивного воздействия зонда на изучаемые объекты.

При исследовании бактерий E.Coli методом ССМ было обнаружено улучшение пространственного разрешения и контраста полученных изображений. В частности, была замечена тонкая наноразмерная структура по периметру бактерии E.Coli, напоминающая структуру волокон (волосков), которая стандартным зондом не была визуализирована. При измерении параметров структуры выявлено, что размеры волокон составляют около 50 нм в диаметре и 7-10 нм по высоте, однако стоит учесть, что так как данные измерения проводились в жидкости, такие структуры могут слипаться, характерные значения слипшихся волосков составили около составляют значения около 400-500 нм в диаметре и 20-30 нм по высоте.

Проведены исследования мембран фибробластов, которые показали улучшение проникающей способности зондов с нановискерами. Так, зонды с нановискерами отобразили один и тот же участок исследования с перепадом высот 1,3 мкм, тогда как стандартный зонд показал перепады высот около 0,7 мкм на той же области. Сила адгезии при этом составила для зонда с нановискером значение около 3,6 нН, для стандартного зонда около 1,2 нН.

Таким образом, при работе зондами с нановискерами в жидких средах замечено улучшение пространственного разрешения и контраста изображений нативных клеточных структур со сложной топологией поверхности. В дальнейшем разработанные зонды с нановискерами могут быть применены для изучения нативных объектов сложной формы в таких сферах, как фармакология и медицина.

Работа выполнена при государственной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (16-32-00806), ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01).

1. Yuri L. Lyubchenko. Preparation of DNA and nucleoprotein samples for AFM imaging. // Micron, Vol. 42, No. 2, – P. 196-206. – 2011.

2. L. Kailas, E.C. Ratcliffe, E.J. Hayhurst, M.G. Walker, S.J. Foster, J.K. Hobbs. Immobilizing live bacteria for AFM imaging of cellular processes. // Ultramicroscopy, V. 109, No. 7, – P. 775-780. – 2009.

3. J. D. Beard and S. N. Gordeev. Fabrication and buckling dynamics of nanoneedle AFM probes. // Nanotechnology, 22 (17),– P. 175303 (8 pp). – 2011.

4. M. V. Zhukov, I. V. Kukhtevich, V. V. Levichev, I. S. Mukhin and A. O. Golubok. Specialized probes with nanowhisker structures for scanning probe microscopy. // J. Phys.: Conf. Ser. 541 (1),– 012042 (6pp). – 2014.

Важность изучения устройства и функционирования живых систем весьма актуальна для решения практических и теоретических задач при развитии биологических и сельскохозяйственных наук в связи с угрозами перенаселения планеты Земля. Результаты таких исследований дают возможность повысить эффективность  методов селекции растений, ведущих к развитию устойчивого сельского хозяйства.  В этой связи возрастает необходимость использования в исследованиях хорошо зарекомендовавших себя в других научных вопросах методы и экспериментальные методики. Благодаря применению таких методов было установлено, что при возбуждении зеленых листьев оптическим излучением с энергией квантов света 1,96 эВ возникает интенсивная красная фотолюминесценция, состоящая из двух перекрывающихся полос [1]. Это привело к расширению применения методов исследования различных характеристик оптических свойств растений, в которых зеленые растительные объекты исследовались бы как обычные твердотельные полупроводниковые образцы. При этом анализ результатов проводится 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].  Представленная работа демонстрирует результаты изучения кинетики фотолюминесценции зеленых листьев , которые были отделены от материнского растения и фактически является логическим развитием наших исследований [1-3]. Это позволяет установить новые аспекты затухания биологических процессов в зеленых листьях в условиях комнатной температуры.

Исследование фотолюминесценции было проведено на зеленых листьях различных растений. Источником возбуждения фотолюминесценции в эксперименте было излучение аргонового лазера ILA-120-1 Carl Zeiss c энергиями возбуждения hw_exc = 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 непосредственно с момента отделения зеленых листьев от материнского растения в зависимости от их выдержки.

Эксперимент обнаружил, что спектральный контур красной фотолюминесценции оказался практически нечувствительным к процессам усыхания листьев. Спектральное положение максимумов люминесценции и их полуширины на полувысоте практически не изменяются при изотермической сушке в течение 30 суток по отношению к первоначальному исследованию фотолюминесценции еще связанного с материнским растением зеленого листа.

При исследованиях было установлено, что временная зависимость интенсивности обычно включает в себя две четко проявляющиеся стадии. Вначале интенсивность фотолюминесценции возрастает, а затем уменьшается, однако в течение достаточно длительного периода времени пребывания в условиях комнатной температурные падает ниже установленного для живого растения исходного значения. Обнаруженные особенности могут вызвать резкий всплеск исследований в изучении возможностей практического использования люминесцентных свойств растительных объектов.

Важность изучения устройства и функционирования живых систем весьма актуальна для решения практических и теоретических задач при развитии биологических и сельскохозяйственных наук в связи с угрозами перенаселения планеты Земля. Результаты таких исследований дают возможность повысить эффективность  методов селекции растений, ведущих к развитию устойчивого сельского хозяйства.  В этой связи возрастает необходимость использования в исследованиях хорошо зарекомендовавших себя в других научных вопросах методы и экспериментальные методики. Благодаря применению таких методов было установлено, что при возбуждении зеленых листьев оптическим излучением с энергией квантов света 1,96 эВ возникает интенсивная красная фотолюминесценция, состоящая из двух перекрывающихся полос [1]. Это привело к расширению применения методов исследования различных характеристик оптических свойств растений, в которых зеленые растительные объекты исследовались бы как обычные твердотельные полупроводниковые образцы. При этом анализ результатов проводится 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].  Представленная работа демонстрирует результаты изучения кинетики фотолюминесценции зеленых листьев , которые были отделены от материнского растения и фактически является логическим развитием наших исследований [1-3]. Это позволяет установить новые аспекты затухания биологических процессов в зеленых листьях в условиях комнатной температуры.

Исследование фотолюминесценции было проведено на зеленых листьях различных растений. Источником возбуждения фотолюминесценции в эксперименте было излучение аргонового лазера ILA-120-1 Carl Zeiss c энергиями возбуждения hw_exc = 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 непосредственно с момента отделения зеленых листьев от материнского растения в зависимости от их выдержки.

Эксперимент обнаружил, что спектральный контур красной фотолюминесценции оказался практически нечувствительным к процессам усыхания листьев. Спектральное положение максимумов люминесценции и их полуширины на полувысоте практически не изменяются при изотермической сушке в течение 30 суток по отношению к первоначальному исследованию фотолюминесценции еще связанного с материнским растением зеленого листа.

При исследованиях было установлено, что временная зависимость интенсивности обычно включает в себя две четко проявляющиеся стадии. Вначале интенсивность фотолюминесценции возрастает, а затем уменьшается, однако в течение достаточно длительного периода времени пребывания в условиях комнатной температурные падает ниже установленного для живого растения исходного значения. Обнаруженные особенности могут вызвать резкий всплеск исследований в изучении возможностей практического использования люминесцентных свойств растительных объектов.

Взаимодействие поля лазерной волны с металлической наноиглой вызывает эмиссию электронов с её поверхности даже при умеренных значениях лазерной интенсивности . При этом фемтосекундная длительность лазерного импульса исключают сильный нагрев поверхности металла, и, следовательно, механизм эмиссии не связан с термолизацией электронов. В этом случае проявляется нелинейная фотоэмиссия электронов [1], механизм которой аналогичен механизму надпороговой ионизации атомов [2, 3]. Энергетический спектр свободных электронов в этом процессе отражает нелинейный характер холодной эмиссии.

Экспериментальной реализации нелинейной холодной эмиссии способствовало развитие технологи создания наноструктур, в первую очередь, таких как литография [4] и химический синтез [5]. При лазерном облучении наноразмерных объектов возрастает вес нелинейных процессов из-за наличия локального усиления внешнего лазерного поля вблизи поверхности, вызванного  генерацией поверхностных плазмон-поляронов и их сверхфокусировкой [6]. Дополнительный интерес к процессу взаимодействия лазерного излучения с металлическими наноиглами связан также с практическим использованием генерируемых субфемтосекундных электронных импульсов [7].

В настоящее время теоретическое описание процесса нелинейной холодной эмиссии строится на основе полуклассических моделей или с использованием численного моделирования [8]. В данной работе мы предлагаем точно решаемую квантово-механическую одномерную модель процесса, исходя из нестационарного уравнения Шрёдингера 

с граничными условиями

Здесь  – вектор потенциал поля лазерного импульса,  – нормировочная постоянная;  ,  – начальная энергия электрона внутри металла. Остальные обозначения в уравнениях (1) и (2) являются стандартными. Координатная ось направлена перпендикулярно плоскости металла, а начало отсчёта совпадает с границей металл-вакуум.

Мы используем упрощённую модель металла в рамках теории Зоммерфельда, а также рассматриваем относительно слабое лазерное поле, в котором не происходит значительного искажения электронных состояний внутри металла за время действия импульса. Эти  предположения отражают граничные условия (2). Используя преобразование Лапласа по пространственной переменной, получим решение уравнения (1) в виде интеграла:

где  – импульсное представление функции ,  и  – классическое смещение электрона в поле лазерной волны и интеграл от его кинетической энергии.

Интеграл в уравнении (3) вычислен аналитически для синусоидального импульса, и одноциклового импульса электрического поля с вектор-потенциалом в виде функции Гаусса. Для этих случаев нами рассчитан энергетический спектр электронов, освободившихся в результате нелинейной холодной эмиссии. Основные особенности полученного спектра хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (заявка № 3.6369.2017/БЧ)

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольких спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местопо­ложения потребителя до 10-15 м.

Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времени потребовало установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых и рубидиевых стандартов частоты и наземного водородного, а также создания наземных средств сличения шкал.

Концепция развития космической навигационной системы и развитие метрологической службы исходит из необходимости постоянной модернизации используемых в настоящее время квантовых стандартов частоты (КСЧ) или разработке новых.

Процесс модернизации КСЧ включает в себя различные направления: уменьшение энергопотребления, массы и размеров, улучшение метрологических характеристик. В спутниковых системах предпочтение отдается улучшению метрологических характеристик при сохранении неизменными остальных параметров. На данный момент одним из наиболее перспективных направлений модернизации КСЧ является разработка системы стабилизации магнитного поля атомно-лучевой трубки.

Согласно [1] центральный СВЧ-резонанс атомов цезия-133, возникающий из-за эффекта Зеемана, испытывает квадратичный сдвиг частоты. Для значения магнитного поля порядка 6 мкТл, при котором происходит расщепление сверхтонкой структуры атомов цезия-133, частотный сдвиг составляет 1,5388 Гц. Этот сдвиг учитывается при формировании частоты СВЧ - возбуждения атомов цезия.

Необходимо отметить, что частотный сдвиг испытывает не только центральный, но и все остальные 6 переходов между двумя сверхтонкими подуровнями атомов цезия. Эти сдвиги влияют на точность выходного сигнала стандарта частоты и непосредственно на его метрологические характеристики.

В теории их можно учесть при расчете функциональной зависимости от значения магнитного поля и атомных констант с помощью уравнения Брайта-Раби [1]. Но на практике при любых изменениях магнитного поля происходят сдвиги частот резонансов, значения которых невозможно учесть заранее. Проведенные предварительные эксперименты, а также теоретические расчеты функциональной зависимости позволили нам разработать новую схему стабилизации магнитного поля, позволяющую устранить один из важных возмущающих факторов, влияющих на долговременную стабильность частоты КСЧ.

Полученный результат при разработке новой конструкции синтезатора частоты для сигнала СВЧ - возбуждения атомов цезия [2-4], позволил реализовать возможность генерации различных частот выходного сигнала синтезатора частоты в широком диапазоне.

Подстройка величины магнитного поля осуществляется по соседнему переходу методом, аналогичным подстройке частоты к основному максимуму [1]. Поочередно замыкая кольца автоподстройки на центральном и соседнем переходе, системой автоподстройки мы подстраиваем и частоту кварцевого генератора к частоте атомного перехода и поддерживаем заданное значение магнитного поля внутри АЛТ постоянным.

В результате работы данной системы стабилизации исключаются эффекты, связанные с изменениями магнитного поля (например, долговременный дрейф источника тока, температурная зависимость, влияние внешнего магнитного поля и т.д.)

Проведенные эксперименты системы стабилизации магнитного поля продемонстрировали правильность функционирования предложенной схемы. По результатам предварительных испытаний в составе КСЧ зафиксировано улучшение долговременной стабильности частоты КСЧ на 10% по сравнению с ранее эксплуатируемыми стандартами.

В настоящее время новая разработанная нами система стабилизации магнитного поля проходит последние испытания в составе действующего квантового стандарта частоты на атомах цезия – 133. 

При исследовании  оптической ориентации в полупроводниках основное внимание уделялось измерению релаксационных времен, в частности времени жизни ориентированного по спину состояния носителей заряда. В сборнике обзорных работ [1] содержаться результаты теоретических исследований механизмов спиновой релаксации, хорошо иллюстрированные экспериментальными работами. Естественно, что для ясности изложения реальные условия эксперимента, такие как неоднородность распределения плотности спина в объемных полупроводниках, диффузионный перенос носителей, переизлучение, и др. при интерпретации результатов эксперимента не учитывались.

В данной работе продемонстрировано, как учет упомянутых выше факторов можно использовать для определения параметров, важных для работы полупроводниковых приборов.

Эксперименты проводились на объемных образцах AlGaAs p-типа и двух структурах, содержащих слои твердого раствора. В стационарных условиях были измерены температурные зависимости динамических параметров рекомбинации и спиновой релаксации носителей.

Используя в качестве масштаба времени период Ларморовой прецессии среднего спина электронов (эффект Ханле) были определена также диффузионная длина электронов, и оценена подвижность их в исследуемом материале. Для твердого раствора Al_0,3Ga_0,7As p-типа с концентрацией примеси n_p=3·10¹⁶ см^-3 при температуре T=80 K коэффициент диффузии электронов  D=240 см²/с , а подвижность электронов составила μ_e=34800 см²/В*с.

Систематические исследования в этом направлении могут создать неразрушающий  метод диагностики полупроводниковых  лазерных структур, фотокатодов и т.д.

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (контракт № 14.Z50.31.0021 с ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и ведущим ученым М. Байером).

Углеродные нанотрубки (УНТ) – высокотехнологичный материал, обладающий широким спектром уникальных физико-химических свойств, открывающим широкие перспективы их прикладного использования [1]. Наиболее перспективным методом получения УНТ является метод химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) [2]. Особенность метода ХОГФ заключается в необходимости создания массивов КЦ с параметрами, пригодными для выращивания УНТ. Одним из широко применяемых методов получения КЦ является отжиг металлических пленок переходных металлов (Ni, Fe, Co) [3], на поверхности которых осуществляется диссоциация молекул углеродсодержащего газа и транспортировка атомов углерода для роста УНТ. При этом, отжиг пленок наноразмерной толщины с целью получения КЦ с контролируемыми геометрическими размерами требует дополнительного исследования.

В работе проводились экспериментальные исследования влияния температуры отжига структуры Ni/Cr/Si в диапазоне 700-800 ºС c интервалом в 50 ºС, с одновременной подачей в камеру инертного газа (Q_Ar = 40 см³/мин) и аммиака (Q_NH3 = 15 см³/мин). Cr выполняет роль буферного подслоя, препятствующего образованию силицидов никеля при непосредственном взаимодействии подложки и каталитического слоя. Аргон служит для предварительной продувки камеры, с целью вытеснения остаточного воздуха, а аммиак создает в реакторе восстановительную атмосферу, препятствующую окислению каталитической пленки. При этом происходит гофрирование и фрагментация пленки Ni с образованием каталитических центров. Проведенные исследования методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопией показали, что температура нагрева оказывает существенное влияние на геометрические размеры КЦ. Разница между температурными коэффициентами расширения подложки Si и пленки подслоя Cr способствует появлению при нагреве сильного механического напряжения на контакте пленка/подложка, и, как следствие, происходит фрагментация и разрыв металлической пленки на отдельные островки. Для КЦ, образованных при температуре 700 ºС, характерен большой разброс геометрических параметров (диаметр 92±22 нм, высота 27±13 нм), что связано с инициацией процесса разрыва пленки и недостаточно интенсивной поверхностной диффузией атомов Ni. С повышением температуры до 750 ºС через контактную плоскость между пленкой и подложкой активируется диффузионный обмен атомами. По мере увеличения пластичности металла наблюдается объединение малых КЦ в более крупные (диаметр 110±12 нм) с уменьшением разброса их высоты (40±7 нм). При повышении температуры свыше 750 ºС наблюдается одновременное протекание процессов сублимации и поверхностной диффузии, что приводит к уменьшению диаметра (95±10 нм) и высоты (30±7 нм) КЦ, при этом происходит уменьшение количества мелких КЦ, которые наблюдались при температуре 700 ºС.

Для анализа процессов, происходящих в пленках катализатора и подслоя при нагреве образцов, проводились исследования образцов методом рентгеновской спектроскопии поглощения. Полученные рентгеновские спектры сравнивались со спектрами эталонных образцов. Результаты исследования показали, что Ni находится преимущественно в окисленном состоянии (объем чистого Ni составляет ~30%). Таким образом, для последующего выращивания УНТ необходимо проводить дополнительный этап восстановления каталитических центров.

Исследования влияния параметров отжига на формирование каталитических центров Ni для роста углеродных нанотрубок показали, что наиболее оптимальной температурой для создания КЦ является 750 ºС. При этом наблюдается одновременное протекание процесса сублимации и поверхностной диффузии, что приводит к уменьшению диаметра и стабилизации высот КЦ, при этом наблюдается практически полное исчезновение мелких КЦ. Установлено, что Ni в образцах находится преимущественно в окисленном состоянии и требуется его восстановление.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект №16-29-14023 офи_м и внутреннего гранта Южного федерального университета №ВнГр-07/2017-26.

Одним из распространённых лазерных методов получения наночастиц и наноструктур является импульсная лазерная абляция твердых мишеней, находящихся в вакууме или в окружающем их газе жидкости или газе [1]. Лазерная абляция – наиболее рациональный и быстрый способ синтеза наночастиц, который позволяет получать частицы различного типа. В этом методе не требуются большие времена для проведения химических реакций, а также высокие температуры и давления, характерные для химического синтеза. Кроме того, нет необходимости использовать токсичные или взрывоопасные химические исходные вещества. Свойства генерируемых наночастиц – распределение по размерам, форма, состав и структура для каждого материала мишени зависят от параметров лазера, используемого для абляции (длины волны излучения, длительности и частоты импульса, энергии в импульсе). В связи с этим большой интерес представляет математическое моделирование этого метода для расчета оптимальных параметров лазерного излучения для синтеза наночастиц определенного размера с учетом свойств материала, из которого они будут получены [2].

В настоящее время для математического моделирования лазерной абляции пытаются применять молекулярно-динамические модели, в которых численно интегрируются уравнения движения для систем атомов с выбранным потенциалом взаимодействия, что требует значительных вычислительных ресурсов. Это существенно ограничивает размеры исследуемой области абляции металла, так, например, при расширении области абляции (в зависимости от площади воздействия лазерного излучения) в 3-4 раза, число процессоров выполняющих вычисления, которые необходимо задействовать для решения поставленной задачи, требуется увеличить от нескольких раз до порядка.  Поэтому в большинстве случаев для моделирования используют различные двухтемпературные модели. Эти модели описывают перенос энергии внутри металла с помощью двух связанных обобщенных уравнений теплопроводности для температур электронов и ионов. Для описания процесса переноса вещества двухтемпературная модель часто используется вместе с уравнениями гидродинамики. 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.

Для проведения моделирования абляции лазерными импульсами фемтосекундной длительности в нашей работе предложена новая одномерная двухтемпературная гидродинамическая модель, которая дополнена широкодиапазонной моделью теплопроводности [3] и разработанными нами ранее широкодиапазонными полуэмпирическими уравнениями состояния металла [4]. В этом случае процесс абляции описывается следующей системой уравнений:

где: - скорость, - время,   и  - полное, электронное и ионное давления и внутренние энергии, и  - электронная и ионная температура, - коэффициент электронной теплопроводности, - коэффициент электронно-ионной релаксации. - энергия лазерного излучения, которое поглощается единицей координаты за единицу времени [5].

Проведено моделирование лазерной абляции металлов (алюминий, медь, никель, золото) в воздухе и воде при воздействии на металл единичного импульса длительностью 100 фс. Получено хорошее согласование результатов моделирования с экспериментальными данными по профилю кратера после абляции для каждого металла. Использование разработанной модели позволило повысить точность расчета глубины абляции в широком диапазоне плотностей энергий излучения и различных длительностях импульса для каждого металла. В дальнейшем планируется модифицировать математическую модель для исследований лазерной абляции металлов и сплавов в различных средах.

Ультразвуковой датчик является основным компонентом диагностической системы, обеспечивающем преобразование электрической энергии в механическую и обратно для получения информации об исследуемом объекте.

Несмотря на значительные успехи в разработке новых материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами в последние годы, такими как полимеры, обладающие пьезоэффектом, релаксорные ферроэлектрики PMN-PT, PZN-PT и др., наиболее распространёнными в диагностических устройствах остаются пьезокерамические материалы на основе цирконата-титаната свинца (PZT). Акустический импеданс пьезокерамики семейства PZN находится в диапазоне от 22*10⁶ до 35*10⁶ кг/м²с. Это является ограничивающим фактором для иммерсионных и медицинских датчиков, так акустический импеданс воды и биологических тканей порядка 1.5*10⁶ кг/м²с [1]. Для улучшения согласования сред с большой разницей в значении акустического импеданса применяются согласующие слои. Согласно теории линий передачи, для обеспечения передачи 100% энергии колебаний толщина слоя должна быть равна четверти длины волны акустического колебания в материале. А акустический импеданс согласующего слоя Z_m должен удовлетворять условию [2]:

где Z_p - акустический импеданс пьезокерамики, Z_l - акустический импеданс исследуемой среды.

В качестве материала защитного согласующего слоя используются различные полимеры: поликарбонаты, полиэфирные плёнки, политетрафторэтилен, акрилонитрил-бутадиен-стирол, поли-пара-ксилилен, полипропилен, полистирол и др. В отечественных медицинских приборах в своё время получил широкое распространение сополимер винилхлорида и этилакрилата. Несмотря на большое количество исследований и разработанных материалов в настоящее время не существует долговечного согласующего защитного покрытия, способного обеспечить длительный срок службы датчика.

В работе [3] предложен метод нанесения в качестве согласующего слоя полимерных порошковых покрытий в электростатическом поле коронного разряда. В качестве покрытий рассмотрены полиэфирные, эпокси-полиэфирные и полиуретановые покрытия.

В докладе приводятся результаты исследований чувствительности ультразвуковых датчиков с этими согласующими слоями. Чувствительность является важным параметром для описания эффективности преобразования энергии электроакустического преобразователя и является ключевым показателем производительности преобразователя.

Для измерения чувствительности изготовлен комплект датчиков, на которые нанесено согласующее покрытие. И пара датчиков без соответствующего согласующего слоя. Датчики изготовлены из пьезокерамики ЦТС-19 производства «Аврора-ЭЛМА» (г. Волгоград). Акустический импеданс 22.4*10⁶ кг/м²с, резонансная частота 5 МГц. Для согласования с водой или биологической тканью акустический импеданс покрытия должен быть около 5.8*10⁶ кг/м²с. В качестве материала демпфера использована эпоксидная смола с добавлением свинцового сурика и порошка вольфрама.

Измерения проводились в резервуаре с водой. Два датчика располагались напротив друг друга на расстоянии 20 см. На один датчик подавались короткие электрические импульсы амплитудой до 70 В. В качестве излучателя использована схема на лавинном пробое транзистора серии КТ312В.

В качестве приёмника сигнала использован цифровой осциллограф Agilent DSO 9000.

Полученные результаты свидетельствуют об увеличении чувствительности датчиков с согласующим покрытием в 1.5…2 раза по сравнению с датчиками без покрытия. Следующим этапом станет экспериментальное сравнение с датчиками, покрытыми лавсаном и двухкомпонентным эпоксидным полимером EPOTEK 301.

Целлюлоза является аморфно-кристаллическим полимером, структура которого в направлении оси микрофибрилл образована кристаллическими и аморфными участками с разной степенью упорядоченности. При механическом измельчении с увеличением времени размола происходит постепенная аморфизация целлюлозы. Дифракционная картина от аморфной целлюлозы представляет собой диффузное гало. Для описания структуры областей ближнего упорядочения целлюлозных материалов часто используют модель хаотически разориентированных слоёв или модель Дебая [1]. В данной работе методом Дебая проводилось построение пространственных моделей областей ближнего порядка аморфно-кристаллической целлюлозы, полученной путем измельчения микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) в шаровой мельнице планетарного типа в течение 1 часа. Использовалась агатовая размольная чаша с мелющими агатовыми шарами диаметром 5 мм. Степень кристалличности оценивалась методом Сегала и составляла для исходной МКЦ 80±5% и для одночасового помола – 50±5%.

Исходные кластеры формировались на основе данных об элементарных ячейках целлюлозы Iα и Iβ с антипараллельной ориентацией цепочек. Для всех построенных кластеров по значениям координат атомов проводился расчет кривых распределения интенсивности рассеяния, которые сравнивались с экспериментальной кривой. Экспериментальная кривая распределения интенсивности рассеяния для исследуемого образца была получена на дифрактометре ДРОН-4.0 на МоKα–излучении в интервале углов от 2° до 70° с шагом 0.1 ° и с 70° до 145° с шагом 0.2° в геометрии на прохождение.

На первом этапе были построены кластеры на основе элементарной ячейки целлюлозы Iβ с антипараллельной ориентацией цепочек. Это связано с тем, что, как было установлено методом полнопрофильного анализа, исходная МКЦ описывается в рамках данной модели. Значения факторов недостоверности, рассчитанные по кривым распределения интенсивности рассеяния – теоретической для кластеров и экспериментальной - имели высокие значения (больше 18%). Таким образом, модели, построенные на основе данной кристаллической модификации, плохо описывают области ближнего упорядочения одночасового помола МКЦ. Что может быть объяснено тем, что на элементарную ячейку целлюлозы Iβ приходится две целлюлозные цепочки.

Также были построены модели на основе целлюлозы Iα, на элементарную ячейку которой приходится один целлобиозный фрагмент. Наилучшего значения фактора недостоверности (R_p=12.7%) удалось получить для кластера с размерами 3a×2b×2c (a,b,c – периоды элементарной ячейки). Далее проводился этап разделения модельного кластера на три слоя размерами 1a×2b×2c. Путём варьирования расстояний между слоями по трём трансляционным осям и изменения угла вращения в плоскости YZ были найдены модели, которые наилучшим образом характеризуют структуру образца. Слои были повёрнуты на 180⁰ друг относительно друга. Начальное расстояние между слоями принималось равным периоду а элементарной ячейки целлюлозы Iα, определенному методом полнопрофильного анализа для исходной МКЦ.

В процессе поиска моделей, наилучшим образом описывающих, структуру областей ближнего порядка одночасового помола МКЦ, была найдена модель, для которой значение профильного фактора недостоверности составило 11.4%. Этого удалось достичь при смещении первого слоя относительно второго на 7.34 Å в направлении Х, на -0.5 Å - по осям Y, Z, угол поворота первого слоя относительно второго был равен 5⁰; второй слой смещался относительно третьего на 7.80 Å по оси X, на -0.5 Å в направлениях Y, Z и угол поворота второго слоя относительно третьего составил 195⁰.

Таким образом структура областей ближнего порядка одночасового помола МКЦ хорошо описывается в рамках модели хаотически разориентированных кластеров. Структура этих областей может быть представлена кластерами с размерами 35 Å ´ 22 Å ´ 29 Å, состоящими из одиночных разориентированных друг относительно друга целлюлозных цепочек, длина которых достигает 21 Å. Число формульных единиц в кластере 24. Общее число атомов в кластере равно 504.

Одной из тенденций развития современной полупроводниковой электроники является повышение рабочих температур приборов [1]. Основным препятствием на пути повышения рабочих температур приборов на основе GaAs, в частности, силовых высоковольтных GaAs-A₃B₅ p-i-n диодов, получаемых с помощью метода жидкофазной эпитаксии [2,3], является высокая химическая активность поверхности и, как следствие этого, высокая скорость роста собственного окисла. Причем химический состав и толщина этих оксидов зависят от условий окружающей среды и изменяются во времени, особенно интенсивно – при нагреве. Для окисленной поверхности GaAs характерно появление внутризонных поверхностных состояний, создающих паразитные каналы проводимости на незащищенной боковой поверхности меза-структур с р-n переходами, которые могут ухудшать статические и динамические характеристики, а также способствовать необратимой деградации приборов.

Диэлектрические слои нитрида алюминия (AlN), формируемые на поверхности кристаллов GaAs методом реактивного ионно-плазменного распыления [4], могут использоваться для эффективной химической и электронной пассивации поверхности полупроводниковых структур на их основе. В процессе нанесения защитной пленки AlN на поверхности GaAs может также происходить замещение окислов галлия и мышьяка на соединения с высокой прочностью связей (в частности, Ga-N), способствующих стабилизации состояния поверхности и существенному снижению скорости поверхностной рекомбинации, что в свою очередь улучшает зависящие от состояния поверхности электронные характеристики данных полупроводников.

 В работе исследовались статические характеристики (ток утечки при обратном смещении и падение напряжения при прямом смещении) и динамические характеристики переключения GaAs p-i-n диодов с защитным покрытием боковой поверхности меза-структур слоем AlN (с предварительным удалением окислов с поверхности) и без покрытия. Выяснено, что при нагреве образцов без защитного покрытия до температур 200-220ºС происходит значительное (более, чем в 10 раз) увеличение токов утечки при обратном смещении, что, как правило, приводит к необратимой деградации диода. Применение защитного покрытия из AlN позволяет диодам работать при температурах до 250-260ºС без катастрофического увеличения токов утечки (наблюдается увеличение тока утечки до 2-3 раз при нагреве).

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 16-08-00954-а).

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) представляет собой уникальный материал благодаря своим исключительным свойствам: рекордной удельной прочности, химической инертности, низкому коэффициенту трения, износостойкости и  возможностью переработки в сверхпрочные волокна, что обеспечивает широкое и крайне разнообразное применение этого полимера: от средств бронезащиты  до  композиционных материалов, мембран для микроэлектроники, искусственных суставов, рыболовный сетей, тралочных тросов и спортивного инвентаря. Производство сверхпрочных волокон СВМПЭ освоено ведущими западными фирмами DSM (Голландия) и Honeywell (США), которые используют дорогостоящую и экологически небезопасную гель-технологию, по которой прядение волокна осуществляется из малоконцентрированного раствора реакторного порошка СВМПЭ в неполярных растворителях, типа декалина или гептана, которое затем подвергается высокотемпературной ориентационной вытяжке. В России, несмотря на огромную потребность в таких волокнах, производство отсутствует. В настоящее время активно ведется поиск возможных безрастворных методов получения сверхпрочных высокомодульных волокон СВМПЭ непосредственно из насцентного полимера (т.е. реакторных порошков, получающихся в результате синтеза). Для получения монолитной механически когерентной пленки, которая затем с целью достижение высоких механических характеристик будет подвергаться ориентационной вытяжке, может быть технология, использующаяся в порошковой металлургии. А именно, компактизация порошка под давлением с последующим спеканием при температуре ниже температуры плавления полимера. Оказалось, что не все реакторные порошки СВМПЭ обладают способностью к компактизации и эффективному деформационному упрочнению. Поиск критериев, по которым можно оценить перспективность того или иного синтетического продукта для «сухого» метода переработки, ведется при иcпользовании самых разнообразных физических методов исследования:  от плазмоиндуцированной термолюминесценции, позволяющей охарактеризовать молекулярную подвижность в приповерхностных нанослоях, ответственную за «залечивание» границ между частичками реакторного порошка [1], до электронной микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии, ядерного магнитного резонанса  и др.[2], характеризующих внутреннюю структуру частиц. Целью нашей работы являлось проведение рентгеноструктурного анализа в больших углах (БУР) двух реакторных порошков СВМПЭ, синтезированных в Белоруссии (М332-II0 и в Китае (Х-400), отличающихся по способности к монолитизации и спеканию. Образцы для исследования в рентгеновском дифрактометре D2 Phaser Bruker  (Germany)  готовили прессованием таблеток  из реакторного порошка при комнатной температуре в условиях гидростатического сжатия на прессе Carver (USA) при давлении 95 МПа, выбранном на основании наблюдений за процессом компактизации, опубликованных в статье В.A. Аулова и др. [3]. Спекание полученных таблеток производили в том же прессе при Т =130^оC. Обработку спектров производили при использовании программы Peakfit-4, позволяющей вычитать фон и jceotcndkznm разложение перекрывающихся рентгенодифракционных пиков на составляющие. Профили рентгенодифракционных пиков аппроксимировали широко используемой в таких расчетах функцией Person YII, представляющей собой смесь функций Гаусса и Лоренца.  Размеры кристаллитов в направлении, перпендикулярном кристаллографическим плоскостям, рассчитывали по линейным полуширинам (FWHM) соответствующих рефлексов, используя формулу Селякова/Шеррера: D_hkl= 0.9l/ (FWHM cosQ), где l-длина волны Cu K_a рентгeновского излучения (1,54 Å), Q- брэгговский угол отражения от кристаллографической плоскости. Рассчитывали размеры кристаллитов перпендикулярно молекулярным цепям в плоскостях (110) и (200), а также вдоль цепи молекулы ПЭ- рефлекс 002. Обнаружен переход части кристаллитов из орторомбической фазы в моноклинную при приложении давления к реакторному порошку, возникновение текстуры и изменение размеров кристаллитов в направлении, перпендикулярном молекулярным цепям. Обсуждается роль этих структурных параметров в получении прекурсора  из реакторных порошков СВМПЭ для последующей ориентационной вытяжки.

Разработанный нами низкоэнергетический электронный голографический микроскоп предназначен для визуального наблюдения атомной структуры исследуемого объекта [1–3]. Основой работы данного микроскопа является явление прямой осевой электронной голографии. Основными элементами установки являются: источник электронов (полевой эмиссионный катод), инструментальные средства подвижки катода, сеточная подложка с объектом исследования (анод) и экран для регистрации голографического изображения. При приложении разности потенциалов между анодом и катодом, возникает электронный ток, часть которого взаимодействует с объектом исследования, а часть — проходит без изменения, в результате их наложения, на экране появляется голографическое изображение. Это голографическое изображение несет в себе информацию о расположении атомов в исследуемом объекте. В нашей установке экран и анод располагаются на постоянном расстоянии 10 см, что обусловлено использованием электронов малой энергии, которые очень сложно зарегистрировать, даже используя микроканальные пластины в качестве усилителя сигнала на входе экрана. Поскольку увеличивать это расстояние нельзя, а разрешающая способность микроскопа зависит от расстояний катод-анод и анод-экран [1], то приходится выставлять катод на очень малых расстояниях от анода, порядка нескольких десятков нанометров. Данный микроскоп может работать только в условиях сверхвысокого вакуума [1], поэтому затруднительно использование прямых методов измерения расстояния между катодом и анодом. В данной работе рассматривается один из методов косвенного позиционирования катода, как по расстоянию до анода, так и в горизонтальной плоскости над анодом. Позиционирование катода в горизонтальной плоскости необходимо для того, чтобы электронный пучок взаимодействовал только с образцом, и не возникало дополнительных интерференционных эффектов при взаимодействии пучка и сетки анода.

В нашей установке напряжение подается на катод, а ток измеряется на аноде, с помощью усилителя (коэффициент усиления 10⁸). На выходе получаем ток в значениях напряжения, которые можно преобразовать в ток с помощью закона Ома. Проведя ряд экспериментов, удалось выявить зависимость эмиссионного тока на сеточном аноде. Стоит отметить, что сеточный анод представляет собой сетку с шагом в 8 мкм. Для микронных расстояний при приближении ток возрастает, но когда диаметр пучка электронов становится меньше размера ячейки — ток уменьшается. Значительное уменьшение тока определяет дальнейшее включение «сверхтонкой подвижки» для приближения острия на нанометровые расстояния и контроля за появлением интерференционной картины на экране микроскопа. В качестве «сверхтонкой подвижки» выступает пьезоэлемент, который меняет длину, в зависимости от приложенного напряжения. При движении катода в горизонтальной плоскости (параллельной плоскости анода), на нанометровых расстояниях до анода, также была исследована зависимость эмиссионного тока. Удалось показать, что в этом случае ток на аноде достигает минимума при нахождении катода над центром ячейки сетки, а максимума в узлах сетки. Данная зависимость хорошо моделируется  эллиптическим параболоидом ограниченным одной ячейкой. На основе данной зависимости была предложена система для автоматизации и написана программа процесса позиционирования катода над центром ячейки в горизонтальной плоскости.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 15-19-30022), СПбГЭТУ ЛЭТИ.

На сегодняшний день лазеры сверхкоротких импульсов позволяют получить световые импульсы фемтосекундной длительности. Фемтосекундные импульсные лазеры важны для задач нелинейной оптики, для исследования сверхбыстрых физических и химических процессов. На сегодняшний день наиболее распространенным фемтосекундным лазером является титан-сапфировый лазер. Полоса поглощения кристалла титана сапфира лежит в диапазоне от 450 нм до 530 нм и в качестве накачки для титан-сапфировых лазеров используются твердотельные лазеры Nd:YAG, Nd:YVO₄ или газовый аргоновый лазер. Развитие технологии изготовления лазерных диодов, генерирующих в синем и зеленом диапазоне спектра достигло того уровня, что стало возможным использование диодных лазеров в качестве накачки.

Непосредственное использование диодных лазеров в качестве накачки для титан-сапфирового лазер представляет собой актуальную задачу лазерной физики. Так в работе [1] авторы использовали два лазерных диода с длиной волны 450 нм. Однако такая схема представляет определенную сложность в реализации. В нашей представленной работе мы продемонстрируем использование диодного лазера накачки с длиной волны 460 нм для генерации титан-сапфирового лазера. Используемый лазерный диод имеет длину волны 460 нм и мощность излучения составляет 3.5 Вт. Эллиптичность пучка на выходе из линзы составляет 90%, а M⁽²⁾ =1.8. Стоит отметить, что в нашей работе использовался фемтосекундный лазер фирмы «Авеста» стандартной комплектации.

Для компенсации эллиптичности пучка был проведен расчет системы линз позволяющий оптимизировать систему заведения излучения лазерного диода в кристалл. На основе расчетов и измерений в нашей работе используются цилиндрические линзы. Эффективность генерации, полученная с использованием лазерного диода, составляет 3%.

В современном мире традиционно остро стоит вопрос об увеличении быстродействия электронных устройств, и лишь немногие материалы способны удовлетворять все возрастающим потребностям электроники. Одним из таких материалов является полупроводниковый алмаз. Потенциально обладая высокими значениями подвижности носителей заряда и напряжения пробоя, рекордной теплопроводностью, этот материал может быть с успехом использован для мощной и высокочастотной электроники. Однако, для создания подобных устройств необходимы соответствующего уровня современные технологии синтеза, а также прецизионные методы диагностики получаемых образцов.

В ходе данной работы были исследованы электрофизические параметры монокристаллических образцов алмаза p-типа проводимости, легированного бором. Образцы выращивались в компании ООО «Нью Даймонд Технолоджи» методом HPHT, также известным как метод температурного градиента. Исследуемые были получены выпиливанием пластин с толщиной 300 мкм из монокристалла, перпендикулярно кристаллографическому направлению [111]. Выпиленные таким образом образцы имели несколько цветовых областей: от прозрачной до синей, а материал по пластине менял свойства от полуизолятора к полупроводнику [1]. Различный цвет участков пластины  возникал вследствие различной скорости внедрения в процессе роста примеси, что приводило к разной концентрации бора по разным кристаллографическим направлениям. Исследование различий участков многосекторного образца являлось целью данной работы.

Для контроля концентрации в исследованных структурах лучшим был метод спектроскопии адмиттанса, который использовался в данной работе. Являясь неразрушающим, этот метод позволяет проводить исследования в широком диапазоне частот и температур. А полученные результаты могут дать всю необходимую информацию о распределении концентрации примеси по образцу. Кроме того, данный метод измерений уже зарекомендовал себя при исследовании свойств синтезированного алмаза [2,3].

Для исследований на образцы были напылены платиновые контакты. Одна поверхность пластины полностью покрыта платиной, создавая омический контакт. С противоположной стороны через маску была нанесена сетка платиновых контакты диаметром 130 мкм. Данный контакт создавал диод Шоттки.

Всего было проанализировано более 200 ВАХ диодов Шоттки, различающихся видом и абсолютными значениями прямых и обратных токов. По аналогии со светодиодами, был предложен параметр «отбиновки» диодов, который получался произведением значений токов при определённых выбранных значениях прямого и обратного напряжения. Диапазон изменения параметра «отбиновки» был более 8 порядков. Такой метод статистического анализа распределения ВАХ дал возможность эффективным и простым способом предложить наглядный анализ распределения плотности токов, а следовательно, и концентрации примеси по пластине.

Из вольт-фарадных характеристик (ВФХ) были получены концентрационные профили основных носителей заряда. В пределах одного образца концентрация могла отличаться почти два порядка ( от 1,2∙10¹⁷ см^-3 до 2∙10¹⁸ см^-3 и более). Измеренное по ВФХ напряжение отсечки оказалось неадекватно большим, что связано с большим последовательным сопротивлением электронейтральной части алмаза. Детальное исследование распределения концентрации носителей заряда по областям многосекторной пластины позволило далее оценить скорость внедрения примеси бора в процессе роста по различным кристаллографическим направлениям.

В крупнейших современных ускорителях элементарных частиц, например БАК (Большой Адронный Коллайдер, ЦЕРН), траектории пучков формируются магнитным полем огромной величины. Для оптимизации энергопотребления обмотки магнитов находятся в сверхпроводящем состоянии при температурах жидкого гелия.  Однако может возникнуть ситуация, когда частицы пучка из-за взаимодействия с посторонними объектами попадут в обмотку магнита и вызовут локальный нагрев, что приведет к срыву сверхпроводимости и выходу из строя ускорителя. Поэтому для обеспечения своевременной безопасности системы возникает задача регистрации излучений непосредственно вблизи обмоток, то есть при предельно низких температурах.

Мониторирование радиационного поля в магнитах БАК планируется проводить в среде сверхтекучего гелия при температуре 1.8 К, что существенно повышает селективность контроля и позволяет измерять непосредственно ту компоненту излучения, которая воздействует на сверхпроводящие обмотки. Для этого было предложено использовать кремниевые детекторы излучений в виде pin структур.

Основной принцип измерения параметров излучений кремниевыми детекторами состоит в регистрации заряда электронов и дырок, генерированных в объеме сенсора под действием излучения. Поэтому работоспособность таких приборов определяется как распределением электрического поля в объеме, так и транспортными свойствами материала: дрейфовой скоростью и подвижностью носителей заряда. Всё это в совокупности определяет ключевую характеристику полупроводникового детектора излучений: эффективность собирания заряда.

Более того, сама по себе работа полупроводникового детектора подразумевает наличие глубоких центров в объеме сенсора, формирующихся под действием облучения. Глубокие центры оказывают сильное влияние на кинетику переноса носителей заряда, так как являются центрами безызлучательной рекомбинации.

На основании этого, в задачи данной работы вошли исследования:

• распределения электрического поля в объеме детектора
• дрейфовой скорости и подвижности носителей заряда при малых полях
• влияние глубоких центров на кинетику процессов переноса при гелиевых температурах.

Исследования проводились по так называемому методу переходного тока[1]. В объем обратно-смещенного pin детектора лазерным импульсом инжектируются носители заряда, которые под действием поля собираются на электродах. Дрейф неравновесных носителей заряда создает токовый импульс. Анализ импульсов тока, полученных при различных параметрах (температура среды, в которой находится детектор, частота повторения лазерных импульсов, величина обратного смещения) позволяет восстановить распределение поля в объеме полупроводника, получить информацию о дрейфовой скорости и подвижности носителей заряда.

В результате исследований выяснилось, что в полупроводнике присутствует объемный заряд и электрическое поле неоднородно при любых температурах. Большая концентрация глубоких центров в объеме детектора существенно деформирует распределение поля, уменьшает время жизни до сотен пикосекунд, эффективность собирания заряда в такой структуре на 2 порядка ниже, чем в чистом кремнии[2]. Однако, детектор даже при самых агрессивных условиях работы всё ещё сохраняет свою работоспособность и позволяет отслеживать уровень излучения вблизи обмоток сверхпроводящих магнитов.

Одним из современных направлений развития нанофотоники являются приборные структуры на основе нитрида галлия, наиболее перспективным методом формирования элементов таких структур считается селективная эпитаксия. Она представляет собой локальный эпитаксиальный рост соединений А3N (обычно с использованием масок) на заранее подготовленной поверхности. Благодаря этому выращенные структуры содержат малое количество дефектов. Для создания масок под формирование субмикронных структур требуются такие сложные и дорогостоящие методы, как электронно-лучевая и ультрафиолетовая литография [1]. В работе [2] нами было показано, что для изготовления масок в структуре Si₃N₄/GaN может быть использована прямая нанолитография сфокусированным ионным пучком (СИП). Травление с помощью СИП не требует дополнительных операций по нанесению и снятию фоторезиста, обладает высоким разрешением, а также, за счет сверхвысоковакуумного исполнения, может быть наиболее просто согласована с процессом эпитаксиального роста [3].

Результаты селективного эпитаксиального роста зависят от геометрических параметров маски, которые, в свою очередь, зависят от комбинации технологических параметров ионного пучка, используемых в процессе литографии [4]. Задачей нашей работы было определение зависимостей геометрических параметров профиля травления структуры Si₃N₄/GaN при формировании маски для селективной эпитаксии соединений A3N от технологических параметров СИП.

На сапфировой подложке (0001) газофазной эпитаксией был выращен слой GaN толщиной 3 мкм, легированный Si до концентрации n =1-3 10¹⁷ (см^-3). Затем, в том же эпитаксиальном процессе, на поверхность GaN осаждался слой аморфного Si₃N₄ толщиной 5 нм. Травлением СИП была сформирована серия образцов, представляющих из себя набор параллельных полос номинальной шириной 100нм, длиной 20мкм, расстояние между полосами 2мкм. Травление осуществлялось с газом-прекурсором XeF₂ и без. Варьируемые технологические параметры: рабочий ток ионного пучка – 10пА, 50пА, 200пА, 500пА, 1000пА; время экспонирования в точке от 1мкс до 10 мкс с шагом 1 мкс и от 10мкс до 100мкс с шагом 10мкс; количество экспонирований – 1 и 10. Методом атомно-силовой микроскопии были изучены следующие параметры литографического рисунка: глубина травления, угол наклона боковой грани, отклонение от номинальной ширины.

Исследования показали, что на глубину полоска влияют следующие факторы. Использование газа-прекурсора XeF₂ позволяет увеличить скорость травления почти в 7 раз. При одинаковой ионной дозе глубина полоска с увеличением количества экспонирований растет быстрее, чем при увеличении рабочего тока. Угол наклона боковых граней по отношению к поверхности с ростом рабочего тока уменьшается, а отклонение от номинальной ширины полоска растёт (более 200% при токе 1000 пА).

В результате исследований были определены оптимальные технологические параметры СИП для формирования на основе структуры Si₃N₄/GaN маски с заданной шириной субмикронных окон, предназначенных для селективного эпитаксиального роста структур A3N.

Работа выполнена частично в рамках проекта «Формирование пространственных мод в микролазерах, связанных с планарным волноводом, в едином чипе на основе лазерных наногетероструктур A3B5» программы фундаментальных исследований ОНИТ РАН №5; и частично в рамках проекта РФФИ № 17-02-01099.

Метод решеточных уравнений Больцмана (далее МРУБ) в последние десятилетия широко применяется при моделировании различных физических процессов (в задачах механики жидкости и газа, физики плазмы, теории теплопередачи, электродинамики и др.). В отличие от моделей, основанных на приближении сплошной среды, метод основан на решении систем кинетических уравнений относительно функции распределения частиц с учетом различных физических процессов, связанных с наличием действующих объемных сил.

Основная математическая модель, применяемая в рамках МРУБ, представляет собой систему разностных уравнений, полученную при дискретизации кинетического уравнения Больцмана по всем независимым переменным [1]. Даже с использованием приближения Бхатнагара — Гросса — Крука [2] это уравнение является нелинейным, что делает сложным нахождение аналитических решений поставленных для него задач, которые в общем случае могут быть решены только численно. Как известно [3], численные методы решения задач математической физики основаны на идее дискретизации. При этом возникает проблема с дискретизацией члена, учитывающего действие объемных сил. При дискретизации, как правило, используется небольшое количество узлов шаблона для экономии вычислительных ресурсов и упрощения вычислений. Таким образом, становится сложно аппроксимировать с высокой точностью производные по скоростям, входящие в член, учитывающий действие объемных сил. При этом разностная схема, возникающая при таком приближении, должна быть устойчивой. В связи с наличием таких проблем принято использовать модельные представления.

Несмотря на подробную разработку методов учета объемных сил, по всей видимости, до сих пор не проведено достаточное теоретическое сравнение предложенных подходов, позволяющее судить о преимуществе того или иного метода. Исследование устойчивости метода решеточных уравнений Больцмана при различных подходах к учету действия объемных сил и сравнение этих подходов с целью выбора наилучшего является важной целью для дальнейших исследований.

В работе рассмотрены четыре подхода к учету действия объемных сил, широко применяемых в литературе [4–7]. Анализ устойчивости проводится с помощью метода фон Неймана, при этом решаются задачи на собственные значения для несимметричных комплексных матриц.

Вычислены значения площадей областей устойчивости для представленных моделей. Показано, что значение площади области устойчивости зависит от угла между вектором действующей силы и вектором скорости потока газа. Установлено, что площадь области устойчивости имеет наибольшее значение, когда векторы силы и скорости направлены противоположно. Показано, что наибольшее значение характерно для моделей, предложенных в [4] и в [7]. Полученные при анализе результаты могут быть применены при расчетах течений многофазных и многокомпонентных сред.

Метод решеточных уравнений Больцмана (далее МРБ) в настоящее время широко используется при решении задач газо- и гидродинамики [1]. В отличие от традиционных подходов к моделированию, основанных на уравнениях механики сплошных сред, в МРБ рассматривается система кинетических уравнений с дискретными скоростями. В большинстве работ используются разностные схемы, основанные на характеристической форме этих уравнений. Алгоритмы расчетов по таким схемам довольно легко подвергаются распараллеливанию и адаптированы для реализации расчетов с использованием современных многопроцессорных систем. Ключевой недостаток схем такого типа, представленных в литературе, состоит в том, что они являются явными, а потому условно устойчивыми, что ограничивает возможности моделирования.

Авторами настоящей работы в [2, 3] были предложены семейства неявных схем, являющихся безусловно устойчивыми, либо имеющих больший запас устойчивости по сравнению с явной схемой. В настоящей работе обсуждаются особенности программной реализации алгоритма расчета по предложенным схемам на системах с большим числом процессоров. Обсуждаются особенности реализации метода Ньютона для решения нелинейной системы и структура комплекса программ. Параллельная реализация проводится с использованием стандарта  OpenMP посредством распараллеливания цикла расчета по пространственным узлам сетки.

  Численные расчеты производились на  кластере факультета ПМ-ПУ СПбГУ, который имеет следующие технические характеристики: ЦП 2х Intel E5335 2,0 ГГц, ОП 16 ГБ.

При решении тестовой задачи о течении в каверне на сетках с разным разбиением было показано, что имеет место практически линейное ускорение – к примеру, на 7 процессорах имеет место ускорение более чем в 6 раз. Полученные результаты демонстрируют перспективы применения разработанного комплекса программ для более сложных задач, относящихся к механике и физике многофазных и многокомпонентных сред.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-31-00021 мол_а.

В работе предлагается алгоритм исследования электромагнитного излучения в ближней зоне от печатной платы на основе электромагнитного моделирования и сравнения с измерениями интенсивностей электромагнитного поля (скалярная величина) и восстановленного полного вектора поля, используя спектрально поляризационный метод. На начальном этапе исходная печатная плата представляется в виде эквивалентной модели. Эквивалентная модель печатной платы представляет собой прямоугольную сетку, в узлах которой расположены простейшие излучатели – диполи Герца. Идея такого подхода уже известна [1,2,3].Электромагнитное излучение от печатной платы в основном представлено излучениями от печатных дорожек и элементов, расположенных на ней. Наиболее предпочтительным и распространенным вариантом в данном случае является использование именно диполей Герца как эквивалента излучения от печатных дорожек и микросхем платы по причине того, что уравнения для диполя Герца в ближней и дальней зонах давно и хорошо известны. После представления излучающей структуры в виде совокупности диполей Герца необходимо определить наиболее активные источники излучения. Для этого предлагается использовать критерий Акаике в качестве определения порядка модели. Применяемый критерий позволяет оценить количество диполей, формирующих суммарное излучение от платы. Оценку координат и оценку мощностей диполей предлагается проводить методом матричных пучков [4]. Такой подход позволяет определить наиболее активные области излучения. Преимущество такого алгоритма заключается в том, что он позволяет проводить измерение каждой составляющей поля, тем самым получая не только значение поля в точке, но и восстанавливать полный вектор поля в каждой точке, что упрощает решение задачи определения источников излучения на плате.

Электрическая иммиттансная спектроскопия (ЭИС) [1, 2] является мощной экспериментальной методикой, которая используется для диагностики электронных приборов [3-5], в исследовании твердого тела [6-8], при изучении электролитов [9, 10], для характеризации альтернативных источников энергии [11, 12], в экспериментальной биофизике [13, 14] и практической медицине [15]. Появление алгоритмов быстрого Фурье-преобразования [17, 18] и развитие вычислительной техники в последние два десятилетия привели к созданию высокоскоростной Фурье-ЭИС, позволяющей проводить измерения в режиме реального времени в широком диапазоне частот [19-20]. Последнее достоинство Фурье-ЭИС является критически необходимым для исследования динамических, необратимых систем таких, как, например, электрические батареи или биологические объекты.

Однако, очевидно, что динамические и необратимые системы в силу своей природы не позволяют проводить статистическое усреднение результатов измерений для подавления шумов.  В случае, если аппаратные методы шумоподавления [1, 2] (например, экранировка) оказываются безуспешными, иммиттансный спектр (ИС) будет сильно искажен шумами, что приведет к невозможности его интерпретации.

Современные методы обработки данных могут позволить выделить полезный сигнал из зашумленных результатов измерений [21-23]. Недавно научная группа из General motors [12] упоминала о возможности использования адаптивной фильтрации (АФ) [24] – простейшего искусственного интеллекта – для обработки ИС. Ввиду шумоподавляющей способности, АФ может представлять решение вышеуказанной проблемы. Однако, несмотря на успешную реализацию метода АФ-ЭИС в работе [12], в ней отсутствуют его теоретический анализ и сравнение с другими методами получения ИС. Таким образом, целью настоящей работы является восполнение этого пробела. В результате ее выполнения мы получили следующие результаты:

•  Установлено, что аппаратной функцией АФ-ЭИС является функция Котельникова, а весовой функцией является квадрат модуля зондирующего напряжения.
• Показано, что весовые коэффициенты  адаптивного фильтра  определяют аппроксимацию Levy [25] для адмиттанса, при этом базисными функциями аппроксимации являются комплексные экспоненты.
• Ошибка в определении весовых коэффициентов пропорциональна уровню шума   и обратно пропорциональна квадратному корню из числа весовых коэффициентов :

• Помехоустойчивость АФ-ЭИС проверена экспериментально.
• Проведено сравнение с Фурье-ЭИС, которое показало, что АФ-ЭИС стабильно работает даже при соотношении сигнал/шум (C/Ш) -30 дБ, в то время как Фурье-ЭИС перестает работать уже при положительном С/Ш (+5 дБ);
• Достоинства АФ-ЭИС продемонстрированы на практическом примере – ЭИС живых клеток.

Поскольку разработанный нами метод отличается от стандартного Фурье преобразования только способом обработки данных, он сочетает в себе достоинства Фурье-ЭИС – высокое временное и частотное разрешение – и дополнительно обеспечивает помехоустойчивость, что позволяет проводить измерения ИС в условиях сильного внешнего зашумления с использованием низких уровней зондирующего напряжения и токового отклика. Вышеперечисленные достоинства разработанного нами метода ставят ЭИС на принципиально новый уровень во всех областях ее применения: от диагностики полупроводниковых приборов до создания портативных биодатчиков. Также, в случае наличия трудноинтерпретируемых зашумленных данных, полученных с помощью Фурье подхода, АФ подход может быть применен для восстановления по ним ИС с большей вероятностью успеха. Соответствующее программное обеспечение может быть получено от авторов по запросу (stu87@ya.ru, Stupin@spbau.ru).

Результаты работы опубликованы в Physical Review Applied [26, 27] и частично доложены на конференциях SPbOPEN2017 и Nanostructures2017.

Недавнее открытие гравитационных волн вновь привлекло внимание исследователей к различным аспектам их математического описания в рамках общей теории относительности. Одной из моделей гравитационной волны в ОТО является т.н. pp-волна, метрика которой может быть записана в координатах Бринкмана как ds² = 2H(u,y,z) du²-2dudv - dy² - dz², причем Hyy+Hzz=0.

Существует множество методов исследования геометрических свойств римановых многообразий. Один из таких методов основывается на возможности изометрического вложения псевдориманова пространства-времени в объемлющее пространство большей размерности. Четырехмерное пространства-времени общего вида может быть локально изометрически вложено в 10-мерное объемлющее пространство Минковского; однако при наличии симметрий необходимое число измерений снижается. Так, вышеупомянутое пространство-время pp-волны может быть вложено в 6-мерное объемлющее пространство Минковского.

В 2012 году был предложен регулярный метод построения и классификации вложений метрик с достаточной симметрией [1]. Этот метод затем был применен для построения вложений различных черных дыр [2] и космологических моделей [3]. В данной работе изучается возможность использования этого метода для построения вложений pp-волн. Для этого рассматриваются различные варианты реализации симметрии метрики pp-волны посредством симметрий объемлющего пространства. Приводится несколько примеров новых вложений, полученных таким методом.  

Производство высокочистого 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, чтобы иметь возможность численно моделировать различные сценарии и условия эксплуатации материала (включая экстремальные), выделять лимитирующие факторы.

В работе представлена нелинейная математическая модель быстрой водородопроницаемости с учетом динамики сорбционно-десорбционных процессов (в форме системы ОДУ), ориентированная на экспериментальный комплекс по исследованию взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами, созданный в Институте металлургии УрО РАН. Предложен следующий вариант «каскадного» эксперимента: ступенчатый эксперимент прорыва ‒ построение изотермы стационарного потока ‒ динамический вариант метода прорыва (метод «сообщающихся сосудов»). В работе предложена схема численного решения соответствующих краевых задач математической физики и алгоритм параметрической идентификации по экспериментальным данным. В частности, это позволяет анализировать динамику концентраций и потоков, недоступных прямому экспериментальному измерению.

Распространение длинных нелинейных продольных волн деформации в тонких однородных волноводах (стержне, пластине и оболочке) описывается нелинейным уравнением в частных производных – уравнением с двумя дисперсиями (УДД) для продольной компоненты деформации u:

где нижний индекс означает производную по соответствующей переменной, функции p, a, d, f и b представляют собой комбинации модулей упругости и геометрических характеристик волновода ([1, 2]).

В работе построена модель распространения нелинейных продольных волн в тонких слоистых волноводах и выведена система из трёх уравнений движения на основании принципа наименьшего действия. Используя упрощающие предположения и разложения перемещения в степенной ряд по поперечной координате, систему из трёх уравнений удалось свести к одному, имеющему вид УДД (1).

Аналитическое решение (1) известно только при постоянных коэффициентах p, a, d, f и b. Это решение при определённых условиях имеет вид двух уединённых волн – солитонов деформации, распространяющихся в противоположных направлениях:

Общее решение (1) неизвестно, вследствие чего моделирование распространения нелинейных волн осуществимо только на основании численного решения УДД. С помощью консервативной конечноразностной схемы, предложенной в [3], проведено моделирование эволюции объемного солитона деформации при скачкообразном изменении упругих модулей слоистого волновода. Изучено влияние изменения модулей упругости на параметры солитона: его амплитуду и длину. Установлено, что изменение модулей третьего порядка (модулей Мурнагана) значительно сильнее влияет на солитон, нежели изменение модулей второго порядка, в частности, модуля Юнга. Найдены зависимости амплитуды и ширины солитона от изменения упругих модулей.

Результаты работы могут быть применены в технологии неразрушающего контроля, поскольку экспериментально доказано, что солитоны деформации распространяются на очень большие расстояния практически без затухания.

Силицен – это двумерная аллотропная модификация кремния. Материал вызывает интерес из-за схожести по своим свойствам с графеном, имея при этом естественную совместимость с традиционной кремниевой технологией [1]. В частности, предсказано наличие в электронном спектре силицена дираковских конусов в точках K и K’ зоны Бриллюэна [2].

Первые расчеты зонной структуры силицена были проведены из первых принципов [3,4], однако практически более актуальными являются эмпирические и полуэмпирические методы, такие как метод сильной связи [5,6] и kp [7,8], потому как они позволяют наиболее точно согласовать результаты расчета с экспериментальными данными.

В настоящей работе для расчета зонной структуры силицена использован метод полуэмпирического псевдопотенциала. Данный подход предполагает решение самосогласованных уравнений Кона-Шэма с заменой кулоновского потенциала ядер и локализованных электронов некоторым эффективным потенциалом, действующим только на активные валентные электроны. Такой потенциал содержит эмпирические параметры, которые можно варьировать с целью обеспечения согласования результатов расчета с экспериментальными данными [9]. Кроме того, исключение из рассмотрения глубоких состояний позволяет эффективно использовать базис плоских волн [10].

В качестве начального приближения использован модельный потенциал Аппельбаума-Хаманна для иона Si⁺⁴ [11]. Три подгоночных параметра выбраны так, чтобы воспроизвести уже хорошо известную зонную структуру объемного кремния.

Результат расчета демонстрирует наличие конусов Дирака в точках K и K’ зоны Бриллюэна. Полученные  значения энергетических зазоров в точках Г и М равны соответственно 3,41 эВ и 1,67 эВ.

Также в настоящей работе были подобраны параметры полуэмперического псевдопотенциала, обеспечивающие согласование результатов с первопринципными расчетами, представленными в [4].

Казеин является сложным белком, выступающим основой молока, и присутствует в нем в виде связанных солей кальция, именно благодаря нему из молока получают сыр и творожные продукты. В природе белки выполняют биологические функции и имеют глобулярную структуру, состоящую из определенной последовательности аминокислот. Предполагается, что для выполнения конкретной биологической функции такая молекула должна иметь жестко определенную пространственную форму. Однако в природе существует класс белков с более гибкой пространственной структурой – внутренние неупорядоченные белки (ВНБ) [1]. Так как составляющие белков аминокислоты сами по себе имеют большое число степеней свободы (например, вращения СН₃ групп, поворотные изомеры и т.п.), то их последовательность может принимать самые различные конформации.

 Целью нашей работы является изучить влияние различных конформаций казеина на спектральные характеристики молекулы. В данной работе проводились исследования структуры модельной молекулы белка - αs1-казеина, а именно, поиск различных стабильных конформаций молекулы a-казеина методом функционала плотности (DFT) в газовой фазе. Так как основные биологические процессы протекают в растворителе, расчеты проводились так же с учетом влияния растворителя (в нашем случае – вода) на структуру молекулы.

С помощью метода функционала плотности DFT нами были получены структуры стабильных конформаций белков αs1-казеина. Расчеты проводились с полной оптимизацией геометрии с использованием функционала BP86 и базисного набора SVP в программном пакете ORCA [2]. Расчеты показали, что наиболее стабильной является не линейная конформация. Учет влияния растворителя проводили в рамках континуальной модели. Расчеты показали, что структура молекулы, рассчитанная в воде, энергетически более стабильна на 50 ккал/моль, чем в газовой среде. Для полученных конформаций были проведены расчеты химических сдвигов ¹H в спектрах ЯМР[3]. Расчетные данные хорошо коррелируют с экспериментальными.

В настоящее время среди двумерных объектов интерес для изучения представляют слоистые структуры p-Si_1-xGe_x/Ge/Si_1-xGe_x. В данных структурах рассогласование параметров решётки между слоями Si_1-xGe_x и Ge приводит тому, что квантовая яма Ge всегда будет

напряжённой. Деформация расщепляет валентную зону на подзоны лёгких и тяжёлых дырок с образованием между ними энергетического зазора , где  — деформационный потенциал [1].

В данной работе рассматриваются структуры с  от 0.6 до 0.7, таким образом, энергетический зазор в них равен  мэВ. При этом, так как речь идёт о деформации растяжения, верхней оказывается подзона тяжёлых дырок, и только тяжёлые дырки участвуют в проводимости.

В работе [2] было продемонстрировано, что эффективная масса в данных структурах зависит от энергии Ферми. Это позволяет сделать предположение, что от энергии Ферми зависит и g-фактор. Задачей данной работы является исследование зависимости g-фактора от энергии Ферми.

Измерения проводились при помощи бесконтактной акустической методики, впервые применённой Виксфордом и коллегами [3].  Она позволяет определять ВЧ-проводимость двумерной структуры при помощи измерения коэффициента затухания поверхностной акустической волны и относительного изменения скорости звука [4]. Измерения проводились в режиме квантового эффекта Холла в перпендикулярных магнитных полях до 8 Тл при температурах от 1.7 до 4.2 К.  В минимумах ЦКЭХ-осцилляций были исследованы температурные зависимости проводимости. Существует область температур, в которой проводимость имеет постоянную энергию активации.

С учетом уширения  [5] уровней Ландау, для нечетных чисел заполнения энергия активации записывается в виде

, где  - g-фактор,  - магнетон Бора и  - магнитное поле. Для четных чисел заполнения энергия активации равна , где - циклотронная энергия. Определив  и  из активационных зависимостей проводимости в минимумах ЦКЭХ-осцилляций, можем записать эти два выражения в виде системы уравнений с неизвестными  и . Решение системы даёт значение g-фактора. При помощи описанной методики g-фактор был определён в серии образцов с концентрациями тяжёлых дырок от 3.9·10¹¹ до 6.2·10¹¹ см^-2.

В результате данного исследования была получена линейная зависимость g-фактора в напряжённых квантовых ямах Ge от уровня Ферми.Мы полагаем, что данная зависимость объясняется  непараболичностью подзоны тяжёлых дырок, связанной с её взаимодействием с подзоной лёгких дырок.

Разработка и создание устройств, работающих в ближнем и среднем ИК-диапазоне, весьма перспективная задача. Сверхрешетки на основе системы материалов InAs-GaSb  позволяют создавать фотоэлектрические преобразователи и фотоизлучающие устройства в спектральном диапазоне до 15 мкм, то есть для ближнего и среднего ИК-диапазонов. Также в данных структурах есть возможность понизить скорость Оже-рекомбинации [1-2], что позволяет повысить рабочую температуру фотоприемных устройств, работающих на данных структурах. Основным методом изготовления сверхрешеток InAs-GaSb является метод молекулярно-пучковой эпитаксии.

Альтернативный метод создания фотоприемных устройств - метод МОС-гидридной эпитаксии (МОС ГФЭ). В работе [3] была высказан мысль, что сверхрешетки InAs-GaSb невозможно вырастить методом МОС ГФЭ, так как данная структура может содержать интерфейс InSb, который имеет низкую температуру плавления, из-за чего ростовая температура ограничена в диапазоне 390-450⁰С. Но эта температура роста невозможна для МОС ГФЭ, поскольку требуются более высокие температуры для разложения используемых металлоорганических соединений.

В рамках данной работы была разработана технология выращивания как отдельных слоев InAs и GaSb, так и напряженных сверхрешеток InAs-GaSb на подложках GaSb при температуре роста 500⁰С методом МОС ГФЭ. Были определены скорости роста эпитаксиальных слоев InAs и GaSb при температуре 500⁰С, у полученных слоев были изучены структурные и люминесцентные свойства. В результате были выращены сверхрешетки InAs-GaSb, содержащие 5 и 10 пар чередующихся слоев InAs и GaSb. Полученные структуры были исследованы методами ФЛ, РЭМ, АСМ. Полученные сверхрешетки имели толщины InAs 1.4–2.2 нм и GaSb 2.5–3.3 нм. В спектрах фотолюминесценции при 77 К пик излучения, связанный со сверхрешеткой, находился в спектральном диапазоне 2.4-3.4 мкм. В результате разработанной технологии были выращена структура n-GaSb/InAs/p-GaSb (с глубокой квантовой ямой), которая обладала интенсивной электролюминесценцией в спектральном диапазоне 3-4 мкм.

Полимеры являются идеальными матрицами для создания новых материалов с заданными свойствами. Их используют для получения мембран широкого назначения, которые могут быть использованы в процессах концентрирования и фракционирования смесей, очистки продуктов от сопутствующих примесей, при регенерации ценных компонентов для повторного использования, для получения обессоленной и очищенной воды, при решении экологических задач.

Объектом исследования в настоящей работе является полифениленоксид (ПФО), модифицированный путем введения эндометаллофуллерена С₆₀-Fe в полимерную матрицу. Эндоэдральные  углеродные кластеры (эндометаллофуллерены), содержащие атомы металла внутри фуллереновой молекулы, являются производными фуллеренов и в настоящее время выделились в  отдельную  область научных исследований, представляющую  особый  интерес. Эндометаллофуллерены (ЭМФ) представляют собой совершенно новый  тип  углеродных  кластеров,  существенно  отличающихся  от полых фуллеренов. Атом металла,  внедренный  внутрь  фуллереновой  молекулы, значительно  изменяет  ее  электронные  свойства.  Данные о свойствах этих производных пока еще ограничены из-за их низких выходов при получении, плохой растворимости и сложностей в синтезировании. Так же это связано с чрезвычайно высокой стоимостью их производства. Железо, из-за его магнитных свойств, является чрезвычайно интересным с точки зрения возможности его помещения внутрь молекулы фуллерена.

 С исследованиями ЭМФ связываются прогнозы на создание новых материалов с особыми свойствами: сверхпроводники, органические ферромагнетики, лазерные и сегнетоэлектрические материалы и фармацевтические препараты.

В данной работе представлены результаты исследований диэлектрических и проводящих характеристик образцов композитов полифениленоксида (ПФО) с 1% содержанием фуллерена С₆₀ и образцов композита ПФО с 1% ЭМФ Fe-C₆₀. Измерения диэлектрических спектров проводились на спектрометре "Concept 81" компании NOVOCONTROL Technologies GmbH & Со. Образцы представляли собой тонкие слои толщиной 60-125 мкм и диаметром 15 мм. Измерения параметров образцов ПКМ, были выполнены в интервале температур от  273 К до 523 К и частот 5*10-2 до 3*106. Измерительное напряжение, подаваемое на образец, составляло 1.0В.

Частотная зависимость действительной части комплексной проводимости  в интервале 10^-1 – 10⁶ Гц измеренная для пленок исследуемых систем в области температур Т=273К…523К указывает на увеличение с увеличением частоты. Обнаружен переход от частотно-независимой к частотно-зависимой области, что означает начало релаксации проводимости. При переходе от образцов ПФО+С₆₀ к образцами ПФО+С₆₀-Fe обнаружено увеличение проводимости на порядок во всем частотном интервале, что может являться причиной выраженных электродонорных свойств железа, внедренного в фуллереновый каркас, т. о. ЭМФ обладают не только выраженными электроакцепторыми свойствами, подобно полым фуллеренам, но и свойствами электродоноров.

Структурные изменения, происходящие при внедрении железа, также оказывают влияние на величину диэлектрических потерь исследуемой системы. Образцы ПФО+С₆₀-Fe имеют значения  tgδ на порядок выше, чем образцы с чистым фуллереном. В спектрах tgδ(ƒ) образцов с железом обнаружены качественные изменения, указывающие на возможность появления новых релаксационных процессов, связанных с появлением дипольного момента у атома ЭМФ. Передавая свои валентные электроны на внешнюю поверхность фуллеренового каркаса, атомы металла изменяют свою химическую индивидуальность, что может вызывать смещение атома внутри углеродного каркаса и придавать молекуле постоянный дипольный момент.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 3.5005.2017/ИУ).

Графен, являющийся квазидвумерной системой, потенциально более чувствителен к состоянию поверхности, чем массивные материалы. Благодаря этому он активно исследуется для создания нового поколения химических и биологических сенсоров. В том числе, большой интерес вызывали работы, посвященные созданию pH сенсоров водных растворов кислот и щелочей на его основе. Определение pH раствора в этих работах достигалось путем определения положения точки Дирака из измерений характеристик полевых транзисторов на основе графена[1]. Нами проводились исследования графена в схожей геометрии.  Эпитаксиальный графен для наших исследований был выращен путем термического разложения карбида кремния. Качество и количество моноатомных слоев в образцах контролировались методами рамановской спектроскопии, атомносиловой и кельвин-зондовой силовой микроскопии. При проведении измерений сопротивления полевых транзисторов на основе графена, находящегося в интерфейсном контакте с водными растворами KOH, нами обнаружен гистерезис в зависимости от направления изменения напряжения затвора. Кроме того, обнаружен сдвиг точки Дирака в зависимости от направления изменения напряжения затвора, который необходимо учитывать при создании pH сенсоров. Показано, что обнаруженный гистерезис можно характеризовать как эффект памяти интерфейсного состояния графена. Этот эффект памяти состояния сохраняется на временных интервалах более нескольких часов и потенциально может быть использован для создания устройств хранения информации. В докладе, кроме того, планируется рассмотрение физических механизмов, ответственных за существование обнаруженных квазистатических эффектов. 

В настоящее время адсорбционные методы анализа являются одними из наиболее популярных способов изучения параметров пористой структуры наноматериалов [1, 2]. Cогласно рекомендации ИЮПАК, пористые системы принято классифицировать по размерному признаку на микропористые (диаметр пор менее 2 нм), мезопористые (диаметр пор от 2 до 50 нм) и макропористые (диаметр пор более 50 нм). Микропоры также дополнительно разделяют на ультрамикропоры и супермикропоры (границей между ними является размер пор в 1 нм). В металлооксидных сенсорах [3] макропоры играют определяющую роль для подвода материалов в нанореакторы в газовой или жидкой фазе, а также для отвода продуктов реакции, в то время как микропоры участвуют в процессах адсорбции. В сетчатых структурах существует система микропор, осуществляющая блокаду проводимости, а также ее снятие. В связи с этим, определение объема микропор в металлооксидных материалах для газовых сенсоров является актуальной задачей сенсорики газовых сред.

В настоящей работе была получена серия пористых материалов в системе на основе диоксидов кремния и олова с использованием золь-гель технологии [3].

Для контроля параметров пористой структуры синтезированных материалов использовался метод теплой десорбции инертных газов, реализуемый на приборе Сорби МС (ЗАО «МЕТА», Новосибирск, Россия).

Для измерения внешней удельной поверхности (внешней – без учета поверхности микропор, так как они при этом заполняются жидким адсорбатом) необходимо использовать сравнительные адсорбционные методы анализа. В общем виде процессы адсорбции можно описать следующим выражением:

а(h) = a_μ(h) + S∙α(h) + a_kk(h).

Первое слагаемое описывает сорбцию в микропорах, второе отвечает за сорбционные процессы в мезопорах, последнее отражает процессы капиллярной конденсации. Для азота в случае, если его парциальное давление менее 40 %, выражение выглядит следующим образом:

а(h) = V_μ + S∙α(h),

где Vμ -  a величина объема микропор, S – удельная площадь поверхности мезопор, α(h) – адсорбция на единице поверхности мезопор. Данное уравнение является линейным, и графически может быть представлено в виде прямой линии, если за оси координат принять величины а(h) и α(h). Значение V_μ может быть найдено по величине  отсечки построенной прямой по оси ординат. Для образцов, в которых микропористая система отсутствует, линия пойдет из начала координат.

Для исследования серии металлооксидных образцов были выбраны различные условия термотренировки, заключающейся в нагреве изучаемого адсорбента в потоке инертного газа – гелия. Было установлено, что для всех синтезированных материалов ключевыми факторами, влияющими на параметры пористой структуры и появление системы микропор, являются мольное соотношение компонентов (диоксидов кремния и олова) в системе, наличие или отсутствие углеродосодержащей модифицирующей добавки и температурно-временные режимы обработки образцов перед измерением. В ряде случаев было установлено, что микропористая система в материале обнаруживается после длительной предварительной дегазации материала. Предположительно это связано с удалением молекул воды из пористой структуры в процессе длительной термотренировки.

Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания № 16.897.2017/ПЧ.

Предложен новый метод разделения в аналитической химии, основанный на электромиграционных, хроматографических и магнитных эффектах. Такое сочетание эффектов обеспечат суперпарамагнитные наночастицы, интегрированные в матрицу полимерного слоя в кварцевой капиллярной колонке, которые будут создавать магнитное поле за счет собственной намагниченности и/или под действием внешнего электромагнитного поля. В предыдущих работах было показано, что сочетание электрического и магнитного поля в магнитной капиллярной колонке будет влиять на распределение потенциала, электрофоретическое разделение, и скорость электроосмотического потока.

В работе выполнена теоретическая оценка влияния магнитных наночастиц в полимерном слое сорбента на внутренней поверхности кварцевого капилляра на тепловые эффекты, влияющие на стабильность разделения при использовании электромиграционных методов анализа в магнитной капиллярной колонке.

Расчеты показали, что присутствие магнитных наночастиц в полой капиллярной колонке увеличивает напряженность поперечного электрического поля и, как следствие, его тепловую мощность. Увеличение доли магнитных наночастиц в пристеночном слое сорбента усиливает указанный эффект, однако, при этом, увеличится температуропроводность.

Математическая модель (линеаризованное уравнение Пуассона-Больцмана, адекватность которой доказана данными табл. 3 [1]), допускающая аналитическое решение в форме линейной комбинации модифицированных функции Бесселя, и использование двух упрощенных схем усреднения параметров среды, позволяют оценить динамику коэффициента температуропроводности. При первой схеме проводится усреднение непосредственно коэффициента температуропроводности с учетом доли водоподобного буфера, полимерного покрытия и металлизированных частиц в капилляре, при второй схеме изначально проводится усреднение коэффициента теплопроводности, плотности среды и удельной теплоемкость, а затем коэффициент температуропроводности вычисляется по найденным усредненным значениям. Видно, что даже при относительно тонком (не более 0,05 от внешнего радиуса) пристеночном слое с 20% концентрацией металлизированных наночастиц коэффициент температуропроводности увеличится в 2,2 (либо в 1,9) раза, что обеспечит более интенсивное охлаждение капилляра даже при увеличении тепловой мощности электромагнитного поля.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ 15-03-04643.

Предложена новая гибридная технология разделения, основанная на принципах электрофореза, хроматографии и магнетизма. Предполагается, что такое сочетание обеспечат суперпарамагнитные наночастицы (МНЧ), интегрированные в матрицу полимерного слоя или сорбента в кварцевой капиллярной колонке, которые будут создавать магнитное поле за счет собственной намагниченности и/или под действием электрического поля. Накладываемое электрическое напряжение будет также отвечать за различную по скорости миграцию компонентов разделяемой смеси и скорость электроосмотического потока в капиллярной колонке.

При включения МНЧ в полимерную матрицу возможно получение нанокомпозиционных магнитных сорбентов или полимерных слоёв следующих типов применительно к  капиллярным колонкам (КК): 1) набивные - силикагель  модифицированный полимерным слоем с МНЧ; 2) гранулированных нанокомпозитов с магнитными наногранулами и/или МНЧ, внедренными в немагнитную матрицу монолитного сорбента или пористого полимерного слоя; 3) монолитный сорбент или пористый полимерный слой функционализированный МНЧ; 4) многослойных систем, состоящих из наноразмерных, чередующихся магнитных и немагнитных полимерных слоев; 5) полимерный слой функционализированный МНЧ.

Из выше перечисленных типов сорбентов КК с упорядоченной (воспроизводимой) структурой распределения МНЧ в/на полимерной матрице возможно получить только в полимерном слое, поскольку КК с пористым полимерным слоем (полая капиллярная колонка), монолитные или набивные колонки являются объектами с нерегулярной структурой сорбента и МНЧ включенные в эти сорбенты априорно неопределенно распределены. Необходимость получения воспроизводимой структуры с упорядоченным распределением МНЧ (единый бесконечный кластер) на/в сорбенте обусловлена требованием получения направленного вектора магнитной индукции к центру капилляра. Кроме структуры сорбента и распределения в нём МНЧ для получения стабильного, воспроизводимого и регулируемого вектора магнитной индукции поля в КК необходима: одинаковая форма и размеры МНЧ, одинаковая ориентация намагниченности всех МНЧ и принцип суперпозиции магнитных полей. После получения в КК однородного полимерного слоя с упорядоченным распределением МНЧ, над полимерным слоем возможно создание многослойных систем - гибридных или сегментированных колонок в которых поверх бифункционального или полимерного слоя с структурированными МНЧ синтезируется монолитный сорбент, пористый полимерный слой, заполняется силикагелем и пр. 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ 15-03-04643.

Большой интерес сегодня представляют такие материалы, как углеродные порошки и пористый углерод, из-за их физико-химических свойств и высокой площади поверхности. Весьма перспективно применение их в электрохимии, катализе, в качестве сорбционного материала и материала-газохранилища, в составе композитов и др.

Описаны особенности процесса аэрозольного химического осаждения углеродных наночастиц из газовой фазы, содержащей аэрозольные частицы раствора «C₆H₅СООН – C₃H₇NO», а также исследовано влияние основных технологических параметров на размерные характеристики, структуру и состав образующихся продуктов.

Для изучения влияния температуры предварительной зоны нагрева на получаемые частицы рассмотрен интервал температур 250-750^оС. Частицы, образующиеся при более низких температурах первой зоны, имеют сферическую форму, что можно объяснить относительно медленной скоростью испарения растворителя и образованием на поверхности частицы аэрозоля твердой оболочки, через поры которой растворитель постепенно удаляется, а реагент диффундирует к поверхности, что приводит к образованию полой пористой шарообразной частицы. Различие в среднем размере частиц, полученных нагревом предварительной зоны до 500 и 750^оС несущественно, что можно объяснить дальнейшим наличием длинной горячей зоны, прогреваемой до 750^оС, однако наблюдается наличие осколочных частиц при температуре первой печи 500^оС, что может быть связано с экстренным нагревом и разрывом частиц из-за интенсивного испарения растворителя с поверхности отвердевающей частицы при резком увеличении давления паров растворителя и реагента внутри твердой оболочки частицы. Для частиц, получаемых при 250^оС в первой зоне, вероятно, разрыв по описанной схеме играет еще более существенную роль. Повышение температуры до 750^оС приводит к уменьшению среднего размера частиц и образованию практически сплошной поверхности, отмечалось наличие частиц осколочного типа в существенно меньшем количестве, чем в предыдущих случаях, что может быть связано с большей скоростью испарения и, как следствие, уменьшением размера частиц и пересыщением реагента, достигаемым по всему ее объему.

Результаты серии экспериментов с температурой второй зоны 700–800^оС, показали, что средний размер частиц при 750 и 800^оС изменялся незначительно, в то время как средний размер частиц при 700^оС примерно на 50% больше. Данную закономерность можно объяснить существенно замедленным процессом пиролиза, что также объясняет выбор нижней границы исследуемого температурного интервала именно на уровне 700^оС, при более низких температурах процесс не удается провести эффективно. Частицы претерпевают постепенный нагрев и подвергаются неинтенсивному пиролизу в основной зоне, поскольку температура относительно невысока. В случае же больших температур обеспечивается более интенсивный, экстренный пиролиз, что влияет на уменьшение среднего размера частиц. Следует заметить, что увеличение температуры в предварительной зоне существеннее сказывается на получаемых результатах, дальнейший же рост температуры от 800^оС в зоне пиролиза несущественно влияет на размерные характеристики частиц.

Увеличение среднего размера частиц с увеличением концентрации реагента, вероятно, обусловлено тем, что при одинаковых условиях и более высоких концентрациях достигается быстрее его пересыщение на границе капли аэрозоля и образующаяся твердая оболочка имеет больший размер. При большем разбавлении раствора процесс испарения растворителя требует большего времени для достижения пересыщения и размер образующихся частиц уменьшается.

В ходе исследования показано, что форма, размер и структура образующихся частиц определяются процессами, протекающими как в первой по направлению потока газа зоне реактора, так и в основной зоне нагрева, и их температуры являются важнейшими технологическими параметрами, концентрация бензойной кислоты в растворе может быть использована в качестве технологического параметра, позволяющего плавно изменять размерные характеристики получаемых частиц.

Для массового производства приборов солнечной энергетики и мощных высокочастотных транзисторов на основе (Al,Ga)N гетероструктур (ГС) необходимо развитие технологий получения приборных ГС на кремниевых подложках. В работе предложен новый технологический процесс получения GaN темплейтов без использования AlN буферного слоя, методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии (ПА МПЭ) на Si(111) подложках с предварительно сформированным нанопористым слоем (por-Si). Также в работе представлен сравнительный анализ GaN/por-Si и GaN/Si(111) ГС основанный на результатах их характеризации методами фотолюминесценции (ФЛ), ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгено-дифракционного анализа (РДА).

Si(111) подложки и подложки с предварительно сформированным por-Si слоем были подвергнуты процедуре очистки по методу Shiraki [1]. После этого подложки были отожжены в ростовой камере при температуре 820° и затем подвергнуты нитридизации в течение одного часа при температуре 850°С в потоке плазменно-активированного азота 3.7 sccm. GaN/por-Si и GaN/Si(111) ГС формировались в рамках одного технологического процесса. Зародышевый GaN слой толщиной 10 нм выращивался при температуре роста Ts=650°C и единичном соотношении потоков F_Ga/F_N=1. Вышележащий высокотемпературный GaN слой толщиной 840 нм формировался при температуре роста Ts=700°C и металл-обогащенных условиях (F_Ga=0.6 мкм/ч F_N=0.1 мкм/ч).

РДА анализ показал, что GaN слой, полученный на подложке с por-Si слоем, является монокристаллическим, а GaN/Si(111) слой – поликристаллическим. СЭМ изображения сколов GaN/por-Si/Si(111) и GaN/Si(111) ГС, показывают более однородную структуру слоя в случае использования подложки с por-Si слоем. Однако GaN/por-Si слой демонстрирует менее интенсивную ФЛ по сравнению со слоем, выращенным на классической Si(111) подложке. Таким образом, можно предположить, что por-Si слой позволяет подавить нуклеацию GaN зародышевых островков отличных от <0001> ориентаций, что, в свою очередь, позволяет получать толстые GaN слои для последующих приборных применений, непосредственно на Si(111) подложках, без использования AlN буферного слоя.

В результате разработана технология ПА МПЭ получения толстых буферных слоев GaN на подложках Si(111) c предварительно сформированным por-Si слоем. Произведена подробная характеризация полученных ГС.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МД-188.2017.2 и гранта Минобрнауки России в рамках государственного задания ВУЗам в сфере научной деятельности на 2017-2019 годы №11.4718.2017/БЧ.

Ростовые эксперименты были выполнены в рамках выполнения государственного задания Миноборнауки России №16.9789.2017/БЧ​

Изучение свойств, а так же разработка методов получения наночастиц (НЧ) металлов является достаточно перспективной и актуальной областью научных исследований. Известно, что свойства НЧ металлов связаны с их размерами, что дает большие возможности для создания новых функциональных материалов с заданными физико-химическими свойствами. Одним из перспективных металлов для использования в нанотехнологиях является медь. Материалы на основе меди могут быть интересны как для фундаментальных исследований, так и в практических целях. Исследования показывают, что НЧ меди, нанесенные на нейлоновые ткани, приводят к увеличению прочности на растяжение, уменьшению длины изгиба и эффективно действуют против золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) [1]. НЧ меди, полученные в системе поливинилпирролидон (ПВП) и цетилтриметиламмония бромид (ЦТАБ) приводят к снижению удельного сопротивления линий ПВП/ЦТАБ-Cu, спеченных при температуре 160 °C по сравнению с сопротивлением структур ПВП-Cu или ЦТАБ-Cu [2]. Частицы меди, встроенные в оксидные стекла сильно изменяют их оптические свойства, делая эти композиционные материалы полезными для использования в качестве оптических материалов для фотонных устройств [3] и т.д.

С практической точки зрения было интересно изучить влияние времени синтеза НЧ меди на оптическую плотность конечного раствора синтеза, а так же провести исследования устойчивости полученных НЧ меди.

В работе для синтеза НЧ меди использовался метод химического восстановления. Частицы меди получали в системе Cu(II) – анионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) — додецилсульфат натрия (ДДС) СН₃(СН₂)₁₁ОSO₃Na. В качестве прекурсора использовали хлорид меди (II) CuCl₂∙2H₂O, в роли восстанавливающего агента выступал гидразин гидрат (ГГ) N₂H₄∙H₂O объемом 1 мл на 40 мл водного раствора ПАВ. Значение рН реакционной смеси доводили до 12.0 с помощью аммиака.

Исследование спектров поглощения проб растворов с НЧ меди, полученных в течение 120 мин синтеза показало, что максимальный выход продуктов в виде НЧ меди наблюдается при синтезе в течение 60 мин. При этом значение оптической плотности составляет 3.7 при пике поглощения излучения λ ≈ 569 нм. Дальнейшее увеличение времени синтеза медных частиц приводит к уменьшению оптической плотности раствора синтеза приблизительно в 19 раз. По истечении двух недель после синтеза установлено, что частицы, полученные в течение 60 мин, характеризуются высокой устойчивость в объеме коллоидного раствора, т.к. оптическая плотность уменьшается в 1.4 раза. Полученные в данной работе НЧ меди потенциально могут быть использованы в электронике.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-07-00093 А.

Графен - двумерный материал, представляющий собой монослой углерода, обладает исключительными свойствами. Огромная подвижность носителей заряда, большая длина спиновой релаксации и другие замечательные особенности делают его крайне привлекательным материалом для применений в электронике и спинтронике [1]. Практическое использование графена ведет к необходимости его синтеза на различных подложках. Одним из наиболее важных методов получения высококачественного графена на металлических подложках является химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Однако электронная структура графена, контактирующего с металлом, далека от электронной структуры свободного графена. Одним из перспективных методов восстановления свойств графена является интеркаляция кремния в межслоевое пространство между графеном и подложкой. Этот способ позволяет также синтезировать под графеном ферромагнитные силициды железа и кобальта, из которых возможна инжекция спин-поляризованных электронов. Целью настоящей работы было теоретическое исследование эволюции электронной структуры системы графен-никель в процессе ее интеркаляции атомами железа, кобальта и кремния.

Все расчеты были выполнены “из первых принципов” в рамках DFT и метода псевдопотенциала, реализованного в пакете Quantum Espresso [2]. В работе для функционала обменно-корреляционной энергии использовалось обобщенное градиентное разложение (GGA) и псевдопотенциалы PBE. В разложении волновых функций валентных электронов учитывались плоские волны с энергией до 200 Ry.

Для систем графен-железо-никель и графен-кобальт-никель определены зонные структуры для разных проекций спина и полные плотности состояний валентных электронов. Показано, что состояния углерода сильно гибридизированны с 3d состояниями контактирующего с графеном металла. При этом линейная дисперсия π-состояний углерода, ответственных за формирование конуса Дирака, оказывается разрушенной. Показано также, что в отличие от системы графен-никель, где зонная структура слабо меняется при изменении направления проекции спина, в системах графен-железо-никель и графен-кобальт-никель разница между соответствующими дисперсионными кривыми становится существенной и проявляется особенно ярко вблизи уровня Ферми. Исследована эволюция зонной структуры указанных систем с увеличением числа слоев железа и кобальта, интеркалированных между графеном и никелем. Показано, что увеличение дозы интеркаляции не оказывает сильного влияния на электронные состояния графена. Основные изменения связаны лишь с усилением вклада 3d состояний железа и кобальта.

Для систем графен-кремний-железо и графен-кремний-кобальт проведена структурная оптимизация и определены энергетически наиболее выгодные положения интеркалированных атомов кремния в межслоевом пространстве графен-металл. При проведении этих расчетов мы опирались на результаты экспериментального исследования данных систем, согласно которым интеркаляция кремния в межслоевой зазор между графеном и металлической подложкой приводит к формированию поверхностных силицидов железа и кобальта [3, 4]. При этом для обеих систем в картинах дифракции медленных электронов появляются дополнительные рефлексы, соответствующие структуре (√3×√3)R30. Использование удовлетворяющих этим условиям суперячеек позволило установить, что в системе графен-кремний-железо атомы кремния занимают fcc положения относительно атомов железа и находятся на расстоянии 1.64 Ǻ от плоскости Fe(111). При этом графен оказывается удаленным от слоя атомов кремния на 2.8 Ǻ, что значительно превышает соответствующие значения (2.13 и 2.07 Ǻ) для систем графен-никель и графен-железо.

Расчеты электронной структуры систем графен-кремний-железо и графен-кремний-кобальт показали, что для обеих проекций спина интеркаляция графена кремнием приводит к существенному сдвигу конуса Дирака в область меньших энергий связи. В результате этого электронная структура графена в значительной степени восстанавливается и становится сходной со структурой свободного графена. Этот результат хорошо согласуется с данными, полученными в работах [3, 4] методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением и объясняется ослаблением связи графена с подложкой из-за уменьшения перекрытия волновых функций атомов углерода и кремния при увеличении расстояния между ними.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект № 16-02-00387) и Минобрнауки РФ (проект № 3.3161.2017 госзадания). Численные расчеты проведены с использованием вычислительных ресурсов суперкомпьютерного центра СпбПУ.

​

Ключевые слова: металлические стекла, магнитострикция, магнитоупругий эффект Виллари, датчики механических напряжений и деформации, магнитомягкие сплавы.

В данной работе представлены результаты комплексного исследования обратного магнитострикционного (магнитоупругого) эффекта в аморфных сплавах (Fe,Co)₈₀P₁₄B₆ и выбранных для сравнения известных металлических стеклах Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ (Metglas2826).

Образцы в виде рентгено-аморфных быстрозакаленных лент номинального состава Fe_80-xCo_xP₁₄B₆ (x = 25, 28 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].

Магнитоупругий эффект был исследован путем регистрации набора предельных петель магнитного гистерезиса B от H для Fe_80-xCo_xP₁₄B₆ лент под приложенным внешнем механическом напряжении σ. По результатам измерений петель магнитного гистерезиса при механическом напряжении от 0 до ~100 МПа методом Беккера и Керстена [4-6] были определены постоянные магнитострикции насыщения λ_s. Для этого находилась экспериментальная зависимость поля анизотропии H_k от приложенного механического напряжения σ. Постоянная магнитострикции в таком случае находится как [6]:

, (1)

где M_S – намагниченность насыщения, которая находилась экспериментально методом динамического магнитометра, калиброванного на эталонном образце Ni.

Значения λ_s для трех исследованных номинальных составов металлических стекол Fe_80-xCo_xP₁₄B₆ составили: Fe₄₀Co₄₀P₁₄B₆ (1.60 ± 0.05)·10^-5, Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆ (1.0 ± 0.1)·10^-5, Fe₅₅Co₂₅P₁₄B₆ (1.80 ± 0.13)·10^-6_. В качестве эталонного образца была взята аморфная лента Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ (Metglas2826) (1,60 ± 0,13)·10^-5, что удовлетворительно близко к значению, приводимому в литературе [7]. Показано, что рост доли кобальта в стеклах Fe_80-xCo_xP₁₄B₆ приводит к увеличению константы магнитострикции.

В настоящее время графен является объектом многих исследований, что связано с его уникальными физическими свойствами и перспективами для создания устройств на его основе. Графен уже сейчас применяется для создания тонкопленочных транзисторов[1], OLED-дисплеев[2] и многих других устройств. Для обеспечения конкурентного потенциала таких устройств необходима отлаженная технология производства достаточно больших пластин высококачественного однородного графена. Как правило, слои графена большой площади выращивают на медной подложке, с последующим переносом на изолирующую подложку. Альтернативным методом является технология сублимации кремния из полуизолирующей монокристаллической подложки карбида кремния (SiC). Данный метод позволяет производить достаточно большие пластины высококачественного однородного графена непосредственно на изолирующей подложке (SiC) [3].  Для создания приборов на основе графена, как правило, используют фотолитографию или наноимпринт литографию. Большинство литографических методик подразумевает нанесение и удаление резиста с поверхности графена. Однако электронная структура графена крайне чувствительна к поверхностным адсорбатам. Альтернативным методом литографии исключающим использование резиста является локальное анодное окисление [4]. В данном методе под зондом атомно-силового микроскопа происходит окисление слоя графена.

Целью данной работы было изучение возможностей зондовой литографии тонких слоев графена на SiC. Эксперимент производился на приборе Ntegra Aura (NT-MDT) с использованием DCP (NT-MDT) зондов с диаметром острия 100 нм. Методом локального анодного окисления были получены области оксида графена. Изменение свойств поверхности было подтверждено как методами атомно-силовой микроскопии, так и комбинационным рассеянием света. Получены экспериментальные данные о проводимости, потенциале, топографии и спектре рассеяния окисленных областей. Окисление приводит к повышению поверхностного потенциала. Вольт-амперные характеристики окисленных областей имеют вид выпрямляющего контакта. Установлена связь между такими параметрами окисления, как скорость зонда, напряжение и влажность воздуха. Например, для влажности воздуха 30% и скорости зонда 1 мкм/с напряжение стабильного окисления составляет около 15 В. Увеличение влажности позволяет снизить напряжение, однако при этом ухудшается локальность воздействия. Перепад высот между окисленным и невозмущенным графеном составил 1,4 нм. Минимальная ширина окисленной линии соответствует диаметру зонда и равна 100 нм.

Таким образом, в работе было исследовано влияние параметров (электрическое напряжение, влажность воздуха, скорость сканирования) на окисление моно и бислоёв графена. Были определены параметры обеспечивающие воспроизводимое формирование оксида графена. Результаты работы позволяют говорить о локальном анодном окисление графена на SiC, как о методе нанолитографии, который может быть использован для создания устройств на основе тонких слоев графена.

Исследования для получения новых полимерных слоёв и сорбентов имеет определяющее значение для развития электромиграционных методов анализа и ее внедрения в аналитическую практику. Селективность и скорость разделения веществ электромиграционными методами зависят от свойств неподвижной фазы, используемой (синтезированной) в капилляре. Наиболее перспективным направлением в современном капиллярном электрофорезе является применение сегментированных капилляров, состоящих из двух сегментов с различными удерживающими свойствами.

Исследованные модифицированные и сегментированные капилляры были получены последовательным заполнением кварцевых капилляров реакционными смесями с последующим химическим и термическим инициированием реакции полимеризации. По результатам измерения подвижности маркера электроосмотического потока (ЭОП) в модифицированных и сегментированных капиллярах была установлена линейная зависимость скорости ЭОП при увеличении доли сегмента или модифицированного капилляра с нейтральным зарядом поверхности к отрицательно заряженному покрытию на внутренней поверхности капилляра.

Анализ экспериментальных данных по измерению подвижности маркера ЭОП в модифицированных и сегментированных капиллярах с разным соотношением длин сегментов позволил предложить математическую модель для описания и прогнозирования скорости ЭОП в сегментированных капиллярах в зависимости от длин сегментов и неподвижной фазы/покрытия с известными свойствами поверхности дзета потенциал, скорость ЭОП и пр.

Работа проводилась при поддержке гранта РФФИ № 16-03-00625.

Золь-гель методы основаны на гидролизе и конденсации молекул прекурсоров. В зависимости от используемых реагентов они позволяют получать наноматериалы широкого диапазона составов, а также размера и формы частиц.

В настоящей работе метом золь-гель технологии из спиртовых растворов были получены нанокомпозиты SnO2-SiO2 разного состава (по сольному соотношению компонентов). Для приготовления растворов был использован изопропиловый спирт, дистиллированная вода, хлорид олова (II) двуводный и тетраэтоксисилан ТЭОС. Растворы были нанесены на стеклянные подложки. Температура отжига оставляла 600 °С. Полученные слои были исследованы методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновской фото электронной спектроскопии (РФЭС).

Помимо состава золь-гель системы, в ходе синтеза варьировали параметры нанесения слоёв. Были выбраны различные скорости центрифугирования. В ходе исследования было обнаружено, что уменьшение скорости вращения приводит к образованию пористой структуры с большим размером пор.

Обработка изображений в программе Gwiddion позволила оценить разброс частиц по размера и фрактальную размерность образцов. Было обнаружено, что характер распределения частиц по размерам зависит главным образом от состава образца. Так, например, количество частиц в слое состава 15%SnO₂-85%SiO₂ монотонно уменьшается с увеличением их размера в пределах от 1-10 нм до 200 нм. Для образцов состава 85%SnO₂-15%SiO₂ на зависимости наблюдается минимум в области ~50 нм. При этом фрактальная размерность всех образцов имеет очень близкие значения и зависит в первую очередь от метода расчета.

Исследования образцов методом  XPS были выполнены на лабораторном спектрометре фирмы SPECS, возбуждение Mg K_α. Анализ состава образцов композитов указанным методом проводился в поверхностных слоях  ~ 1-2 нм, после чистки поверхности образца ионами аргона с энергией 4 кэВ (3 сек.). Идентификация XPS остовных уровней элементов и их химического состояния  проводилась с использованием базы данных рентгеновских фотоэлектронных спектров Национального института стандартов США.

XPS Sn 3d5/2 и O1S спектры золь-гель нанокомпозитов SnO2-SiO2 (85%:15%) с разложением на компоненты, центрифугирование 3000 об/мин и 4000 об/мин. Анализ формы и положения XPS Sn 3d5/2 спектра и их разложение на компоненты показывает, что Sn в поверхностном слое композитов  находится преимущественно в виде оксида SnOx, близкого к диоксиду SnO2 (компонента спектра с Eb=486,5-487 эВ). При этом наблюдается относительно небольшое количество неокисленного металлического олова (компонента спектра с Eb=485 эВ), которое, однако, может играть существенную роль, к примеру, в адсорбционных процессах на поверхности композитов и приводить к изменению функциональных характеристик приборов на их основе относительно ожидаемых.

Анализ O1s спектров нанокомпозитов подтверждает наличие преимущественно диоксида олова в поверхностном слое фольги (компонента с Eb =530.5 эВ). Спектры также содержат две компоненты, вторая, менее интенсивная компонента, соответствует  кислороду оксида кремния SiOx и адсорбированному на поверхности кислороду с Eb=532,5 эВ. 

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

В работах [1-2] нами исследованы электрические свойства систем наночастиц нитрита натрия и йода, введенных в пористый оксид алюминия (ПОА). В настоящей работе в качестве вещества-«гостя», введенного в эту пористую диэлектрическую матрицу, выступает перспективный полупроводниковый материал CuI. Для получения матричного нанокомпозиционного материала CuI / ПОА предварительно были изготовлены мембраны ПОА электрохимическим методом двухстадийного анодирования в ортофосфорной или щавелевой кислоте. Иодид меди был получен в мембранах ПОА методом встречной диффузии реагентов – сульфата меди и иодида калия. Оценка степени заполнения ПОА иодидом меди (~ 15% объема образца) проводилась на основе полученных с помощью спектроэллипсометра «Эллипс–1891» спектральных зависимостей эффективной диэлектрической проницаемости ПОА, поликристаллического CuI и нанокомпозиционного материала CuI / ПОА. 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. Термо-э.д.с. образцов малой толщины измерялась импульсным методом [3].

 Согласно литературным данным [4] проводимость иодида меди при высоких температурах обусловлена, в основном, переносом заряда катионами меди (число переноса электронов при высоких температурах мало). При этом полученные нами результаты показывают, что при охлаждении образцов CuI и CuI / ПОА после их нагрева до высокой температуры наблюдается увеличение ионной проводимости и уменьшение энергии активации аррениусовской зависимости проводимости до величин ~ 0,3 эВ и ~ 0,1 эВ соответственно, характерных для высокотемпературной суперионной альфа - фазы CuI [4].

Удельная термо-э.д.с. «массивного» поликристаллического CuI по данным наших измерений при 300 К составила ~ 0,12 mV/K и соответствовала обычному для иодида меди p - типу проводимости. Для нанокомпозита CuI / ПОА эта величина оказалась примерно вдвое меньшей и слабо увеличивалась при нагревании образцов. При этом коэффициент Зеебека менял свой знак в случае, когда матрица ПОА была получена анодированием в щавелевой кислоте: подобные образцы демонстрировали n - тип проводимости при комнатной температуре. Этот результат предположительно можно связать с высокой концентрацией собственных дефектов донорного типа  – анионных вакансий и междоузельных катионов меди [5]. Образцы на основе ПОА, полученного анодированием в ортофосфорной кислоте, заполнялись иодидом меди в течение более короткого промежутка времени и сохраняли дырочный тип проводимости. Возможность образования дефектов донорного типа в исследованных нами образцах косвенно подтверждается возбуждением красной фотолюминесценции CuI под действием ультрафиолетового излучения импульсного азотного лазера (длина волны 337 нм) при комнатной температуре. Согласно литературным данным [5] такое красное свечение может быть связано с присутствием глубоких донорных дефектов – вакансий йода.

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.).

Интерес к биосовместимым материалам на основе короткоцепных олигопептидов обусловлен их уникальными свойствами и потенциальными возможностями использования в различных технологиях [1-3]. Особенностью олигопептидов является их способность к самоорганизации с образованием различных наноструктур: наносферы, наностержни, нанотрубки, нанопузырьки и т. д. [4]. Такие наноструктуры имеют практическое применение в оптике, системах для хранения и преобразования энергии, при изготовлении биосенсоров, а также, благодаря своей биосовместимости, здравоохранении [5]. Исследования свойств производных глицина представляют большой интерес ввиду возможности их использования при создании биоактивных и лекарственных препаратов.

В настоящей работе методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновской порошковой дифрактометрии (ПД) исследована самоорганизация трипептида L-глицил-L-глицил-L-глицин (GGG) в пленке под действием паров органических соединений (спирты, азотсодержащие и хлорпроизводные соединения) и воды на кремниевой подложке. Исследования проводили на микроскопе Solver P47Pro (НТ-МДТ, Россия) с помощью стандартных кантилеверов NSG11 и дифрактометре MiniFlex 600 (Rigaku), оснащенном высокоскоростным D/teX детектором.

Для получения пленок GGG на поверхность кремния наносилось 40 мкл (90 мкл для ПД) раствора трипептида в смеси метанол-вода. В результате удаления растворителя потоком теплого воздуха на поверхности формировалась пленка GGG. Насыщение парами органических соединений проводили в течение 2-3 часов (сутки для ПД) при комнатной температуре.

Были получены АСМ изображения пленок GGG, нанесенных на кремниевую подложку, а также данные порошковой дифрактометрии. Результаты исследований подтверждают аморфность исходной пленки трипептида GGG.

Был проведен анализ влияния паров органических соединений, относящихся к различным классам, на морфологию поверхности пленок. Установлено, что на поверхности образуются кристаллические структуры (при насыщении парами спиртов и пиридина) или нанофибрилы (после насыщения парами воды), что подтверждено, данными ПД. Полученные результаты могут быть полезными для разработки методики управляемой самоорганизации короткоцепных олигопептидов под действием парообразных соединений.

Фотоэлектрические преобразователи (ФП) на основе А3В5 полупроводниковых гетероструктур являются одним из наиболее эффективных решений среди возобновляемых источников энергии. Cоздание каскадных ФП, включающих несколько последовательно соединенных p-n переходов на основе материалов с различной шириной запрещённой зоны. позволяет существенно снизить фундаментальные потери на неполное поглощение и термализацию носителей заряда и достигнуть максимальной на сегодняшний день энергоэффективности. Однако существует альтернативный подход снижения фундаментальных потерь, в котором предлагается модель ФП с промежуточной зоной (intermediate band solar cells - IBSC). В данной концепции в запрещенной зоне полупроводника создается энергетический уровень с высокой плотностью состояний, через который идет процесс двух-фотонного поглощения света с генерацией электронно-дырочных пар [1, 2].  В качестве физического объекта, позволяющего реализовать такой подход рассматриваются массивы квантовых точек (КТ), например, InAs КТ, встроенные в активную область  GaAs ФП, для которых уже продемонстрирован заметный фототок за счет поглощения подзонных фотонов [3].

Однако  InAs-GaAs КТ являются достаточно напряженной системой, что ограничивает величину массива КТ, который может быть встроен активную область ФП без заметной потери квантовой эффективности GaAs p-n перехода. В данной работе предлагается ввести в состав InAs КТ небольшое количество Ga с тем, чтобы уменьшить разницу параметров решетки КТ и матрицы GaAs и, таким образом, уменьшить механические  напряжения в структуре ФП. Это позволит сохранить структурное качество p-n перехода без использования слоев, компенсирующих напряжения в структуре.

Экспериментальные структуры были получены методом металлогранической газофазной эпитаксии. Было выращено несколько серий тестовых светоизлучающих гетероструктур на основе GaAs с одним и с пятью рядами In_0.8Ga_0.2As  КТ для оценки оптических параметров КТ методом фотолюминесценции (ФЛ). В ходе экспериментов варьировалось количество осаждаемого материала КТ и толщина закрывающего слоя GaAs, необходимого для предотвращения деградации КТ в ходе технологических шагов нагрева и остывания реактора. Формирование массивов InGaAs КТ в матрице GaAs происходило в режиме Странски-Крастанова.

Для тестовых гетероструктур с одним слоем In_0.8Ga_0.2As  КТ были найдены оптимальные ростовые параметры, при которых достигается высокая интенсивность ФЛ: осаждение 2 монослоев In_0.8Ga_0.2As и их заращивание покрывающим слоем GaAs толщиной 5 нм. Показано, что складирования нескольких рядов (до пяти) КТ в одном массиве не приводит к заметному изменению оптических свойств кватоворазмерной среды, а именно интенсивность ФЛ и длина волны пика излучения не меняются с увеличением количества рядов. Это дает возможность дальнейшего увеличения числа рядов КТ для увеличения поглощающей способности среды.

Разработанная технология была апробирована для встраивания массивов КТ в активную область однопереходного GaAs ФП. Были выращены референсная структура  GaAs ФП и структура ФП со встроенным массивом из 5 рядов In_0.8Ga_0.2As КТ. По результатам сравнения спектральных характеристик внутреннего квантового выхода данных ФП показано, что КТ вносят заметный вклад в фотогенерированный ток прибора за счет поглощения подзонных фотонов и  расширения фоточувствительности в длинноволновую область спектра. Величина фототока, генерированного в области КТ в диапазоне от 880 до 1100 нм составила 0,35 мА/см² для космического спектра (AM0), и 0,3 мА/см² для наземного (AM1.5D). При этом фототок, генерированный в GaAs переходе был примерно одинаковый для обоих ФП (~29 А/см², AM1.5D), Кроме того показано, что внедрение 5 слоев КТ позволяет сохранить высокое структурное совершенство GaAs p-n перехода и дает перспективу развития данной технологии при увеличении числа рядов в массиве.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 16-08-01004).

Полупроводниковые гетероструктуры на квантово-размерных эффектах получили широкое распространение в современной электронике. Наибольшие успехи достигнуты в создании лазеров и фотодетекторов на квантовых ямах и квантовых точках [1]. Общепризнанными и хорошо исследованными технологическими методами получения наногетероструктур являются молекулярно-лучевая и газофазная эпитаксии [2,3]. Помимо указанных технологических методов для получения наноматериалов с КТ активно адаптируются «классические» методы: распыление лазерными, электронными и ионными пучками [4-6]. Цель работы заключалась в демонстрации возможности самоорганизованного роста квантовых точек InAs на подложках GaAs(001), используя для создания ростового массопотока распыление мишени низкоэнергетическим аргоновым пучком малой плотности.

Получение экспериментальных образцов осуществляли в рабочей камере магистрально-модульного комплекса «ЦНА-9». Система вакуумирования поддерживала в транспортной камере давление порядка 10^-4 Па; в ростовой камере не хуже 10^-6 Па. Ростовая камера оснащена азотной криогенной панелью для вымораживания остаточных газов и несорбированных массопотоков. Нагрев подложки осуществлялся вольфрамовой спиралью в диапазоне температур 300–900 °C. Установка оснащалась ионным источником IQE 11/35. Рабочим газом служил аргон сверхвысокой чистоты. Диаметр ионного пучка в области контакта с мишенью составлял 21 мм при рабочем расстоянии «мишень – подложка» 125 мм. Угол между аргоновым потоком и мишенью равнялся 30°. Энергия ионов изменялась в диапазоне 200 – 300 эВ. Мишенями и подложками служили пластины арсенида галлия АГЧТ-1(001) и арсенида индия ИМЭТ-1(001) диаметром 50 мм.

В работе продемонстрирована возможность получения методом ионно-лучевой кристаллизации наноструктур InAs-QD/GaAs(001). Уточнены коэффициенты распыления монокристаллических арсенида галлия и арсенида индия при малых энергиях распыления E_Ar+=200 – 300 эВ и угле падения аргонового пучка θ = 30°. Коэффициенты распыления рассчитывались по результатам измерений объемов кратера распыленного материала, выполненных с использованием лазерной конфокальной микроскопии. Показана возможность достижения сверхмалых скоростей роста до 0.1 МС/с для InAs и 0.05 МС/с для GaAs. Данные атомно-силовой и электронной просвечивающей микроскопии, фотолюминесценции и комбинационного рассеяния показывают, что повышение плотности тока пучка с 5 до 15 мкА/см² при энергии E_Ar+=200 эВ и температуре подложки T=480 °C приводит к увеличению латеральных размеров  КТ hut типа с 15 до 25 нм и поверхностной плотности с 2·10¹⁰ см^-2 до 9·10¹⁰ см^-2. Повышение плотности тока до 20 µA/cm² при той же энергии ионов сопровождается образованием не пригодных для изготовления приборных структур dome типа со средним размером 70 нм. Поверхностная плотность падает до 3·10¹⁰ см^-2.

Работа выполнена по гранту Президента Российской Федерации МК-5115.2016.8 и финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 15-08-08263-а.

Пленки мультиграфена, полученные путем термической деструкции карбида кремния в вакууме, представляют интерес для применения в автоэмиссионной электронике. Метод термической деструкции SiC в вакууме позволяет формировать пленки мультиграфена на полуизолирующем карбиде кремния [1, 2]. Это необходимо для изоляции планарных электродов эмиссионных структур. Перспективность пленок мультиграфена для автоэмиссионной наноэлектроники обусловлено низкими пороговыми напряжениями, малой работой выхода электрона, высокой механической прочностью и технологичностью процесса получения на подложках SiC большого диаметра [3, 4].

Планарная форма эмиттеров способствует высокому коэффициенту усиления поля. Одним из параметров, влияющих на коэффициент усиления поля, является межэлектродное расстояния. Методы нанотехнологий позволяют формировать планарные эмиссионные структуры с нанометровыми межэлектродными зазорами. Стабильность наноразмерных планарных эмиссионных структур во многом определяется однородностью распределения электрического поля в межэлектродном промежутке.

Данная работа посвящена исследованию напряженности электрического поля в наноразмерном межэлектродном промежутке эмиссионной структуры с электродами планарного типа. Планарный катод выполнен в форме острия. В работе исследовано влияния положения плоскости катода относительно плоскости анода. Изменяя конструкцию эмиссионной ячейки подобным образом можно добиться изменения площади эмитирующей поверхности, что, в свою очередь, влияет на плотность тока и локальный перегрев. В итоге это сказывается на стабильность работы эмиссионного устройства.

На основе исходных данных были построены модели наноразменых эмиссионных наноструктур с различными взаимными положениями плоскостей катода и анода и получены распределения электрического поля в межэлектродном промежутке. Выявлено, что напряженность электрического поля максимальна, когда катод и анод находятся в одной плоскости. При возвышении плоскости анода над катодом наблюдается незначительное снижение напряженности электрического поля (менее 10%). Снижение плоскости анода относительно катода приводит к снижению напряженности электрического поля на ~60 %. При этом, снижение плоскости анода относительно катода приводит к увеличению области, принимающей эмитированные электроны. Данный эффект нужно учитывать в условиях работы прибора при высокой плотности тока, так как увеличение указанной области анода может способствовать лучшему рассеиванию и отводу тепла. Это позволит повысить стабильность работы наноразмерных планарных эмиссионных структур.

Работа выполнена при финансовой поддержке внутреннего гранта Южного федерального университета № ВнГр-07/2017-26.

В работе проводится характеризация сверхструктурных свойств в монокристаллических пластинах фосфида индия InP и кремния, легированных донорными примесями с концентрацией около . Ранее образец InP был подвергнут процедуре порообразования. Исследования проводились методами малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР) и рентгеновской дифрактометрии (РД).

Данные РД и МУРР были зарегистрированы на лабораторной установке МАРС-2 (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) с источником рентгеновского излучения Rigaku с вращающимся анодом, а также на дифрактометре ДРОН-УМ1, с применением Cu  излучения.

Анализ данных РД показал, что образцы остались монокристаллическими (либо состоят из одинаково ориентированных доменов). Совокупное исследование кривых МУРР, полученных при разных направлениях волнового вектора, показало присутствие в образцах периодической структуры с  симметрией в плоскости, параллельной поверхности пластины. Периоды симметрии составили для фосфида 260 и 450 nm в кристаллографических направлениях  и  соотвтетственно, а для кремния 220 и 340 nm, соотвтетственно, в тех же кристаллографических направлениях. Таким образом, в обоих образцах формируется двумерная прямоугольная либо трехмерная орторомбическая решетка.

В работе проведено исследование с целью определения влияния висмута на структурное совершенство и люминесцентные свойства тонкопленочных гетероструктур Al_xIn_yGa_1-x-yBi_zSb_1-z/GaSb. Были выявлены такие параметры процесса зонной перекристаллизации градиентом температур (ЗПГТ), при которых эпитаксиальные слои AlInGaBiSb имели минимальную шероховатость и высокое структурное совершенство.

Многокомпонентные гетероструктуры успешно применяются в различных областях оптоэлектроники [1,2]. Гетероструктуры содержащие висмут используются для создания фотоприемных устройств работающих в диапазоне длин волн 0.4-4.0 мкм [3,4]. В тонкопленочных гетероструктурах Al_xIn_yGa_1-x-yBi_zSb_1-z/GaSb используются изовалентные компоненты, которые активно влияют на зонную структуру эпитаксиальных слоев, что открывает широкие возможности в управлении спектром люминесценции и структурным совершенством, а также позволяет варьировать фотоэлектрические свойства элементной базы приборов. В качестве изовалентной примеси был использован висмут его использование позволило улучшить морфологическую стабильность фронта кристаллизации, уменьшить отклонение состава соединений А^IIIВ^V от стехиометрии, а также позволило изменять коэффициенты растворения легирующих [4].

Целью настоящей работы является выращивание тонких эпитаксиальных слоев AlInGaBiSb на подложках GaSb и исследование влияния висмута на структурное совершенство и люминесцентные свойства гетероструктур Al_xIn_yGa_1-x-yBi_zSb_1-z/GaSb.

Выращивание тонкопленочных гетероструктур проводили методом ЗПГТ в закрытой системе в потоке водорода, очищенного в процессе диффузии через палладий. В качестве жидкой зоны использовали раствор-расплав из чистых элементов Sb(СУ-000), In(ИН-000), Ga(ГЛ-000), Bi(ВИ-000), Al(АЛ-000). Расчет навесок проводился по методике, описанной нами ранее [5], с учетом молярных масс элементарных компонентов. Все материалы кроме галлия, подвергались химической обработке в смеси HNO₃:H₂O (1:1), промывке в дистиллированной воде и сушке в термостате при температуре 333-343 К.

Для выращивания эпитаксиальных слоев AlInGaBiSb использовали подложки GaSb, n-типа проводимости, ориентированные в кристаллографических плоскостях (100) и (111) с точностью до 10ʹ, легированные (Te) до концентрации n=(1÷5)·10¹⁷см^-3, (μ~5700 м²/В·с). Плотность дислокаций в подложке GaSb не превышала 5·10³ см^-2. Перед процессом эпитаксии подложки GaSb обрабатывали по следующей методике:

• обезжиривание этиловым спиртом (C₂H₅OH);
• обработка в травителе (смесь 20% водного раствора винной кислоты, перекиси водорода и плавиковой кислоты H₂C₄H₄O₅:H₂O₂:HF=25:12:1 в течении 1.5-3 минут);
• промывка в дистиллированной воде;
• сушка в термостате при температуре 333 К.

Висмут занимает позиции Sb в подрешетке сурьмы, чем способствует уменьшению вероятности образования антиструктурных дефектов и отклонению состава твердого раствора AlInGaBiSb от стехиометрического. При этом, по мере роста концентрации висмута в тонкопленочных гетероструктурах AlInGaBiSb/GaSb, увеличивается интенсивность люминесценции, а ширина спектра наоборот уменьшается.

В тонкопленочных гетероструктурах AlInGaBiSb/GaSb вследствие роста концентрации висмута уменьшается ширина запрещенной зоны и основной энергетический пик Е_g монотонно смещается в длинноволновую область.

Исследованы основные параметры определяющие качество поверхности, структурные и люминесцентные свойства тонкопленочных гетероструктур Al_xIn_yGa_1-x-yBi_zSb_1-z/GaSb, такие как толщина жидкой зоны 60≤l≤100 мкм, температура 773≤T≤873 К, градиент температуры 10≤G≤30 К/см и концентрация висмута 0.3÷0.4 ат.%.

Работа выполнена в рамках госзадания грант №16.4757.2017/8.9, а также при финансовой поддержки Российского фонда фундаментальных исследований по гранту 17-08-01 206 А.

Одной из наиболее значимых областей внедрения фуллеренов и эндометаллофуллеренов (ЭМФ) является биомедицина. Использование ЭМФ, инкапсулирующих медицинские радиоактивные изотопы, может стать основой для разработки современных методов профилактики, диагностики и лечения широкого спектра заболеваний человека. Несомненные преимущества ЭМФ связанны с тем, что изотопы, защищенные прочным углеродным каркасом, не создают опасности радиоактивного заражения и рисков токсичности из-за выхода атомов металла в среду организма. Для внедрения ЭМФ и изотопных препаратов на их основе в медицину необходимо установить, насколько устойчивыми являются молекулы ЭМФ к действию ионизирующих излучений, в частности потоков быстрых нейтронов, а также тепловых нейтронов, если ядра атома металла обладают высокими сечения поглощения с последующим излучением гамма-квантов.

В данной работе были синтезированы эндометаллофуллерены редкоземельных элементов M@C_2n+ C_2n (где n=30÷50) и их гидроксилированные водорастворимые производные M@C_2n(OH)_38–40 + C_2n(OH)_38–40 (M=Tm, Ho, Eu, Sm), фуллеренол С₆₀(ОН)₃₈. В ходе исследования были определены величины радиационной стойкости фуллеренолов эндофуллеернов и их производных. Обсуждаются причины аномальной радиационной стойкости Gd@C_2n [1], Sm@C_2n и радиационной стойкости фуллеренолов при реакторном облучении потоком нейтронов 8·10¹³н/см²·сек (кадмиевое отношение ~10). Аномальная радиационная стойкость ЭМФ Gd и Sm, вероятно, связана с  локализацией ионов в углеродной клетке и электронной структурой молекул этих ЭМФ. Присоединение гидроксильных групп к молекуле фуллерена изменяет ее радиационную стойкость вследствие изменения электронной структуры.

Манганиты представляют собой соединения со структурой перовскита, магнитные свойства которых меняются в зависимости от уровня легирования. Наибольший интерес в настоящее временя вызывают исследования ультратонких плёнок этих материалов[^1-3], а также гетеропереходов на их основе. Благодаря наличию поверхностей раздела, физические свойства пленок отличаются от объемных свойств кристаллов, что необходимо учитывать при создании различных элементов спинтроники. В настоящей работе методом теории функционала плотности в приближениях LDA и LDA+U исследуются магнитные свойства ультратонких слоёв   типа (100) нелегированных манганитов кальция CaMnO₃ и лантана LaMnO₃, расположенных на подложках BaTiO₃ и SrTiO₃(структура перовскита). В работе представлены результаты ab-initio расчётов, выполненных в рамках метода псевдопотенциала, реализуемого программным комплексом Quantum Espresso. Вычисления выполнялись для суперячеек, моделирующих объём, свободные поверхности и поверхности раздела (001) структур Ca_nMn_n+1O_3n+1/Ba_mTi_m+1O_3m+1, Ca_nMn_n+1O_3n+1/Sr_mTi_m+1O_3m+1, La_nMn_n+1O_3n+1/Ba_mTi_m+1O_3m+1 и La_nMn_n+1O_3n+1/Sr_mTi_m+1O_3m+1, где n=1-4, m=1-7, разделённых вакуумным промежутком ~ 1.5 nm. Вычислены полные энергии возможных состояний, соответствующих случаям ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочения (типов А, C и G) в объёме и у поверхности раздела гетероструктур. Структурная оптимизация геометрии ячейки проводилась методом сопряжённого градиента. Результаты расчётов позволяют сделать вывод об отсутствии “мёртвых слоёв” (“dead layers”)[⁴] на поверхности манганитов, а также определить энергетически выгодные антиферромагнитные упорядочения. Наиболее интересным результатом расчетов является обнаружение в таких гетероструктурах полностью поляризованной плотности состояний вблизи уровня Ферми.

Металлические наночастицы благородных металлов представляют широкий практический интерес и применяются в качестве оптических меток, средств усиления контраста, в составе ближнепольных оптических зондов [1], в качестве промышленных катализаторов [2] и в составе солнечных элементов для повышения их коэффициента полезного действия [3]. Многие применения обусловлены эффектом плазмонного резонанса, заключающегося в коллективном колебании электронов проводимости (электронной плотности) относительно ионного остова кристаллической решетки металла на резонансной частоте возбуждения.

Особый интерес вызывает исследование воздействия электромагнитного излучения на процессы нуклеации и роста металлических частиц. При близком расположении ионов и заряженных кластеров относительно поверхности наночастиц колебания электронной плотности, происходящие под действием внешнего излучения, могут приводить к восстановлению малых заряженных частиц и их адсорбции на поверхности металлической наночастицы. В результате получается новая структура распределения электромагнитного поля и образование частиц несферической формы.

В работе исследовано влияние излучения различного спектрального диапазона (455, 520 и 630 нм) на процессы нуклеации и роста наночастиц серебра. Под воздействием электромагнитного излучения были синтезированы частицы серебра в форме треугольных призм с длиной ребра 60–90 нм и перестройкой спектра плазмонного резонанса системы возможна в диапазоне длин волн 400–800 нм.

Исследование структур, диэлектрическая проницаемость которых периодически изменяется в пространстве, интересно как с фундаментальной точки зрения, так и прикладной. Подобные структуры называются фотонными кристаллами [1,2].  Одной из разновидностей одномерных фотонных кристаллов является резонансная брэгговская структура [3]. В таких структурах резонансный отклик при отражении света осуществляется за счет экситонных состояний в квантовых ямах. Квазидвумерные экситоны в квантовых ямах вносят значительный вклад в диэлектрическую функцию среды. Как следствие, при совмещении брэгговской периодичности с энергий экситонного состояния в квантовой яме в подобных структурах можно наблюдать коллективную экситон-поляритонную моду. Сила осциллятора этой моды пропорциональна числу квантовых ям в структуре, если число таких ям конечно (<100). Такую моду называют суперизлучательной экситон-поляритонной модой [3].

Создание брэгговских резонансных структур является технически сложной задачей. Для формирования суперизлучательной моды необходима система с большим количеством квантовых ям, а также с малым количеством дислокаций и прочих дефектов. Технология выращивания структур GaAs/AlGaAs является наиболее развитой. Поэтому в работе была исследована именно эта система.

В работе были экспериментально исследовано оптическое отражение от резонансных брэгговских структур на основе системы квантовых ям GaAs/AlGaAs. Отличительной особенностью исследуемых наноструктур было то, что элементарная сверхъячейка состояла из двух квантовых ям. В работе получены спектры отражения света при разных температурах, поляризациях и углах падения света. В подобных структурах реализация суперизлучательной моды была достигнута при низких температурах [4,5].

Исследования спектров отражения при температуре 10К показало, что совпадение брэгговской периодичности и энергии экситонного состояния в яме при данной температуре не реализуется. С увеличением температуры до 270К для каждого из углов (23°, 45° и 67°) при определенной температуре было обнаружено состояние двойного резонанса, при котором энергия возбуждения экситона совпадала с положением главного дифракционного брэгговского максимума. При таком двойном резонансе наблюдается значительное увеличение пика отражения. Наиболее важным из этих результатов является реализации двойного резонанса для угла падения 23°, так как это происходит при достаточно высокой температуре 270К. Для s-поляризованного света максимум пика отражения составил 85%, а полуширина 16мэВ.

Для комнатной температуры анализ угловых зависимостей отражения света показал, что при угле падения 17.5° наблюдается увеличение отражения, при этом коэффициент отражения в максимуме составил 56%, полуширина пика отражения 16мэВ. При данном угле падения положение главного брэгговского максимума совпадает с энергией экситона к вантовой яме.  С дальнейшим увеличением угла максимум отражения уменьшается до 40%.

Для комнатной температуры методом матриц переноса произведен теоретический расчет спектра отражения для разных поляризаций и углов падения света. Сопоставление экспериментального и расчетного спектров позволило определить радиационное и нерадиационное затухание, которые составили Γ₀=40мкэВ и Γ=4мэВ, соответственно. Установлено, что в исследованных образцах неоднородный вклад в нерадиационное уширение сравним с однородным вкладом.

Исследование оптических свойств наноматериалов представляет собой важную задачу в современной физике твердого тела. Важное значение в исследованиях имеют свойства пористых диэлектриков, например, такого как нанопористый анодный оксид алюминия (por-Al₂O₃) [1], структура которого формируется путем создания в объемном материале равномерно распределенной сетки наноразмерных каналов. Можно отметить, что к числу важных свойств por-Al₂O₃ относится меньшие, чем в объемном оксиде алюминия показатель преломления и диэлектрическая проницаемость, а также упорядоченная структура наноразмерных пор. В работах [2,3] показано, что нанопористые мембраны существенно ослабляют пропускание ИК-излучения в диапазоне от 8 до 14 мкм.

В данной работе исследованы процессы экранирования теплового потока por-Al₂O₃ с наноразмерной структурой с помощью тепловизионных измерений.

В качестве исследуемого материала использовались мембраны на основе por-Al₂O₃, полученные методом электрохимического анодирования в электролитах на основе различных кислот (серной, щавелевой и ортофосфорной) и, как следствие, с различным диаметром пор (20, 60 и 200 нм, соответственно). Источником теплового излучения служил плоский нагревательный элемент, который располагался на различных расстояниях (2, 4, 6 мм) от мембраны, закрепленной во фторопластовом кольцевом держателе. При подаче напряжения (0,5–23 В) на нагреватель, проводилась регистрация ИК излучения, проходящего сквозь мембрану. Исследования производились при температурах от 25 до 130 ˚С помощью тепловизора (RGK TL-160).

В результате исследований были получены температурные профили биообъекта в отверстиях пластины фторопласта для случая без маски и с применением маски из пленки пористого анодного оксида алюминия. Обнаружено, что мембраны на основе por-Al₂O₃ хорошо экранируют тепловое излучение (до 64%). Исследования влияния диаметра пор на пропускание ИК излучения показали, что чем меньше диаметр пор у мембран оксида алюминия, тем сильнее они обладают свойствами экранирования. Это можно объяснить диффузионным рассеиванием от оптически неоднородной среды, где в качестве источников неоднородности выступают поры малого диаметра, недотравленные области и дефекты.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 31 16-38-60110 мол_а_дк.

Оксид цинка ZnO – широкозонный полупроводник (E_g=3.36 эВ при Т=0 К) [1], кристаллизующийся при температурах менее 77°С в структуре типа вюрцит (вид симметрии С_6v). Ввиду отсутствия центра симметрии в кристаллической структуре оксид цинка обладает пьезоэлектрическими свойствами, что позволяет использовать данный материал в качестве активной части пьезоэлектрических и гибридных наногенераторов.

Принцип действия пьезоэлектрических наногенераторов (ПЭНГ) основан на преобразовании энергии механической вибрации, распределенной в пространстве, в импульсы электрического тока [2]. Данные устройства являются наиболее перспективными для питания микро- и наноэлектроники. Улучшение выходных характеристик ПЭНГ на основе оксида цинка достигается при использовании активной части, в которой направление механической деформации совпадает с осью шестого порядка. Использование одномерных наноструктур (наностержней) позволяет уменьшать массогабаритные характеристики прибора, а также увеличивать выходной сигнал за счет параллельного включения наноструктур между электродами.

Для обеспечения вертикального роста наностержней используются зародышевые слои. В работе формирование зародышевых слоев проводилось методами SILAR и магнетронного распыления ввиду доступности и эффективности.

Метод SILAR («Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction», жидкофазного ионного наслаивания) заключается в последовательном погружении подложки в соответствующие растворы. В работе один технологический цикл занимал 4 стадии: адсорбция цинк-аминных комплексов ([Zn(NH₃)₄]²⁺) на поверхности подложки; промывка в холодной воде; протекание реакции в горячей воде на поверхности подложки; сушка в воздушной атмосфере для закрепления пленки. Количество циклов нанесения составляло 3-15.

Магнетронное распыление – один из методов получения тонких пленок, основанный на катодном распылении мишени в скрещенных электрическом и магнитном полях. Данный метод позволяет наносить зародышевые слои ZnO на подложки различной природы в едином технологическом цикле. Нанесение пленок проводилось на установке BOC EDWARDS Auto 500RF из мишеней ZnO и In₂O₃ (90%) SnO₂ (10%). Слой ITO (100 нм) наносился на кремниевые подложки для создания нижнего электрода с малым поверхностным сопротивлением. Нанесение тонких плёнок проводилось при комнатной температуре. В качестве рабочих газов использовались чистый аргон (99.999%) и кислород (99.999%). Толщина покрытия составляла h=5-30 нм.

В работе формирование наностержней оксида цинка проводилось методом мягкого гидротермального синтеза (ГТС) [3] в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ). Источником катионов цинка служил 0.025 М раствор нитрата цинка Zn(NO₃)₂. Для создания буферного раствора и обеспечения возможности проведения синтеза при относительно низких (менее 100°С) температурах использовался гексаметилентетрамин (НМТА) C₆H₁₂N₄. ГТС проводился в циркуляционном термостате в течение 60 мин. Данное время позволяет формировать 1D-наноструктуры с наилучшим аспектным соотношением.

Особенности морфологии полученных наноструктурированных покрытий исследовались методом растровой электронной микроскопии (РЭМ TESCAN MIRA LMU). Характеризация пьезоэлектрических свойств наноструктур проводилась с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ NTEGRA Therma NT-MDT) в режиме силовой микроскопии пьезоотклика (PFM).

Широкозонные полупроводниковые материалы класса A³N обладают рядом уникальных электрических, оптических и механических свойств, важных для создания приборов современной опто- и наноэлектроники, а также микроэлектромеханических систем (МЕМС). Важной особенностью материалов A³N с кристаллической решеткой типа вюрцита является кристаллографическая полярность. Она влияет на структурные, оптические и электрические свойства данных материалов [1]. Известно, что N-полярные эпитаксиальные слои нитридов химически активны, в то время как металл-полярные отличаются химической инертностью, что затрудняет их постростовую обработку. Поэтому изначально травление таких слоев было возможно только с помощью методов реактивного ионного травления (РИТ) или плазмохимического травления (ПХТ). Однако жидкостное травление не требует наличия сложного оборудования. Кроме того, тщательно подобранный состав травителя и условия травления позволяют обеспечить приемлемую скорость травления и высокую селективность для различных материалов. Альтернативой методам РИТ и ПХТ для обработки материалов A³N стало фотохимическое и фотоэлектрохимическое травление [2].

В настоящей работе были проведены эксперименты по фотохимическому травлению эпитаксиальных структур GaN/Si_xN_y/Si(111) в растворах K₂S₂O₈(0.03M):KOH(0.004M) (1:1), K₂S₂O₈(0.1M):KOH(0.01M) (1:1) и K₂S₂O₈(0.1M):KOH(0.1M) (1:1). Ga-полярные эпитаксиальные слои GaN толщиной (0.6-0.8) мкм были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота (МПЭ-ПА) на установке Veeco GEN 200. Синтез эпитаксиальных слоев осуществлялся на высокоомных подложках Si(111), нитридизованных в потоке атомарного азота непосредственно перед выращиванием GaN. Полученные образцы с нанесенной фоторезистивной маской  или с защитой части образца химически стойким лаком (при длительности травления более 30 минут, поскольку фоторезист не устойчив в щелочном растворе),  погружались в растворы K₂S₂O₈(0.03M):KOH(0.004M) (1:1), K₂S₂O₈(0.1M):KOH(0.01M) (1:1) и K₂S₂O₈(0.1M):KOH(0.1M) (1:1) комнатной температуры и освещались ксеноновой лампой с измеренной удельной мощностью излучения 157 мВт·см². В процессе травления производилось непрерывное перемешивание раствора с помощью магнитной мешалки. Длительность травления варьировалось в интервале 15-300 минут.

Согласно [3], фотохимическое травление GaN в растворах с малой молярной концентрацией KOH и K₂S₂O₈ происходит в режиме «полировки» - равномерного удаления GaN, а с увеличением молярной концентрации веществ в растворе преобладает механизм селективного травления по структурным дефектам. Однако в результате экспериментов было обнаружено, что фотохимическое травление тонких пленок GaN, синтезированных методом МПЭ-ПА, в растворах K₂S₂O₈(0.03M):KOH(0.004M) (1:1), K₂S₂O₈(0.1M):KOH(0.01M) (1:1) и K₂S₂O₈(0.1M):KOH(0.1M) (1:1) является селективным. Исследование морфологии поверхности с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) показало, что травление начинается с дефектов, выходящих на поверхность эпитаксиальной пленки по всей поверхности образца и приводит к формированию характерных «трубок» и вискеров. Увеличение длительности процесса травления приводит к практически полному удалению слоя GaN с поверхности подложки (на оголенной поверхности подложки присутствуют «островки» GaN). Увеличение молярной концентрации веществ в растворе привело к относительному увеличению скорости травления. Однако в экспериментах было выявлено снижение скорости травления с уменьшением толщины эпитаксиальной пленки GaN и нарушением ее сплошности.

Chirality is one of the most fascinating occurrences in the natural world. A chiral molecule has two mirror-image forms, known as enantiomers, which are not superimposable in three dimensions. Enantiomers have identical physical and chemical properties, and differ only in the direction in which they rotate the polarization vector of circular polarized light [1]. Therefore, an enantiomer can be either levorotatory (L) or dextrorotatory (D). This phenomenon of rotating polarized light is specifically known as optical activity and can be directly studied using circular dichroism (CD) spectroscopy [2]. Chirality plays a crucial role in biology, chemistry, pharmacology, and medicine, since the majority of the organic molecules comprising living organisms are chiral, such as amino acids, carbohydrates, proteins, DNA etc. [3]. Consequently, chirality strongly influences many biological properties of materials, such as intracellular accumulation, enzymatic activity, and toxicity [4].

The area of chirality-related research in nanoscience is rapidly expanding and highly interesting for both fundamental research and potential applications. Fluorescent semiconductor nanoparticals, quantum dots (QDs), possess unique physical and chemical properties, such as large absorption coefficients, high photoluminescence (PL) quantum yield (up to 100%) and excellent photo- and chemical stability [5]. Optical activity may be induced in colloidal QDs through the exchange of the original achiral ligands with chiral ligands, such as cysteine, penicillamine, etc. Thus, ligand exchange allows the creation of hydrophilic biocompatible QDs with induced optical activity [6]. Chiral QDs are of the most interest for biomedical applications, due to their stereospecificity: the ability to distinguish between stereoisomers. Enantioselective interaction between chiral QDs and biological objects has been reported previously [7]. A dominating contribution to this process is made by the enantiomers of chiral molecules, adsorbed on QD’s surface.

Here we report on studies on interaction of chiral QDs with surrounding environment of organic and inorganic nature. As a first step, we investigated interaction of nonchiral nanocrystal with chiral organic molecule chlorin e6. It was found that the optical activity of chlorin e6 exhibits a pronounced dependence on the distance between the nanocrystal core and chlorin e6. Then it was demonstrated that optically active CdSe/CdS QDs capped with chiral cysteine molecules are able to perform chiral recognition of enantiomers of free chiral drugs (ibuprofen, naproxen) as well as chiral cysteine molecules bound on surface of CoFe₂O₄ magnetic nanoparticles. Finally, we investigated interaction of chiral QDs with A549 cancer cells.  Enantioselective cytotoxicity of CdSe/CdS and ZnD:Mn QDs capped with chiral cysteine molecules was observed on A549 cell line: in both cases D-cysteine capped QDs were more toxic compare to that of  L-cysteine capped QDs. We believe that these results are of great interest for both fundamental research and potential applications of optically active nanostructures due to the recent growing interest to nanoscale chirality. Our future work will involve investigation of the influence of QD size, composition and shell thickness on optical activity of chiral molecule as well as study of their biological behaviour in living cells.

Вакуумная наноэлектроника – одно из перспективных направлений современной электроники с точки зрения возможностей формирования компонентной базы с высокими показателями надежности, помехозащищенности и быстродействия. Широкие возможности для создания элементов вакуумной наноэлектроники открывает применение углеродных материалов, в частности наноуглеродных пленок и графена, что обусловлено высокой подвижностью носителей заряда, проводимостью, теплопроводностью, прочностью, радиационной и термической стойкостью. Перспективным направлением исследований, с точки зрения простоты технологии и получаемых свойств графена, является формирование пленок графена на поверхности SiC методом высокотемпературной сублимации [1]. Сочетание пленок графена и подложек SiC позволяет использовать высокую подвижность носителей заряда, проводимость, теплопроводность, радиационную и термическую стойкость в качестве конкурентных преимуществ при производстве элементов автоэмиссионной наноэлектроники [1]. Целью работы является исследование и разработка конструктивно-технологических решений формирования элементов автоэмиссионной наноэлектроники на основе пленок графена на поверхности карбида кремния методом фокусированных ионных пучков (ФИП) [2].

Экспериментальная часть работы выполнялась с использованием растрового электронного микроскопа с системой ФИП Nova NanoLab 600 (FEI Company). Пленки графена на поверхности карбида кремния формировались методом термической деструкции в вакууме при температуре до 1450°С. При разработке конструкции элемента автоэмиссионной наноэлектроники была выбрана планарная компоновка катода и анода, при которой после формирования графена травлением ионами галлия методом ФИП по шаблону формируются тонкопленочные структуры графеновых электродов. Преимуществом такого способа формирования структур является минимизация влияния имплантированного галлия на электрические параметры формируемых наноструктур. Ионно-лучевое формирование элементов наноэлектроники производилось при ускоряющем напряжении ФИП – 30 кэВ, токе ионного пучка 10 пА, времени воздействия ионного пучка в точке – 800 нс. Таким образом, были сформированы 5 структур с радиусами закругления острия эмиттера 20, 25, 30, 35 и 40 нм. После проведения ионно-лучевого травления образцы исследовались методом атомно-силовой микроскопии в режиме отображения сопротивления растекания на зондовой нанолаборатории Ntegra Vita (ЗАО «НТ-МДТ»). Для исследования эмиссионных характеристик сформированных элементов зонд АСМ помещался на катод, а прижимной контакт – на анод, после чего проводились измерения ВАХ в диапазоне от 0 до 10 В.

Анализ полученных ВАХ показал, что пороговое напряжение начала эмиссии составляет от 1,5 до 3,5 В, что является преимуществом в сравнении с большинством современных автоэмиссионных приборов, в которых пороговое напряжение составляет десятки В. При этом эмиссионный ток демонстрирует значения 1,5-7 нА. Для устранения данного недостатка и увеличения плотности тока эмиссии необходимо создание мультиострийных катодов, что возможно в соответствии с применяемых технологическим процессом при условии учета эффекта экранирования.

Работа выполнена в рамках Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (Проект № МК-6163.2016.8).

Современные разработки в области кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей направлены на повышение их эффективности и снижение стоимости получаемой энергии. При этом используются более дешевые, по сравнению с монокристаллическими, аморфные и поликристаллические слои кремния [1], а связанные с их применением рекомбинационные потери минимизируют, вводя буферные или пассивирующие слои собственного аморфного гидрогенизированного кремния и оксида кремния [2]. В отношении последнего по сравнению с классическим термическим окислением при температуре ~ 1000ºС использование плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD, ICPCVD) позволяет снизить температуру формирования слоя до 300ºС, что особенно актуально при изготовлении элементов на стеклянных и гибких подложках.

В работе представлены результаты исследования влияния параметров процесса плазмохимического осаждения на свойства получаемых пленок оксида кремния для их использования в солнечных фотоэлектрических преобразователях.

В качестве подложки использовали пластину кремния n-типа ориентации (100). Подложки покрывали слоем оксида путем плазмохимического осаждения в смеси Ar:SiH₄:N₂O. Полный поток оставался неизменным и составлял 980 см³/мин; меняли давление, парциальное давление газов, температуру и мощность. Полученные пленки исследовали методом стилусной профилометрии, атомно-силовой и растровой электронной микроскопии с локальным препарированием фокусированным ионным пучком, а также лазерной эллипсометрии.

Показано, что, варьируя температурой, полным и парциальным давлением газов, мощностью разряда, можно изменять характер морфологии и структуры оксидных пленок, а также их оптические свойства. Проведено сравнение с пленками, полученными методом плазмохимического осаждения в индуктивно-связанной плазме [3]. Выполнена оценка применимости полученных пленок для создания солнечных элементов на основе микро- и нанокристаллического кремния при пониженных температурах. Даны рекомендации по параметрам их осаждения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Южного федерального университета, грант ВнГр-07/2017-02. Результаты получены с использованием оборудования научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ЮФУ.

Нанопористые кремний (PSi) и германий (PGe) являются перспективными материалами оптоэлектроники и важными технологическими элементами в сенсорике, биосенсорике и элементах солнечных батарей. Интерес к исследованиям подобных материалов был стимулирован открытием фотолюменции PSi в видимом диапазоне при комнатной температуре, которая объясняется размерным эффектом для носителей заряда. Поэтому поиск новых технологий получения и анализ структуры полупроводниковых нанопористых материалов является актуальной задачей современной науки и техники.

В настоящее время активно развивается направление наноплазмоники и фотоники, целью которого является повышение эффективности оптических свойств PSi и PGe, например, для повышения интенсивности фотолюминисценции, рамановского рассеяния и др., за счет введения в структуру пористого полупроводника наночастиц благородных металлов [1-3]. Поверхностный плазмонный резонанс в таких металлических наночастицах, возбуждаемый под действием электромагнитной световой волны приводит к появлению резонансного локального поля вблизи частиц, что в свою очередь обеспечивает усиление оптических свойств композитного материала [4].

С целью создания материалов типа Ag:PSi и Ag:PGe нами был предложен и использован метод низкоэнергетической высокодозовой имплантации ионами Ag⁺ монокристаллических кремния и германия. В проводимом эксперименте энергия ионов серебра составляла 30 кэВ при дозе облучения 1.5·10¹⁷ ион/см² и плотности тока в ионном пучке 8 мкА/см². Наблюдение морфологии поверхности и элементный анализ проводился на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Merlin (Carl Zeiss). Измерения профиля и поперечных сечений осуществлялось на сканирующем зондовом микроскопе FastScan (Bruker) и просвечивающем электронном микроскопе Hittachi 70707.

Преимуществом предлагаемой технологии является физический метод получения полупроводниковых пористых структур в вакууме без использования химических подходов. Тем более, что в настоящее время ионная имплантация используется как основной метод в современной индустрии создания микропроцессоров, поэтому предлагаемая новая технология изготовления PSi и PGe может быть достаточно легко интегрирована в производство.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ № 7-12-01176.

Пористый кремний (por-Si) представляет собой целый класс полупроводниковых материалов [1]. Одним из активно разрабатываемых современных направлений применения этого материала является медицина. В медицине por-Si применяется, например, в качестве матрицы-носителя полезного груза для адресной доставки лекарств, , в качестве материалов – имплантатов (например, в офтальмологии), в качестве субстратов, а также por-Si используется в тканевой инженерии и ортопедии [2-4].

При создании систем адресной доставки лекарств на основе por-Si важным является выбор соответствующего типа por-Si для обеспечения закрепления лекарственного вещества (ЛВ) в активной форме, а также необходимы методы контроля характера закрепления таких молекул и определения количества (дозы) ЛВ в пористой матрице. Прямыми методами (например, РЭМ) не всегда возможно определить в каком количестве ЛВ вошло внутрь пор. Чтобы оценить, что функционализация прошла успешно используют адсорбционные методы исследования. 

Адсорбционные методы исследования пористых материалов позволяют определять такие важные параметры как полная удельная поверхность по методу Брунауэра, Эметта, Теллера (БЭТ), внешняя удельная поверхность и оценивать удельный объем микропор; исследовать процессы капиллярной конденсации в мезопорах и получать информацию о распределении мезопор по размерам [5, 6]. Преимуществом метода являются возможность проведения неразрушающего контроля и отсутствие необходимости использовать токсичные вещества. Ожидается, что адсорбция лекарственных вещества в por-Si будет существенно влиять на геометрические характеристики его поверхности.

В данной работе были исследованы слои пористого кремния, полученные методом электрохимического анодного травления при различных технологических параметрах, а именно: серии при разной плотности тока анодирования, в разных электролитах. Электрохимическое травление проводилось в однокамерной электрохимической ячейке. Проведена функционализация полученных образцов антибиотиками канамицина сульфат и амикацин. Данные ЛВ являются антибиотиками широкого спектра действия. Для функционализации полученных слоев был выбран метод импрегнации из насыщенного (или какая была концентрация) раствора лекарственного вещества в физрастворе.

Методами тепловой десорбции и капиллярной конденсации осуществлялось измерение удельной площади поверхности и распределения пор по размерам (соответственно). Измерения проводились на приборе СОРБИ N.4.1.

Прибор СОРБИ N.4.1 предназначен для измерения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов путем сравнения объемов газа-адсорбата, сорбируемого исследуемым образцом и стандартным образцом материала с известной удельной поверхностью. В качестве газа-адсорбата используется азот. Измерение удельной поверхности проводится по 4-х точечному методу БЭТ [7].

Характерная особенность адсорбции в мезопорах связана с капиллярной конденсацией, которая приводит к заполнению объема мезопор жидкой фазой адсорбата при относительном давлении пара азота при 77К, 0,4 < P/P₀< 1 [8].

Из анализа данных измерений удельной площади поверхности можно сделать вывод о том, что после процесса функционализации ЛВ удельная площадь поверхности исследуемых образцов полученный при низких плотностях тока увеличивается. Рост данного параметра связан с образованием неоднородных структур на поверхности образцов. Для образцов, полученных при плотности тока 50 мА/см², наблюдается уменьшение данного параметра. Уменьшение удельной площади поверхности предположительно определено процессами загрузки кристаллов NaCl и лекарственного препарата в систему пор исследуемых образцов.

Из полученных данных по измерению капиллярной конденсации для серий образцов por-Si наблюдается уменьшение объема пор, после процесса функционализации методом импрегнации, что позволяет говорить о возможности применения данной методики как метода качественного контроля загрузки лекарственных препаратов.

Porous silicon (PS) and PS-based composite nanostructures are of great interest due to unique properties of such materials including photoluminescence, electroluminescence and the dependence of refraction index on porosity. It is well established that porous silicon is a promising material for numerous applications associated with micro- , nano- and optoelectronics, medicine (biosensors, targeted drug delivery), gas sensing and so on [1] by virtue of its high specific surface area, extensive capability for surface functionalization with various structures [2-5].

In the course of this study PS layers were obtained by anodization of monocrystalline (111) n-type silicon wafers with resistivity of 4.5 Ω⋅cm. Pre-treatment of the wafers was conducted by using volatile liquids (acetone) and ultrasonication for 15 minutes. Anodization was performed in an electrochemical cell filled with HF-Isopropyl alcohol-Distilled water solution. Anodization time varied in the range of 0.5 to 40 min. The deposition of silver was carried out from an aqueous solution of AgNO₃ in a three-electrode electrochemical cell. PS acted as a working electrode. The deposition of silver on the surface of porous silicon samples was performed by applying a potential of 700 mV for one minute.

Raman spectroscopy technique has been extensively used to characterize both crystalline (c-Si) and amorphous (a-Si) silicon and silicon based nanostructured materials. Raman shift is 520 cm^-1 and 480 cm^-1 (transverse optical TO – mode) for c-Si and a-Si samples respectively [6].

The results of Raman spectroscopy indicate that an increase in anodization time (from 0.5 to 40 min) leads to a shift in position of a Raman peak initially located at 521 cm^-1. According to Cardona [7] the size of a nanocrystalline Si cluster corresponding to a certain Raman shift could be estimated by using equation

,

where B = 224 cm^-1,  is the frequency down shift of the sample referring to the c-Si line. Calculated sizes of Si nanocrystals turn out to be 8 nm, 8 nm, 6.2 nm, 6.2 nm, 5.2 nm with respect to 0.5 min, 1 min, 10 min, 20 min, and 40 min anodization times. It should be noted that such modification of porous silicon crystalline structure accompanied by a downshift of the 521 cm^-1 Raman peak is presumably related to the effect of stretching as a result of deposition of silver nanoparticles inside the pores in the silicon surface.

Duval et al. [8] states that Raman spectra of both metal nanoparticles and composite materials based on those contain a low-frequency peak the nature of which is related to the mechanical oscillations of nanoparticles under the influence of incident optical radiation. According to equation

,

where  is the transverse sound velocity, a value, averaged on the different directions in the crystal [8], d is the diameter of the particle,  c is the speed of light in vacuum, the observed peak position leads to a diameter of Ag nanoparticles deposited on por-Si surface of approximately 0.7 nm. The anodization time of 10 minutes leads to the formation of an optimal morphology of silicon surface thus providing a significant increase in Raman signal intensity probably related to the surface enhanced Raman scattering (SERS) effect [5].

Functionalization of a porous silicon matrix leads to the formation of silicon nanocrystals, accompanied by a shift of the peak corresponding to bulk silicon (521 cm^-1) towards lower energy. The calculation of the characteristic dimensions of Si nanocrystals is conducted in accordance with Cardona theory [7], depending on anodization time of a silicon matrix. The nature of low-energy Raman bands has been associated with the formation of silver nanoparticles (0.7 nm in diameter) on the surface of a silicon matrix. Thus the increase in anodization time leads to a rise in the thickness of the por-Si layer as well as in the pore diameter.

The work was carried within the Task of The Ministry of Education and Science RF 3.6288.2017 / BC (basic part).

Одним из перспективных материалов на сегодняшний день в области систем доставки лекарственных препаратов (СДЛ) является пористый кремний (por-Si). Наноконтейнеры на основе por-Si обладают такими привлекательными свойствами, как стабильность, способность к высокой загрузке благодаря большому объему пор и площади поверхности, высокой биосовместимостью и возможностью пролонгированного высвобождения одного, двух и более лекарственных препаратов с различными физико-химическими свойствами. Тем не менее, для обеспечения заргузки и закрепления полезных перпаратов в поры матриц-носителей на основе por-Si необходимы сведения о его внутренней структуре, морфологии и химии поверхности используемой системы во взаимосвязи с технологическими условиями получения. Определение размеров и формы частиц и пор так же явлется важной задачей для применений данных СДЛ in vivo, поскольку ожидается, что эти характеристики будут влиять на биодоступность, биораспределение частиц и их характер взаимодействия с клетками тканей организма [1-5].

В данной работе образцы пористого кремния получены методом электрохимического травления пластин монокристаллического кремния. В качестве электролита для травления использовались спиртовой раствор плавиковой кислоты и раствор диметилформамида. Структурная диагностика полученных образцов была проведена методами рентгеновской дифракции (ДРОН 4-07). Исследования качества поверхности структуры были выполнены на электронном микроскопе Libra 120 CarlZeiss.Оптические свойства образцов изучались в диапазоне 190−900 нм методом UV-спектроскопии (LAMBDA 650 PerkinElmer). Спектры пропускания-отражения исследованных образцов были получены при угле падения электромагнитного излучения 67 град. Порошки пористого кремния были получены из образцов мезо- и макропористого механическим отделением пористого слоя и дроблением в ультразвуковой ванне с последующим центрифугированием на легкую и тяжелую фракции.

Дифракция образцов пористого кремния показала, что в результате травления монокристаллических пластин (100) происходит частичное разупорядочение пористого слоя и появление кристаллов с ориентацией (111), (220), (311). В пористом слое с более крупными порами той же толщины наблюдается разупорядочение по тем же кристаллографическим направлениям, но в другом соотношении по интенсивности пиков между собой. При этом в целом разупорядочение слоя тем меньше, чем крупнее поры. Используя экспериментальные данные, были определены размеры кристаллов кремния в пористом слое в соответствии с формулой Шеррера. Согласно этим расчетам размеры разупорядоченных в результате травления кристаллов кремния в пористом находятся в пределах 30-45 нм в зависимости от технологии, при этом параметр решетки этих кристаллов с учетом погрешности прибора соответствует параметру решетки кристаллического кремния. После ультразвукового дробления в порошок присутствуют как нанокристаллы размеров в диапазоне 30-45 нм, так и более мелкие, с кратными исходным размерами ~ 8, 16, 24 нм.

С целью выявления механизмов оптического поглощения в порошках, с использованием возможностей программы OPUSBruker и учетом формулы Ламберта-Бугера были перестроены спектры пропускания-отражения в спектры поглощения. По этим данным были определены возможные прямые переходы зона-зона в областях ~ 1.8- 2 эВ для более тяжелых фракций нанопорошков мезо и макропористого кремния и 2.3-2.5 эВ для более легких порошков. Полученные результаты соответствуют известным данным о ширине запрещенной зоны пористого кремния. Полоса ФЛ порошков пористого кремния также проявляется в данном энергетическом диапазоне с пиком 550-700 эВ в зависимости от технологии получения.

Работа была выполнена при поддержке гранта президента РФ (MK-4865.2016.2), проектов 0021109 конкурс УМНИК 15-12 и за счет средств программы повышения конкурентоспособности СПбГЭТУ "ЛЭТИ.

Creating and investigating properties of nanocomposites has been attracting considerable interest. There are a lot of experimental and theoretical studies devoted to these materials [1-6]. The composites based on porous matrix attract the most interest of scientists all over the world. If the pores of matrix are filled with ferroelectric the dielectric properties of such material may be totally different from those in free-standing bulk crystal of ferroelectric. Experiments have demonstrated that many interesting effects are exhibited in such materials, such as: broadening the temperature range of phase transition, sufficient shift of Curie temperature, etc [2, 4]. To understand the physics of nanocomposites theoretical model is needed.

In this study we consider single domain nanoinclusions of two classical ferroelectrics: PbTiO₃ and BaTiO₃. Their equilibrium polarization states are determined by minimizing a special thermodynamic potential [7] which describes the energetics of ferroelectric inclusion surrounded by a linear elastic medium. The inclusion was assumed to have the form of an ellipsoid of revolution. Despite earlier works [7, 8] both 3D elastic clamping and differential thermal strains were taken into account. Due to the difference between temperature expansion coefficients of inclusion and matrix internal thermal stresses are developing in the inclusion-matrix system at cooling. As it turned out these stresses have a strong effect on the polarization states of inclusions and thereby modify their dielectric properties.

Since the equilibrium polarization states of an inclusion strongly depend on its aspect ratio, the results are represented in form of phase diagrams, where two independent coordinates are temperature and aspect ratio. Such diagrams are evaluated for the first time and show discovered effects in a quite simple way. Among latest the nonmonotonic variation of Curie temperature with aspect ratio and plenty of new polarization states and structural transitions which do not exist in free-standing bulk crystal can be named. For instance, if BaTiO₃ bulk crystal undergoes three phase transitions at cooling, BaTiO₃ nanoinclusion may undergo from one to four transitions depending on the aspect ratio and matrix material. In the case of PbTiO₃ inclusion also one new structural transition that does not exist in bulk crystal was predicted. It was found that tensile thermal stresses may raise Curie temperature of an inclusion (ΔT_c = 70 K in BaTiO₃ prolate inclusion).

The essential part of this study is the evaluation of dielectric constants of nanoinclusions and effective dielectric permittivity of nanocomposite. It was found that only some dielectric permittivity components of nanoinclusion are unbounded at Curie temperature, whereas all components are unbounded in the case of bulk crystal or inclusion, which is not stressed by differential thermal strains.

To evaluate the effective permittivity of nanocomposite the Maxwell-Garnett effective medium approach was applied. Dielectrically anisotropic inclusions having form on an ellipsoid of revolution were considered.  Remarkably, the effective permittivity rapidly increases with the shape anisotropy of inclusions increasing (all other things being equal). Due to new structural transitions in some BaTiO₃ inclusions a peak of effective permittivity takes place at room temperature, which makes this material promising candidate for practical applications.

The case of nanocomposite, containing symmetrically oriented inclusions was considered. Such material has anisotropic dielectric properties. The dielectric component along long aspects of inclusions is sufficiently bigger than dielectric component along short ones. It should be noted that the permittivity of this material may be ~17 times bigger than the permittivity of «bare» matrix without inclusions (about 50). Taking into account that the volumetric fraction of inclusions was taken to be 20% (relatively small concentrations) the main mechanism of increasing the effective permittivity is the occurrence of new structural transitions in inclusions at temperatures, where bulk crystal does not undergo any transitions and has relatively small permittivity.

In conclusion, the «temperature-aspect ratio» diagrams for ferroelectric inclusions were evaluated for the first time. Many new structural transitions and polarization states were predicted in BaTiO₃ and PbTiO₃ inclusions, elastically clamped and strained by matrix. The calculation of the effective permittivity demonstrated practical applicability of studied nanocomposites.

С 60-х годов прошлого века приобрел актуальность вопрос качества окружающей среды, а одним из ключевых факторов, определяющих состояние окружающей среды, является состав атмосферы[1]. Так, согласно некоторым оценкам, вклад состояния окружающей среды в формирование показателей здоровья составляет около 25 – 30%, что больше, чем у наследственных факторов и качества системы здравоохранения.

Один из широко используемых способов детектирования состава воздуха включает в себя использование полупроводниковых газочувствительных сенсоров на основе оксидов металлов.

В работах [2-4] показано, что нанокомпозиты полученные золь-гель технологией позволяют создавать чувствительные слои к органическим растворителям. Однако чувствительность таких слоев не позволяет детектировать низкие концентрации. Для повышения чувствительности было предложено сформировать на поверхности нанокомпозитов ZnO-SiO₂ наностержней оксида цинка по технологии, описанной в работах[5-7].

Для измерения газочувствительных свойств, в программе Компас 3D, была смоделирована ячейка, которая, впоследствии, была создана посредством аддитивной технологии из ABS пластика на 3D принтере UP. Созданная ячейка состоит из корпуса, крышки и измерительной головки. Подобная конструкция, а также метод создания, позволяют с легкостью видоизменять и дополнять её элементы. В качестве нагревательного элемента  использовался терморезистор Heraeus M1020 Pt100, имеющий размеры 9,5×1,9 мм и позволяющий работать при температурах до 500°C. Созданная ячейка позволяет измерять электрические свойства образцов в различных газовых атмосферах при различных температурах.

Пленки нанокомпозита оксида цинка и диоксида кремния были получены золь-гель технологией. В качестве прекурсора оксида цинка была выбрана неорганическая соль Zn(NO3)2•6H2O, а для повышения адгезии был использован ТЭОС. Полученный золь выдерживался при комнатной температуре для созревания несколько дней. После созревания раствор наносился на подложку методом центрифугирования (3000 об/мин) в течение 15 с. Далее производился отжиг при температуре 500 ºС в течение 30 минут. В качестве подложек использовались пластины монокристаллического кремния, предварительно химически очищенного от загрязнений.

Созданные слои были использованы для выращивания наностержней оксида цинка гидротермальным методом. В качестве ростового раствора использовались водный раствор ацетата цинка, гексаметилентетрамина (ГМТА) и цетилтриметиламмония бромида (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.

Газочувствительные свойства были исследованы на созданной ячейке с использованием метода спектроскопии импеданса при температуре 200 °C к парам изопропилового спирта и ацетона. Полученные данные показывают, что образец с сформированными наностержнями оксида цинка имеет чувствительность к исследуемым парам в несколько раз выше, нежели образец без наностержней. Также, у данного образца наблюдается изменение частоты, при которой наблюдается максимальный отклик.

Полупроводниковые квантовые точки (КТ) играют важную роль в поисках новых функциональных материалов с улучшенными оптическими и электронными свойствами. Большинство бинарных соединений, которые используются в синтезе КТ для видимого и ближнего ИК диапазонов, содержат токсичные тяжелые металлы, такие как Cd, Pb или Hg, присутствие которых может ограничивать применение технологии КТ в бытовых приборах и особенно в биомедицине. Существенно менее токсичной альтернативой могут стать нанокристаллы тройных и четверных халькогенидных соединений, которые характеризуются широким диапазоном перестройки полос поглощения и испускания, большим стоксовым сдвигом и большими временами жизни возбужденного состояния. Самым существенным недостатком данного типа нанокристаллов является большое значение полуширины полосы испускания (как правило,  > 80 нм). За последнее время был достигнут существенный прогресс в разработке методов получения нанокристаллов данного типа в неполярной органической среде [1,2]. Однако, в связи с перспективой их биомедицинского применения также представляют интерес методики непосредственного получения частиц в водных растворах [3,4].

Коллоидные нанокристаллы соединений CuInS₂, CuInSe_2, AgInS₂, (AgIn)_x(Zn)_2(1-x)S₂ были синтезированы непосредственно в водной среде инжекционным методом. Для достижения баланса реакционной способности двух типов катионов в приготовлении прекурсорного раствора были одновременно использованы два лиганда – L-Глутатион и цитрат натрия. Полученные образцы характеризуются несимметричной полосой фотолюминесценции, перестраиваемой в зависимости от условий проведения синтеза и исходного мольного соотношения катионных прекурсоров. 

Формирование фрактальных микро- и наноструктур является одной из актуальных задач современного материаловедения, что обусловлено их высокоразвитой поверхностью, уникальными адсорбционными и каталитическими свойствами. Это определяет высокие перспективы использования таких структур при разработке новых приборов оптоэлектроники, газовых сенсоров следующего поколения, каталитических носителей, фрактальных p-n-переходов для солнечной энергетики, а также структур биомедицинского назначения. Технологические приемы создания фрактальных микро- и наноструктур в ближайшем будущем образуют новое техническое направление – фрактальную нанолитографию [1].

Ранее были рассмотрены возможности формирования с помощью электрического пробоя фрактальных микро- и наноструктур в проводящих прозрачных оксидных композициях индия-олова и оксида цинка [2]. Были исследованы структуры на основе стеклянных подложек с нанесенными на них оксидными композициями олова-индия (ITO), оксидов цинка (ZnO) и др. Также использовались многослойные органические структуры, в том числе содержащие в своем составе коллоидные квантовые точки халькогенидов металлов.

Исследования процессов пробоя в слоях оксидных композиций индия олова 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. Форма возникающих фрактальные образования в первую очередь определяется свойствами оксидного слоя, в частности, его сопротивлением и кристаллической структурой.

Анализ спектров излучения, возникающих при пробое оксидных слоев, показывает, что при формировании спиральных фрактальных структур возникает линейчатая спектральная характеристика с доминантным пиком на длине волны 583 нм и дополнительными максимумами, зависящими от параметров оксидного слоя. При формировании лучевых структур наибольшую интенсивность демонстрируют пики на длине волны 410 и 450 нм.

Наиболее явно разрушения тонких слоев ITO выявляются при нанесении на поверхность ITO тонкого полимерного слоя (использовался полиметилметакрилата (ПММА) толщиной 100-200 нм), увеличивающего контраст изображения. Кроме того, в этом случае электрический контакт между ITO и нитевидным электродом возникает только после электрического пробоя и разрушения полимерной диэлектрической пленки в области контакта нитевидного электрода. Поскольку полимерная пленка пробивается при напряжении ~100 В, то это напряжение после пробоя оказывается приложенным к ITO, что обеспечивает протекание через ITO значительного тока. Его протекание по слою ITO локализовано в узком (около 10 мкм) треке, разогрев которого приводит к деструкции и удалению полимера из трека и, в конечном итоге, разрушению ITO в области трека.

Таким образом, в работе были созданы фрактальные микро- и наноструктуры и изучены процессы их формирования. Также показано, что на поверхности полимерного слоя, нанесенного на слой ITO, формируется увеличенная «фотография» пробойных процессов, возникающих в контактных слоях. Форма микроструктур в первую очередь определяется параметрами нижнего оксидного слоя в образце. Это позволяет использовать методику полимерной фотографии для диагностики качества контактных слоев без использования оптической аппаратуры высокого разрешения.

Интерес к опаловым структурам связан с перспективой создания на их основе трехмерных фотонных кристаллов для оптической области электромагнитного излучения. Одним из способов получения искусственных опалов  является формирование плотноупакованных сферических глобул диоксида кремния [1, 2].

При определенных условиях в зонной структуре фотонного кристалла образуются щели, аналогично запрещенным электронным зонам в естественных кристаллах. В зависимости от материала элементов, их размера и периода решетки в спектре фотонного кристалла могут образовываться как полностью запрещенные по частоте зоны, для которых распространение излучения невозможно независимо от его поляризации и направления, так и частично запрещенные (стоп–зоны), в которых распространение возможно лишь в выделенных направлениях.

Оптические свойства фотонного кристалла определяются показателями преломления и коэффициентами поглощения составляющих его элементов, а также геометрическими параметрами структуры.

В данной работе проведены исследования оптических свойств пленок искусственного опала, которые были синтезированы на основе монодисперсных сферических частиц SiO₂ (размерами около 250 нм и 450 нм) методом самоорганизации частиц в испаряющейся капле растворителя.

Наносферы диоксида кремния были получены реакцией гидролиза эфира ортокремневой кислоты (тетраэтоксисилан) в этиловом спирте (методом Стобера). Размер сферических частиц SiO₂ определяли с помощью анализатора размеров наночастиц Nanotrac 151 методом динамического рассеяния света (фотонной корреляционной спектроскопии), а также с помощью просвечивающего электронного микроскопа Libra 120 (Carl Zeiss, Германия) [3].

Спектры пропускания пленок фотонного кристалла опала были получены с помощью установки МДР-41. Ширину оптической щели определяли по графику зависимости квадрата коэффициента поглощения от энергии падающего света, экстраполируя линейный участок графика.

Спектры пропускания пленок фотонного кристалла опала имеют два минимума. Минимум в длинноволновой области (λ > 600 нм) формируется благодаря интерференции в сочетании с многократным рассеянием. Коротковолновый минимум (400 нм < λ < 600 нм) обусловлен сильным однократным рассеянием для длин волн, близких к диаметру частиц. Спектральное положение коротковолнового минимума зависит от диаметра частиц, и он не сопровождается комплементарным максимумом в спектре отражения. При наклонном падении света весь спектр пропускания смещается в коротковолновую область.

            Большой интерес для современной физики конденсированного состояния представляют модельные системы, микроскопические  частицы которых  могут выступать в роли атома или молекул. Хорошо известными примерами таких систем являются пылевая плазма [1] и коллоидные суспензии [2]. Размер соответствующих частиц позволяет детектировать их с помощью микроскопа, делая возможным изучение таких процессов как плавление, нуклеация и неравновесные фазовые переходы на кинетическом уровне.

            В отличие от пылевой плазмы, потенциал взаимодействия коллоидных частиц может быть не только чисто отталкивающим, но и иметь область притяжения. В частности, притяжение между коллоидными частицами может быть индуцировано внешним магнитным [3] или электрическим [4] полем. Таким образом, в коллоидных системах могут быть воспроизведены все три фазы. Проблема детектирования частиц уже была успешно решена [5], однако нерешённой остаётся задача выделения фаз, решение которой может вывести подобные эксперименты с кинетическим уровнем разрешения на качественно новый уровень.  

             В представляемой работе предложен метод распознавания фаз, позволяющий выделять газовую и конденсированную фазы в двумерных системах на основе морфологического анализа. В основе метода лежит анализ ячеек Вороного, для которых вводится пространство параметров, таких как плотность, эффективный потенциал взаимодействия и параметр порядка. Анализ этих параметров позволяет выделять газовую и конденсированную фазы.

            Метод распознавания фаз позволяет вычислить плотность каждой фазы и, как следствие, выполнять построение фазовой диаграммы.  Предложенный подход опробован на системах с потенциалом Леннарда-Джонса, где притягивающая ветвь имела как стандартный вид IPL6 потенциала, так и более мягкий вариант в форме IPL3. Показано, что метод позволяет с высокой точностью построить линии бинодали в области жидкость-газ, кристалл-газ, обнаружить тройную точку, а также оценить положение критической точки. Проведено исследование устойчивости метода распознавания фаз к изменению параметров алгоритма и к изменению параметров системы. Продемонстрирована применимость предложенного метода для исследования фазовых диаграмм коллоидных систем с притягивающим потенциалом взаимодействия.

            Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда, проект № 17-19-01691 и Российского Фонда Фундаментальных Исследований, проект 16-38-00952.

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.). Полученные электрохимическим анодным травлением пористые матрицы на основе таких соединений, обладают рядом необходимых свойств, таких как хороший уровень адгезии к оксидам многих металлов (оксид цинка, титана), высокая удельная площадь поверхности, механическая и химическая стабильность [1]. Это делает их материалами повышенного структурного совершенства, которые можно использовать в качестве пористых подложек для датчиков влажности, газовых, химических и биосенсоров. Поэтому исследование свойств данных структур имеют важную роль при создании создание структур для биосенсоров с возможностью биоаналитических измерений Для этих целей были получены матрицы пористого GaP:Te и исследованы методом импеданса.

В ходе данной работы была разработана технологии получения пористых полупроводников A₃B₅ группы [2-3], для применения в качестве рабочей части в биосенсорах Исследуемые структуры были получены методом электрохимического анодного травления в однокамерной ячейке с использованием электролита на основе плавиковой кислоты. Серии образцов формировались как в гальваностатическом режиме (при разных значениях плотности тока) так и в потенциостатическом режиме, путём увеличения напряжения с U_н = 1 В до U_к = 40 В, при времени травления t = 10 мин. В качестве образца были использованы пластины GaP с ориентацией (100), n – типа электропроводности, легированные Te до концентрации порядка 3 10¹⁷ см⁻³.

Для снятия спектров импеданса использовалась комбинированная установка с использованием импедансметра «Z-500 P» (ООО «Элинс») необходимая для исследования свойств поверхности пористых полупроводников при взаимодействии с молекулами различных газов. Установка позволяет проводить регистрацию спектра импеданса в диапазоне частот от 1 Гц до 0,5 МГц. [4].

В импедансометрии существуют детально разработанные подходы к интерпретации фрагментов годографов. В некоторых случаях фрагментам годографов ставятся в соответствие ясные модели эквивалентных схем из элементов типа резисторов и емкостей. Метод эквивалентных электрических схем широко используется для анализа спектров импеданса.

При проведении эксперимента были сняты и проанализированы серии спектров импеданса для образцов por-GaP:Te, полученных при различных условиях травления.

Очевидно, что в пористых материалах, в отличие от “эталонных”, морфологические и физико-химические свойства поверхности отличаются, что отражается на спектральных характеристиках импеданса исследуемых образцов. В частности методом спектроскопии импеданса были исследованы резистивные свойства полученных серий образцов пористого GaP:Te.

Анализируя работы [5,6] были построены эквиваленты схемы для исследуемых структур, а так же определены и описаны качественные зависимости значения импеданса от характера морфологии структуры.

Данные метод исследования очень эффективен поскольку, в дальнейшем основываясь на эквивалентных семах и используя программы для расчёта, отрывается возможность получения уже качественных зависимостей. Например, рассчитав значения ёмкости для определённых значений импеданса и сопоставив эти значения с возможными моделями, можно будет с точностью сказать какие типы структур и на какой частоте вносят вклад в сопротивление.

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда поддержки научно-проектной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых «Национальное интеллектуальное развитие» в рамках научного проекта № 17-33-80010 «Создание металлических покрытий на пористых материалах методами аддитивных технологий» «мол_эв_а».

За последние три десятилетия пористый кремний (por-Si) привлек внимание многих исследователей из-за широкого набора свойств, которыми он обладает. Причиной этого является то, что характеристики пористого кремния могут регулироваться многими технологическими параметрами, такими как время и плотность тока анодирования. В связи с этим, пористый кремний находит применение в таких областях, как биомедицина, электроника, оптоэлектроника, энергетика и т.д. [1]. Использование por-Si в биомедицине обусловлено тем, что материал имеет развитую поверхность, которая позволяет адсорбировать различные лекарства и бактерии, обладающие различными особенностями (угол смачивания, энергия взаимодействия и т.п.). Таким образом, необходимо разработать методику анализа поверхностных характеристик материала, которые способствуют подбору технологических параметров получения слоев пористого кремния. Одним из таких методов является анализ поверхности по краевому углу смачивания [2]-[4].

Метод краевого угла смачивания позволяет исследовать влияние различных факторов травления на энергетические характеристики поверхности в системе твердое тело/жидкость/газ.

В работе количественно исследованы энергетические параметры поверхности (работа адгезии, средняя энергия взаимодействия и средняя энергия парного взаимодействия) образцов пористого кремния n- и p-типа (исходные пластины - КЭФ 4,5 <100> и КДБ 12 <100>). Слои por-Si получены путем изменения параметров анодирования (время и плотность тока) при различных составах электролита (HF:C₃H₈O:H₂O и HF:C₃H₈O:H₂O₂) методом сухого контакта.

Расчет значений краевого угла смачивания произведен в программе «Measurement of contact angle» (погрешность оценки составляет 1-5 градусов) [5]. Обнаружено, что краевой угол смачивания (и энергетические характеристики) изменяется по нелинейному закону в зависимости от времени травления и плотности тока анодирования. Необходимо отметить, что образцы пористого кремния n-типа проводимости, полученные при использовании электролита состава HF:C₃H₈O:H₂O имеют как гидрофильные, так и гидрофобные свойства, в то время, как p-тип характеризуется только гидрофобными свойствами.

Таким образом, метод краевого угла смачивания позволяет оценить энергетику поверхности, что оказывается важным в области биомедицины. Корректный подбор технологических параметров и исходного материала позволяет управлять гидрофильностью/гидрофобностью слоев в широком диапазоне.

Самосборка нано- и микрочастиц является широко распространена в природе и представляет собой естественный путь иерархического упорядочения. Динамика возникновения, геометрия возникающих структур определяются взаимодействием между частицами, которое может быть нерегулируемым (как в случае простой самосборки за счет химических реакций) и регулируемым (когда взаимодействием между частицами возникает как реакция на внешние факторы). Совершенствование технологий управления самосборкой в коллоидых является важной проблемой физики мягкой материи, химии, наук о материалах, биологии и медицины.

Традиционные технологии сборки коллоидных систем, как седиментация в поле сил тяжести [1, 2], термически индуцированная самосборка [3, 4], оптическая манипуляция ансамблем коллоидных частиц [5] и сборка во внешних магнитных полях [6, 7], обладают рядом недостатков: слабая управляемость, большое количество дефектов, малые размеры доменов коллоидных кристалла, ограниченность в выборе материала частиц, нетехнологичность и т.п. В этом свете, перспективным видится способ самосборки коллоидных частиц во внешних управляющих вращающихся электрических полях. Принцип действия электрического поля [8, 9] связан с тем, что частицы и сольвент вокруг них поляризуются внешним полем, возникает эффективное дальнодействующее дипольное взаимодействие. Если поле вращается с высокими частотами, остается только притягивающая ветвь взаимодействия.

В настоящей работе разработана новая экспериментальная установка для изучения коллоидных суспензий во внешних вращающихся электрических полях, теоретически и экспериментально исследованы режимы ее работы, найдены оптимальные условия для проведения перспективных исследований.

В работе были изучены образующиеся фотонные кристаллы [10] с использованием новых методов обработки многочастичных систем в режиме реального времени [11].

Кроме практической полезности для изготовления фотонно-кристаллических пленок для оптических применений [12-14], показана возможность применения предложенной техники для фундаментальных исследований с разрешением на уровне отдельных частиц, аналогично комплексным (пылевым) плазмам и коллоидным суспензиям с отталкивающим взаимодействием [15].

Работа поддержана Российским Научным Фондом (РНФ), Грант № 17-19-01691.

Фосфид галлия представляет интерес в связи с использованием в качестве широкозонного эмиттера в фотоэлектрических преобразователях на основе кристаллического кремния. Это связано с возможностью легирования и большим значением ширины запрещенной зоны по сравнению с a-Si:H.

Плазмохимическое атомно-слоевое осаждение(PEALD) позволяет получать тонкие слои материала высокого качества при температурах осаждения менее 400°С. Это возможно благодаря циклическому осаждению и свойству самоограничения поверхностной реакции[1]. Процесс осаждения фосфида галлия заключается в циклическом последовательном нанесении компонентов бинарного соединения в присутствии плазмы. При этом за один цикл осаждается один монослой получаемого соединения. Таким образом, имеется возможность получения точного значения толщины путем задания определенного количества циклов. В качестве прекурсоров галлия и фосфора используются триметилгаллий(Ga(CH₃)₃) и фосфин(PH₃) соответственно. Немаловажным является то, что шаги осаждения галлия и фосфора должны быть разделены во времени для избегания объемной реакции в камере, так как это приведет к обычному плазмохимическому осаждению. Для этого между шагами осаждения вводится шаг продувки камеры который убирает остатки непрореагировавших компонентов.

Одним из широко применяемых методов контроля плазменных процессов осаждения является спектроскопия оптического излучения(OES), которая позволяет определять состав плазмы прекурсоров осаждаемых веществ по спектру эмиссии газового разряда [2]. При этом интенсивность спектральных линий компонентов газа пропорциональна их концентрации. Используя быстродействующий спектрометр управляемый при помощи ПК имеется возможность проводить in situ измерения в процессе осаждения. Эту методику можно использовать как для отработки технологического процесса, так и для исследования физики процессов осаждения.

При помощи ПЗС-спектрометра была исследована динамика изменения газового состава в процессе плазмохимического атомно-слоевого осаждения фосфида галлия. Было обнаружено, что на шаге разложения PH₃ фосфор осаждается на стенки камеры в красной аллотропной модификации[3]. На последующем шаге осаждения галлия в присутствии водорода красный фосфор гидрируется и переходит в газовую фазу. Это приводит к островковому росту слоя и нивелирует преимущества атомно-слоевого осаждения. Для уменьшения влияния этого эффекта было предложено ввести шаг водородной плазмы, что позволит стравить избыточный фосфор до начала шага осаждения галлия.

Гетероструктуры (ГС) AlGaN/GaN с высокой подвижностью электронов, выращенные на подложках c-Al₂O₃ или 6H-SiC, широко используются в высокочастотных и мощных транзисторах. В процессе их изготовления необходимо решить задачу эпитаксиального роста полуизолирующих буферных слоев GaN, которые независимо от используемой технологии, как правило, имеют проводимость n-типа. К этому приводит наличие в слоях мелких донорных уровней, связанных с атомами кислорода, а также с различными точечными дефектами, типа вакансий N (V_N⁺). Эти проблемы могут быть решены как за счет снижения концентраций мелких примесей n-типа, так и путем введения компенсирующих (акцепторных) примесей, которыми для соединений III-N являются железо, углерод, магний и т.д. [1,2]. Однако, существенным недостатком последнего метода является то, что при необходимых высоких концентрациях компенсирующих примесей наблюдается деградация структурных свойств растущих слоев, в том числе, и в активной области приборов, а также проявляется «эффект памяти». В докладе сообщается об альтернативном новом способе достижения высокого сопротивления слоев GaN толщиной ~1 мкм при их росте на буферных слоях AlN/c-Al₂O₃ с помощью импульсной (металл-модулированной) низкотемпературной плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии (ПА МПЭ).

ГС выращивались с помощью ПА МПЭ на подложках c-Al₂O₃. Буферные слои AlN толщиной 200 нм выращивались с помощью эпитаксии с повышенной подвижностью адатомов [3]. Для дальнейшего роста буферных слоев GaN толщиной 1 мкм использовалась либо стандартная ПА МПЭ в металл-обогащенных условиях (c отношением потоков металла и азота Ga/N=1.7) и температуре подложки T_S=690°C, либо металл-модулированная эпитаксия (ММЭ), в которой после осаждения каждых 15 нм GaN в сильно металл-обогащенных условиях (с Ga/N=2.2 и 3.6 при температурах T_S=690°С и 720°С, соответственно) поток галлия перекрывался и поверхность выдерживалась в потоке плазменно-активированного азота до полного истощения избыточного металла [4]. Рост ГС контролировался с помощью дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ), а для их исследования использовались растровая электронная микроскопия (РЭМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), измерения эффекта Холла и спектров фотолюминесценции (ФЛ), рентгенодифракционный анализ (РДА).  

Линейчатые картины ДОБЭ свидетельствовали о гладкой морфологии поверхности слоев AlN и GaN во время всех стадий их роста с помощью ММЭ. Эти наблюдения подтверждались РЭМ и АСМ изображениями поверхности слоев GaN, на которых также отсутствовали капли металла или следы от них. Результаты холловских измерений показали высокие электрические сопротивления (более 10⁶ Ом·см) для слоев GaN, выращенных в сильно металл-обогащенных условиях ММЭ, в то время как слои, выращенные с помощью непрерывной ПА МПЭ с небольшим пресыщением по Ga, демонстрировали n-тип проводимости с концентрацией электронов ~10¹⁷см^-3. Слои GaN, полученные ММЭ, демонстрировали усиление пиков ФЛ в длинноволновой (красной) области спектра с энергией ~1.8 эВ. Плотность прорастающих дислокаций во всех исследованных слоях GaN, рассчитанная с помощью РДА, составила ~10⁹ см^-2.

Полученные результаты объясняются снижением встраивания кислорода в слои GaN при использовании сильно металл(Ga)-обогащенных условий ПА МПЭ за счет преимущественного образования летучих оксидов Ga₂O, уменьшения концентрации [V_N⁺] путем насыщения активированным азотом слоев GaN, выращенных за один ММЭ цикл, а также введением в слой глубоких акцепторных уровней, связанных с замещающими дефектами Ga_N и их комплексами. Таким образом, применение импульсной ММЭ для роста слоев GaN в сильно металл-обогащенных условиях ПА МПЭ не только исключает негативное влияние избыточного металла на поверхности (Ga) на изолирующие свойства этих слоев, но и обеспечивает существенное возрастание их сопротивления, что необходимо для изготовления высококачественных транзисторных ГС.

Работа выполнена при поддержке РФФИ №16-32-00844 и стипендии Президента Российской Федерации.

В настоящее время портативные электронные приборы и устройства, такие как мобильные телефоны, компьютеры, цифровые камеры, различные датчики, становятся все более мультифункциональными и имеют тенденцию к уменьшению габаритов, веса, возможности сгибаться и скручиваться, чтобы соответствовать запросам современного рынка. Однако развитие технологий, связанных с созданием портативных источников электропитания и хранения энергии, до сих пор находится на достаточно низком уровне, особенно в России. Технологии создания сенсоров газов на гибких носителях активно развиваются во всем мире.

Гибкие портативные сенсоры обнаружения опасных газов (водород, диоксид азота), а также высокого уровня ультрафиолетового излучения перспективны и востребованы. Такого типа устройства можно прикреплять к телу в виде пластырей или вшивать в одежду и специальное снаряжение. Применение таких сенсоров позволит более эффективно отслеживать токсичные и взрывоопасные газы на транспорте, промышленных предприятиях и тепловых электростанциях, труднодоступных местах (шахты, пещеры), уменьшая тем самым риски для работников и населения.

Гибкие сенсоры газов можно встраивать в многофункциональные устройства, а также размещать непосредственно на теле человека для своевременного обнаружения превышения концентрации опасных газов в воздухе. Трудности создания персональных гибких сенсоров и сенсоров, встраиваемых в многофункциональные устройства связаны с созданием на подложках малой площади системы сенсоров чувствительных к нескольким газам и высоким энергопотреблением такой системы.

Нами получены и исследованы газочувствительные пленки на основе полиакрилонитрила методом пиролиза под действием некогерентного ИК-излучения [1]. Разрабатывается технология создания сенсоров на основе полиакрилонитрила на гибких носителях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Южного федерального университета, грант № ВнГр-07/2017-21. Результаты получены с использованием оборудования НОЦ «Микросистемная техника и мультисенсорные мониторинговые системы».

На основе концепции дробных импедансов произведено обобщение  классической модели Варбурга электрохимического импеданса на  случай демпфированной субдиффузии ионов в пористой среде. В качестве исходной модели взята модель аномальной диффузии, основанная на уравнении Фоккера-Планка с производными дробного порядка [1]. Вычислены диаграммы Найквиста, демонстрирующие переход от нормальной диффузии на малых частотах к субдиффузии в высокочастотной области. Переход управляется параметром демпфирования, связанным с усечением степенного закона распределения времен локализации. Продемонстрировано, что предложенная модель модифицированного импеданса Варбурга в пористых электродах  с учетом перколяционной структуры образца и энергетического распределения локализованных состояний полезна для описания частотных характеристик суперконденсаторов.

​Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ Номер: 3.2111.2017/ПЧ.

Полупроводниковые кристаллы соединений А^IIIВ^V являются перспективными материалами для создания источников терагерцового (ТГц) излучения[1]. Одним из способов повышения эффективности генерации в них ТГц волн оказывается увеличение площади кристаллической поверхности в области поглощения инициирующего лазерного излучения[2].

Преобразование исходных монокристаллов А^IIIВ^V в пространственно упорядоченные скелетные структуры с развитой внутренней поверхностью достигается в результате их электрохимического анодного травления в режимах порообразования. При этом, однако, формирование стационарной структуры пористого слоя с высокой плотностью пор и большой удельной поверхностью происходит лишь на глубине превышающей толщину слоя объемного заряда в данном полупроводнике. Плотность входных отверстий пор во внешнем, наиболее эффективно поглощающем свет, слое кристалла оказывается на 1-2 порядка ниже плотности пор в его объеме.

В работе на примере кристаллов GaP c электронной концентрацией

~ 10¹⁷ см^-3, анодируемых в водном растворе HF, показано, что введение при начале порообразования серии из 10-12 коротких (~10 мс) импульсов анодного тока при напряжениях в 7-8 раз превышающих напряжение начала порообразования позволяет практически на порядок увеличить плотность входных отверстий пор. Кроме того показано, что использование лазерной подсветки анодируемой поверхности излучением с энергией кванта 2,33 эВ приводит к кардинальному уменьшению толщины «квазисплошного» приповерхностного слоя и резкому возрастанию степени ветвления пор на толщине соответствующей глубине поглощения света. Таким образом, оказывается возможным организовать высокопористую скелетную структуру, примыкающую непосредственно к поверхности невырожденного полупроводникового кристалла.

Интерпретация полученных результатов проводится на базе предложенной ранее модели самоорганизующихся процессов анодного порообразования в полупроводниках, как о кооперативных реакциях нуклеофильного замещения, развивающихся в поле скачка потенциала в слое Гельмгольца между анионами, хемосорбированными атомами поверхности кристалла, и нижележащим слоем координационнонасыщенных атомов его решетки [3,4].

Работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН №1 "Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий". Темы: "Источники терагерцового излучения на основе нанопористых матриц А³В⁵", "Гиперболические метаматериалы на основе металлических нанопроводов в полупроводниковой матрице: синтез и исследование оптических свойств"

Нитевидными нанокристаллами (ННК), или нановискерами (НВ), называют кристаллы с поперечным размером порядка 10−100 нм и длиной на порядок и более превосходящей поперечный размер. В последнее время нитевидные нанокристаллы  привлекают особое внимание исследователей, что объясняется их уникальными свойствами. Такие уникальные свойства ННК связаны прежде всего с высокими значениями отношения высоты и диметра в нанометровом диапазоне размеров. Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы, обладающие таким высоким соотношением размеров, имеют большие перспективы применения в различных микроэлектронных, оптоэлектронных и аналитических приборах. На основе таких ННК можно создавать полевые транзисторы (Si и Ge), гетеробиполярные транзисторы, фотовольтаические элементы и светоизлучающие устройства (III−V), Si-биосенсоры, сверхбыстрые интегральные схемы, электрооптические наносистемы и другие функциональные наноустройства. 

Для наиболее полного применения ННК как квантовых материалов необходимо уменьшать их поперечный диаметр. Критический диаметр капли катализатора, под которой может формироваться нитевидный нанокристалл, зависит от соотношения постоянных решёток материалов подложки ННК и уменьшается с увеличением этого соотношения. Таким образом, следует ожидать, что дальнейшее рассогласование по постоянной решетки подложки и материала ННК приведет к уменьшению диаметра выращенных ННК. 

В данной работе с целью уменьшения диаметра AlGaAs ННК для роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии были использованы гибридные подложки кремния ориентации (111) с нанометровым буферным слоем карбида кремния. Для данных гибридных подложек рассогласование по постоянной решётки с этими А³В⁵ соединениями значительно больше, чем обычной кремниевой подложки. 

Исследование поверхностной морфологии полученных образцов проводилось методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе Supra25 фирмы Zeiss. Оптические свойства полученных массивов ННК исследовались с помощью метода низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ). 

Исследования структурных показали, что диаметр выращенных ННК оказался меньше, чем у аналогийчный AlGaAs ННК на кремнии. Результаты измерений оптических свойств выращенных массивов ННК указывают образование сложной структуры нитевыидных нанокристаллов - формирование областей ННК разного состава.

В презентации будут представлены результаты комплексных экспериментальных и теоретических исследований двумерных коллоидных систем, в которых взаимодействие между частицами управляется внешним вращающимся электрическим полем.

Самосборка в суспензиях микро- и наночастиц – распространенное явление в природе, которое также широко используется для создания фотонно-кристаллических материалов [1-3]. В то же время, кроме практического интереса, хорошо известно, что коллоидные суспензии можно использовать как модельные системы для исследований молекулярных систем с разрешением отдельных частиц, в т.ч., парные корреляции, термодинамику и фазовые переходы [4-10].

Коллоидные суспензии микрочастиц во вращающихся электрических полях – пример системы с управляемым взаимодействием между частицами. При помещении во внешнее электрическое поле, в коллоидной суспензии происходит поляризация частиц (в силу диэлектрического контраста "частица-сольвент"), а также ионных облаков в сольвенте. Если поле вращается достаточно быстро, возникает изотропная (в плоскости вращения) дальнодействующая ветвь притяжения между частицами. Это электрически-индуцированное взаимодействие обладает важными физическими свойствами: (1) дальнодействие, (2) регулируемость, (3) многочастичность (непарность взаимодействия).

Таким образом, представляемые коллоиды с управляемым взаимодействием представляют собой прекрасную лабораторию для понимания общих явлений в режимах сильного взаимодействия (жидкости и твердых тела). Электрическое поле позволяет изменить баланс между кинетической и потенциальной частями Гамильтониана системы и, таким образом, понять роль притяжения (и многочастичности взаимодействия) в таких фундаментальных явлениях, как самосборка, плавление и кристаллизация, бинодальный распад, динамика дислокаций, фазовых переходах кристалл-кристалл, нуклеации и коалесценции, и т.п. Вместе с тем, эта область только начинает активно развиваться сегодня.

В презентации будет представлен ряд новых и принципиально важных результатов для понимания физики и перспектив исследуемых коллоидных систем [11, 12]:

(i) разработанная экспериментальная технология для исследования коллективных явлений в многочастичных системах с регулируемым взаимодействием;

(ii) результаты поиска оптимальных экспериментальных режимов;

(iii) результаты экспериментальных и теоретических исследования взаимодействия между отдельными частицами;

(iv) новый метод пост-процессинга данных эксперимента и результаты сравнения его работы с молекулярно-динамическими симуляциями и оригинальными экспериментами;

(v) фазовая диаграмма монодисперсной системы, демонстрирующая существование областей жидкого, кристаллического и газообразного состояний.

Результаты настоящей презентации открывают новое направление фундаментальных и прикладных исследований многочастичных систем с управляемым взаимодействием, и потому будут интересны для широкого круга слушателей в области физики мягкой материи, наук о материалах, фотоники, химической физике, микрофлюидики, манипуляций со стабилизированными микропузырьками в водных растворах [13], коллодными частицами, а также биологическими системами.

Исследования поддержаны Грантом РНФ №17-19-01691.

Топологические изоляторы (ТИ) — новый класс диэлектрических трехмерных или двумерных кристаллических систем, которые внутри объёма (поверхности) представляют собой диэлектрик, а на поверхности (по периметру) проводят электрический ток, причём отмечаются высоко- и сверхпроводящие состояния поверхности. На данный момент актуальны фундаментальные исследования ТИ: интересно, например, изучить трансформацию их транспортных свойств под влиянием внешних факторов.

Нашей целью было понять, зависит ли проводимость монокристаллических образцов ТИ Bi₂Te₃ от их размеров. Для ее достижения мы исследовали с помощью АСМ корреляции между величиной локальной проводимости и толщиной и площадью образцов. Был обнаружен эффект переключения образца в высокопроводящее состояние (ВПС): изначально образцы ведут себя как диэлектрики, однако при приложении к ним электрического напряжения наблюдался резкий скачок тока при некотором пороговом значении напряжения и последующее уменьшение их сопротивления на несколько порядков. Измеряя с помощью АСМ локальные вольт-амперные характеристики (ВАХ), анализировались такие параметры, как: наличие переключения из непроводящего в ВПС, пороговое значение напряжения между зондом АСМ и образцом ТИ, при котором происходит переключение; сопротивление образца в ВПС; диаметр области, в которой сохраняется ВПС. Также нас интересовала причина эффекта переключения и общий механизм проводимости ТИ. В данной работе мы приводим предположительные упрощённые объяснения.

Для исследований брался монокристаллический Bi₂Te₃ n-типа проводимости, легированный избыточным теллуром и выращенный методом направленной кристаллизации [1].

Были изучены два типа образов: объемные, толстые микронные образцы, латеральные размеры которых составляли доли миллиметров, и тонкие субмикронные (менее 1 μm толщиной) размерами в несколько микрон. Образцы изготавливались методом последовательного механического расслоения скотчем вдоль межслоевых поверхностей (0001).

Эксперименты проводились при комнатной температуре, нормальном и пониженном до 1 Pa атмосферном давлении. Использовались проводящие зонды HA_C/W₂C (НТМДТ, Россия) с балкой 264 μm, резонансной частотой около 37 kHz и радиусом острия иглы 10 nm, и HA_HR/Pt (НТМДТ, Россия) с балкой 123 μm, резонансной частотой примерно 230 kHz и радиусом острия иглы менее 35 nm. Невозмущающее зондирование рельефа проводились в тэппинг режиме с амплитудой свободных колебаний зонда около 20 nm. Для измерений ВАХ АСМ переводился в контактный режим с силой прижима ~10 nN.

Обнаружены существенные различия проводящих свойств тонких и объёмных образцов: тонкие переключаются преимущественно по всей площади, а объёмные – локально; проводимость тонких образцов в ВПС на порядки превышает проводимость объёмных (сопротивление объёмного образца составляет доли GΩ, а на чешуйке – могло падать до нескольких сотен Ω). ВАХ объёмных образцов в ВПС экспоненциального типа, а на тонких наблюдались также  и линейные зависимости.

Development of A3B5 nanostructures growth techniques such as quantum dots, nanowires, nanotubes etc. is considered nowadays one of the most promising ways on the long way to integration of high quality A3B5 optical materials on Si [1]. Large surface area of these structures promotes effective mechanical stress relaxation and consequently allows formation of high crystal quality structures on mismatched substrates [2]. Gallium nitride is a well-known material for light emitting devices in a blue optical region [3]. Compare to other A3B5 materials GaN nanowires can be grown on Si substrate without use of a metal catalyst which is a great advantage in terms of further device application of GaN/Si heterostructure. Though first GaN nanostructures were synthesized on Si long time ago there are still issues on the way to device implementation of these structures. One of the main issues - formation of an amorphous SiNx layer on the heterointerface affecting the electrical properties of the structure [4].

Our work is dedicated to study of growth and crystal structure of low dimensional GaN nanostructures on Si via plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE). We investigated growth of the GaN nanostructures from array of GaN nanoislands that were synthesized prior to GaN deposition via nitridation of Ga nanodroplets on Si substrate surface. The goal of our approach was to obtain direct GaN/Si heterointerface without SiNx. Effect of the Ga seeding layer on GaN structures growth and morphology is studied by use of different microscopic techniques.

GaN nanostructures were synthesized via PA-MBE in Veeco GEN-III MBE machine. Silicon (111) p-type wafers with a 4° miscut, cleaned with a Shiraki method were used as substrates. After thermal annealing (10 min @ 950° C) an atomically clean Si surface was obtained as confirmed by observation of a 7x7 RHEED reconstruction pattern and smooth surface morphology on AFM images. Total nitrogen BEP was in the range of 2..3x10^‑7 Torr. To maintain nitrogen-rich (N-rich) conditions Ga beam equivalent pressure (BEP) was kept sufficiently small - 1..2x10^-8 Torr.

As a result of the carried out investigation it was found that use of nano-islands seeding layer can result in formation of oriented Y-shaped GaN nanoparticle arrays (tripods). Formation of this type nanostructures on Si was registered for the first time as far as authors know. Y-shaped nanoparticles have planar structure and are formed with three equally sized elongated beams lying at an angle of 120° to each other. According to analysis of SEM images Y-shaped nanoparticles demonstrate several preferential in-plane orientations corresponding to alignment of the nanoparticle branches along the <1-10> and <11-2> directions in Si. Study of the samples with HRTEM unveiled that beams of the tripods have wurtzite structure, normal for bulk GaN, while central part (or core) of the tripods were found to have zinc-blende structure. On the other hand, no zinc-blende was found in the bottom part of vertical nanowires. We suppose, formation of the tripods is only observed when initial seeding nanoisland has zinc-blende structure, while formation of nanowires related to wurtzite nanoisland. Unfortunately, we didn't observe formation of direct GaN/Si heterointerface - a thin amorphous layer was registered along all the substrate surface which most probably indicates volume diffusion of nitrogen into the Si substrate lattice. EDX investigation demonstrates that during the growth process a thin (~1nm) GaN layer forms on the substrate surface atop thicker amorphous layer.

This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (grants 16-32-00560, 15-02-06839), Council for grants of the Russian Federation President (grant MK-3632.2017.2), grants 16.2593.2017/4.6, 16.2593.2017/8.9 of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation and Leading universities of the Russian Federation grant 074­U01.

На сегодняшний день существует несколько способов диагностики состояния суставной поверхности: компьютерная томография, магнитно-резонансная томография; ультразвуковое исследование; рентгенография; биопсия хряща [1]. Наиболее часто для обнаружения суставной патологии применяют рентгенографию сустава, которая в первую очередь визуализирует патологию костной ткани [2]. Компьютерная томография позволяет получить трехмерное изображение и также в основном ориентирована на исследование патологии кости [3]. Общим недостатком вышеперечисленных методов является отсутствие возможности ранней диагностики поверхностных повреждений суставного хряща, лежащих в основе возникновения деструктивно-дистрофических заболеваний суставов, включающей в себя анализ суставной поверхности и содержащейся в полости сустава синовиальной жидкости. Для адекватной диагностики заболеваний суставов анализ возрастных изменений является также важной составляющей для уточнения диагноза и правильного назначения последующего лечения пациента.

Целью работы являлось применение метода спектроскопии комбинационного рассеяния для ранней диагностики  суставной поверхности.

В качестве объектов исследований было использовано 40 образцов, которые подразделяли на 3 группы: 1 группа – образцы суставные поверхности коленного сустава человека, которые были получены во время операции эндопротезирования, выполненной по поводу деформирующего остеоартроза; 2 группа - образцы синовиальной жидкости, которые были полученные у пациентов путем пункции коленного сустава, взятие материала выполняли перед диагностической артроскопией у пациентов при различных клинических признаках заболевания сустава; 3 группа – суставные поверхности межфаланговых суставов пальцев кистей взрослых старше 40 лет и детей до 1 года. Пальцы взрослых людей получали в случае их травматической ампутации, пальцы детей при их удалении во время операции по поводу полидактилии. Границы возраста для взрослых людей были определены в связи с началом развития деструктивно-дистрофических процессов в суставном гиалиновом хряще.

Образцы исследовали с помощью стенда, реализующего метод СКР. Стенд включал в себя высокоразрешающий цифровой спектрометр Shamrock sr-303i со спектральным диапазоном 200-1200 нм, со встроенной охлаждаемой камерой DV420A-OE, волоконно-оптический зонд RPB-785 для спектроскопии КР, совмещённый с лазерным модулем LuxxMaster LML-785.0RB-04 с длиной волной лазерного излучения 785 нм и с шириной линии 0,2 нм [4].

В результате проведенных исследований были получены следующие выводы:

- Получены особенности спектров КР суставной поверхности при разной степени развития деструктивно-дистрофических заболеваний сустава, что может стать в дальнейшем новым диагностическим скрининговым методом для выявления патологии суставов;

- Введены новые оптические коэффициенты, позволяющие  оценивать возрастные изменения и ранние изменения суставной поверхности при различных заболеваниях. Данные коэффициенты могут быть использованы для ранней диагностики состояния суставной поверхности;

Спектроскопия комбинационного рассеяния позволяет проводить быструю неинвазивную диагностику суставной поверхности.

Проблема ЛОР заболеваний является актуальной уже многие годы. По данным медицинских статистических организаций в России хроническим тонзиллитом болеют 15% взрослых и 30% детей. За последние десятилетия количество заболевших, посредством стафилококковой инфекции, возросло на 35%. Хронический тонзиллит является следствием неоднократного заболевания ангиной, недостаточного лечения. Лечение хронического тонзиллита должно происходить в соответствии с клиническим течением заболевания (латентное течение или обострение). Общая терапия предполагает применение антибиотиков, но учитывая, большое их разнообразие, возникает необходимость их адекватного выбора для эффективности лечения стафилококковой инфекции. В настоящее время широко используют определение микрофлоры глотки и её чувствительности к антибиотикам с помощью биохимического анализа. Однако, данный способ является трудоемким и дорогостоящим.

Поэтому, целью исследований являлось - анализ эффективности лечения стафилококковой инфекции в небных миндалинах с помощью комплексного оптического метода, включающего метод спектроскопии комбинационного рассеяния и конфокальной флуоресцентной микроскопии.

В ходе экспериментов исследовано 12 образцов штаммов стафилококка, находящихся в слюне пациентов и в физрастворе. Половина исследуемых образцов подвергалась лечению антибиотиками, такими как амоксиклав, а также в сочетании амоксициллина и клавулановой кислоты, вторая половина была контрольной. Образцы исследований были предоставлены Медицинским университетом «Реавиз».

Спектральные характеристики изучались с помощью экспериментального стенда, включающего в себя высокоразрешающий цифровой спектрометр Andor Shamrock sr-303i с встроенной охлаждаемой камерой DV420A-OE, волоконно-оптический зонд для спектроскопии комбинационного рассеяния RPB785, совмещённый с лазерным модулем LuxxMaster LML-785.0RB-04 (с регулируемой мощностью до 500 мВт, длина волны 785 нм). Выделение КР спектра на фоне автофлуоресценции проводилось методом полиномиальной аппроксимации флуоресцентной составляющей и вычитания её из регистрируемых спектров. Обработку спектров КР проводили в программе Wolfram Mathematica 8. Исследуемый спектр при обработке очищали от шумов сглаживающим медианным фильтром (5 точек). На выбранном интервале 400-2200 см^-1 при помощи итерационного алгоритма определяли аппроксимирующую линию (полином пятой степени) автофлуоресцентной составляющей, а затем вычитали эту составляющую, получая выделенный спектр КР.

В качестве дополнительного метода исследований был использован метод конфокальной флуоресцентной микроскопии, реализованный на базе инвертированного микроскопа Olympus IX71, конфокального сканера Yokogawa CSU-1 c EMCCD камерой iXon Andor. Данная система обеспечивала разрешение до 400 нм на пиксель.

В результате проделанной работы проведен анализ лечения стафилококка в небных миндалинах различными антибиотиками с помощью комплексного оптического метода. Введены оптические критерии, на основе которых установлено, что наилучшая эффективность лечения нёбных миндалин достигается при использовании Амоксиклава дозировкой 500мг/10 мл.

Восстановление костной ткани после переломов является важной медико-социальной проблемой современного мира. Костные имплантаты используются в реконструктивной хирургии для восстановления структурной целостности костей и повышения остеогенного потенциала костной ткани [1]. В травматологии, ортопедии, стоматологии, онкологии и гнойной хирургии поиск подходов к лечению патологии опорных и покровных тканей организма человека предполагает не только средства её устранения, но и сохранение первоначальной формы, структуры и функций, разрушенных травмами и болезнями костей [2]. Аллогенные имплантаты из тканей человека являются оптимальными материалами для реконструкции повреждений опорно-двигательной системы. При их применении, в отличие от ауто- и ксенопластики и использования синтетических препаратов, не нарушается гомеостаз и метаболизм соединительных тканей и функции систем жизнеобеспечения реципиента [3]. Костные имплантаты должны быть неиммуногенными, биорезорбируемыми, обладать определёнными физико-механическими и химико-биологическими свойствами [4]. С увеличением числа выполняемых операций эндопротезирования тазобедренных суставов появилась возможность использовать резецируемые интраоперационно головки бедренных костей для производства новых костных губчатых биоимплантов по технологии «Лиопласт» (ТУ-9398-001-01963143-2004).

Поэтому, целью работы являлось проведение сравнительной оценки компонентного состава поверхностей минерализованных и деминерализованных костных биоимплантов, изготовленных по технологии «Лиопласт» из кадаверной и прижизненно резецированной губчатой кости.

Объектами исследования являлись образцы биоимплантов губчатой кости в форме куба размерами 5*5*5 мм, изготовленные по технологии «Лиопласт»®. Образцы были разделены на четыре группы. Первую группу составили деминерализованные образцы, полученные из кадаверной ткани, вторую группу – минерализованные образцы из того же источника. Третью группу сформировали деминерализованные образцы, изготовленные из головок бедренных костей, полученные из прижизненно резецированной костной ткани при эндопротезировании тазобедренного сустава, четвертую группу – минерализованные образцы из того же источника.

Оптический контроль состава деминерализованных и минерализованных биоматериалов был ранее осуществлен на образцах порошка гидроксиапатита [5]. Установлено, что степень обработки характеризуется изменениями в спектрах КР на волновых числах 959 см^-1 и 1065 см^-1, соответствующих фосфат- и карбонат-ионам. При увеличении времени деминерализации наблюдается снижение концентрации минеральных веществ по отношению к органическому компоненту.

В качестве основного метода исследований биоимплантов был выбран метод спектроскопии комбинационного рассеяния, реализуемый с помощью высокоразрешающего спектрометра Shamrock sr-303i со встроенной охлаждаемой камерой DV420A-OE, обеспечивающей спектральное разрешение 0,15 нм, и лазерного модуля LuxxMaster LML-785.0RD-04. Диапазон сканирования длин волн от 190 нм до 1200 нм; разрешение камеры 1024*255 пикселей, мощность лазера до 500 мВт.

Проведена сравнительная спектральная оценка компонентного состава поверхностей минерализованных и деминерализованных костных биоимплантов, изготовленных по технологии «Лиопласт» из кадаверной ткани и головок бедренных костей, резецированных во время операции эндопротезирования тазобедренного сустава.

При сравнении разных источников получения губчатой кости до и после деминерализации значимых отличий не выявлено, но имеются различия в соотношении интенсивностей пиков КР на волновых числах 1555 см^-1 и 1665 см^-1, соответствующих амиду II и амиду I, а также в интенсивности пиков КР на волновых числах 429 см^-1 (РО₄^3- (ν₂) (P-O симметричное колебательное)), 1065 см^-1 (СO₃^2- (ν₁) замещение B-типа (С-О плоскостное валентное), 850 см^-1 (бензольное кольцо пролина), 1000 см^-1, (ароматическое кольцо фенилаланина).

Введены оптические коэффициенты и проведён двумерный анализ, который показал, что для прижизненно резецированной костной ткани характерны более высокие значения коэффициента I₁₀₆₈/I₉₅₉ и I₁₀₆₈/I₁₆₆₅, чем для кадаверных, а, следовательно, и более высокое содержание карбонат апатита B-типа СO₃^2- (ν₁), который более устойчив к воздействию кислоты при деминерализации.

Введённые оптические коэффициенты позволили подтвердить, что содержание основных компонентов биоимплантов, необходимых для реализации их остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойств оказалось сходным, как в минерализованных и деминерализованных образцах, полученных из головок бедренных костей интраоперационно, так и образцах, изготовленных из кадаверного материала.

Ежегодно от заболеваний сердца умирают около 17 миллионов человек, что составляет примерно 29%  от всех случаев смерти [1]. При развитии врожденных и приобретенных патологических состояний сердца, значительно ухудшающих показатели гемодинамики, более 50 % больных, находящихся на медикаментозном лечении погибают в течение года, при том, что операция по протезированию клапанов сердца способна значительно улучшить выживаемость пациентов [2]. Большое количество осложнений при использовании биоимплантатов клапанов диктует необходимость качественной обработки биоматериалов. Децеллюляризация является одним из методов тканевой инженерии клапанов сердца. На сегодняшний день не существует универсальной методики децеллюлязации клапанов сердца. Также отсутствуют общепризнанные способы контроля её эффективности. В связи с этим поиск оптимальных способов анализа качественного состава клапанов сердца в процессе  децеллюляризации является актуальной задачей.

Цель работы: провести сравнительную оценку нативных клапанов и экстраклеточных матриксов на основе клапанов сердца барана в процессе выполнении их децеллюляризации методом спектроскопии комбинационного рассеяния.

В качестве материала исследования использованы нативные и децеллюляризованные аортальные клапаны половозрелых баранов. Децеллюляризацию клапанов с получением экстраклеточных матриксов проводили согласно протоколу, предоставленным профессором А. Лихтенбергом (Дюссельдорф, Германия) в модификации на базе Института экспериментальной медицины и биотехнологий СамГМУ. Выделяли этап 1 децеллюляризации до ферментативной обработки и этап 2 после неё. Фрагменты нативного и децеллюляризованного биоматериала хранили до исследования в фосфатно-солевом растворе с добавлением антибиотиков при 4°С.

При исследовании поверхностей аортальных клапанов до и в процессе их децеллюляризации с помощью спектроскопии КР было установлено, что уже после первого этапа децеллюляризации происходило уменьшение интенсивностей на волновых числах 812 см^-1, 1062 см^-1 и 1440, см^-1, соответствующих фосфодиэфирной связи РНК; ОSО-3 симметричному растяжению гликозаминогликанов и хондроитин-6-сульфату; протеинам, липидам. После завершения второго этапа децеллюляризации отмечали незначительное уменьшение интенсивностей на волновом числе 1340 см^-1, соответствующему деформации белков и нуклеиновых кислот (ДНК).

Дополнительно было проведено разделение полученных спектров на спектральные линии с помощью деконволюции функций Гаусса-Лоренца в программной среде MagicPlotPro. Среднее значение коэффициента детерминации результирующего спектра, сгенерированного по спектральным контурам, от исходного спектра КР для области 300-2200 см^-1 составило R²=0,98, среднее стандартное отклонение анализа σ = 8,1.

При введении оптических коэффициентов и их двухмерном анализе была   установлена эффективность процесса децеллюляризации аортальных клапанов, которая проявлялась снижением содержания в  поверхности образцов липидов, протеинов, гликозаминогликанов. Однако содержание ДНК даже к завершению второго этапа децеллюляризации в образцах клапанов снижалось незначительно.

С помощью введенных оптических коэффициентов можно контролировать  эффективность процесса децеллюляризации клапанов сердца.

Метод спектроскопии комбинационного рассеяния позволяет проводить качественную и количественную оценку клапанов сердца и биотехнологических продуктов на их основе по показателям содержания гликозаминогликанов, коллагена, липидов и ДНК, что имеет значительные преимущества по сравнению с морфологическими методами исследования.

Лазер - мощный и точный инструмент для эффективного управления поступательными степенями свободы атомов. В настоящее  время лазерное охлаждение стало областью науки на стыке лазерной физики и атомной оптики (см., например, [1-3]), имеющей множество перспектив и применений. В частности, получение и исследование конденсата Бозе-Эйнштейна, квантовая информатика, атомная нанолитография и интерферометрия. Комбинация лазерного охлаждения и современных методов прецизионной спектроскопии позволяет создавать стандарты частоты и времени, точность которых достигает величин порядка 10^-18 [4]. Были разработаны различные методы локализации и охлаждения атомов (магнитооптические и дипольные ловушки, оптические решетки и т.д.), ставшие неотъемлемой частью современной фундаментальной и прикладной науки. Такой прогресс не был бы возможен без теоретического анализа и рассмотрения процессов, возникающих при взаимодействии атомов с электромагнитным полем. Однако теоретическое описание с учетом многоуровневой структуры атома, вырождения уровней, спонтанного распада, эффекта отдачи и влияния поляризации поля представляет собой крайне сложную задачу. Начало её решению было положено в 70-х - 80-х годах исследованием самой простой системы: двухуровневого атома в резонансном световом поле [1,2,5-7]. Аналитическое исследование данной модели с помощью квазиклассического подхода (см., например, [8]), рассматривающего охлаждение в терминах светоиндуцированных сил и их флуктуации (диффузии в пространстве импульсов), позволило наглядно понять многие механизмы охлаждения. Однако квазиклассический подход описывает лишь те случаи, когда однофотонная частота отдачи\  мала по сравнению с естественной шириной линии охлаждающего перехода, и не пригоден для рассмотрения сильно запрещенных переходов, таких как интеркомбинационный переход стронция, используемый в экспериментах для лазерного охлаждения [9].

Ранее нами был разработан быстрый и эффективный метод расчета [10] стационарных распределений по импульсам и координатам двухуровневых атомов в поле стоячей световой волны с полным учетом эффектов отдачи и локализации. 

Исследовалось лазерное охлаждения стронция на часовом перехода при различных значениях интенсивности светового поля в lin||lin конфигурации. Для данного перехода квазиклассической подход неприменим. Импульсное распределение атомов имеет сложную структуру – узкий пик расположен на широкой подложке. Такую ярко выраженную бимодальную структуру с высокой точностью можно аппроксимировать двумя гауссианами, соответствующим двум скоростным группам атомов:  “холодные” атомы, и “горячие” атомы. Бимодальное распределение по импульсам интересно в первую очередь тем, что поместив атомы с таким распределением в оптический потенциал c малой глубиной можно избавиться от горячих атомов, получив атомы более холодные, чем средняя температура распределения. Для этого было проведено исследование температуры распределения от интенсивности светового поля. Основная тенденция состоит в общем разогреве импульсного распределения – повышается как температура холодной фракции, так и температура горячей фракции. При этом температура горячей фракции имеет две особенности поведения нарушающие монотонность роста. Их обе можно объяснить искажениями формы импульсных распределений атомов. в сильных полях распределение искажается так, что наиболее вероятными импульсами для атомов становятся не нулевые, а соответствующие +- импульсу одного фотона, что несколько ухудшает точность аппроксимации, т.к. аппроксимация усредняет вклад выбросов. 

Число атомов в холодном распределении максимально в слабом поле, и не превышает порядка 60%, в сильных полях вклад обоих фракций выравнивается и составляет порядка 50%. 

Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации (Государственное задание No.3.1326.2017), Российским фондом фундаментальных исследований (Гранты No. 15-02-08377, 15-32-20330).

При решении ряда научно-технических задач есть необходимость одновременного измерения спектральных характеристик исследуемого объекта разными спектральными методами и в разных спектральных областях. Такую возможность открывает использование оптоволоконных зондов. Предлагается новое построение фурье-спектрометра (ФС), которое позволит проводить одновременные измерения исследуемого объекта сразу несколькими зондами в различных его точках. С помощью оптической системы создается коллимированный световой поток, направляемый на вход интерферометра. Интерферометр с непрерывно изменяемой оптической разностью хода выступает в роли оптического модулятора излучения, создавая исходную интерферограмму. Далее это излучение направляется на опторазъем, к которому подключается оптоволоконный жгут, состоящий из входов нескольких отдельных зондов. Все входы одновременно освещаются промодулированным излучением из интерферометра. Каждый зонд через свое оптоволокно следит за своим объектом через свой приемник ИК излучения. В результате ФС становится многоканальным прибором — осуществляется одновременная регистрация интерферограмм с каждого приемника.

Светосила ФС, работающего с оптоволоконными зондами, ограничена светосилой оптоволокна, которая значительно меньше светосилы обычного ФС. Так при спектральном разрешении 1 см-1, реализуемом в нашем макете ФС с коротковолновой границей спектрального диапазона 5000 см-1, будем иметь разрешающую силу 5000. При спектральном разрешении 4 см-1 достаточно иметь интерферометр с диаметром светоделителя 6 мм. Таким образом, необходимый для оптоволоконных измерений интерферометр может быть мал – с диаметром светоделителя (и размерами других оптоэлементов спектрометра) не превышающим 10–20 мм. Т.е. можно создать портативный многоканальный ФС. При работе с несколькими зондами требуется увеличивать не размер светоделителя, а лишь световой размер источника излучения, чтобы осветить всю входную площадь оптоволоконного жгута на выходе интерферометра.

Для исследования работы предлагаемой схемы спектрометра в многоканальном режиме проведены предварительные измерения с несколькими зондами на макете ФС видимого и ближнего ИК диапазона [1]. Вход ФС освещался излучением газоразрядной неоновой лампы. Излучение из интерферометра фокусировалось на входе укороченного варианта волоконного зонда – жгута, состоящего из 3-х оптоволокон с диаметром порядка 0.6-1.0 мм (волокно типа ОКК800/880/1200Т с числовой апертурой NA = 0.22). Затем последовательно оптические волокна подключались к фотоприемнику и регистрировался спектр излучения, имитируя вариант работы в многоканальном режиме.

Во всех каналах был получен один и тот же спектр, отличающийся по интенсивности и привязке по волновым числам. Первое объясняется тем, что входы оптоволоконных кабелей не одинаково освещены, а также отличием их оптических характеристик. Относительный сдвиг по волновым числам связан с тем, что оптические оси световых пучков, попадающих из интерферометра на входы оптоволоконных зондов не параллельны друг другу. Соответственно эти оси и по отношению к оптической оси лазерного излучения в референтном канале оказываются под разными случайными и очень малыми углами, что приводит при обработке интерферограмм к относительному сдвигу по частоте.

Действительно, если ось светового луча наклонена под углом α к оптической оси интерферометра, то при перемещении подвижного зеркала на расстоянии d, оптическая разность хода (δ) для вышеуказанного луча будет меняться по закону δ = 2dcos α, что и объясняет вышеуказанные сдвиги по частоте в получаемых спектрах [2]. Таким образом, при работе в многозондовом варианте, каждый оптоволоконный канал нужно предварительно калибровать по интенсивности и по частоте (волновым числам).

Дальнейшие исследования будут направлены на создание многозондового ФС и на его основе интегрированной, многофункциональной и высоко оптимизированной системы, решающей задачи спектральной аналитики технологических процессов.

Одной из актуальных задач фундаментальной физики является исследование структуры силовых линий магнитных полей. Наибольшие сложности возникают при исследовании структуры силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитных систем различных конструкций. При исследовании различных сред с использованием магнитных систем (спектрометры, томографы, релаксометры и т.д.) желательно знать диаграмму силовых линий данной магнитной системы в трёх плоскостях. Использование датчиков Холла в большинстве случаев позволяет получить информацию о значении индукции B в точке его размещения. Для определения степени неоднородности магнитного поля только в одной плоскости датчик Холла надо перемещать или размещать два, три и более датчиков на одной прямой между полюсами. Это позволяет оценить изменение неоднородности магнитного поля от центра магнитной системы к краям, но построить диаграмму силовых линий магнитного поля невозможно (линии располагаются значительно уже чем расстояние между датчика). При перемещении датчика Холла погрешность определения данных координат между полюсами достаточно высокая.  При применении датчиков на основе явления ядерного магнитного резонанса по ширине линии можно определить неоднородность ΔВ в объеме, от которого регистрируется сигнал ЯМР. Но при его перемещении возникают такие же проблемы, как и с датчиком Холла [1].

Одним из возможных решений данной задачи может быть разработанный нами метод исследования силовых линий магнитного поля с использованием феррофлюидной ячейки. Для его практической реализации нами были разработаны две оптический системы, позволяющие анализировать структуру силовых линий исследуемой магнитной систему в трех плоскостях, и настраивать её на минимальное значение неоднородности магнитного поля в реальном времени. Данные схемы состоят из лазеров с длинной волны λ = 613 и 515 нм, линз, феррофлюидных ячеек (с двумя и одной прозрачной гранью), регистрирующей камеры и компьютера [2].

В результате экспериментальных исследований нами было установлено, что наночастицы в магнитной жидкости размещаются на силовых линиях магнитного поля. Образуя, прозрачные и непрозрачные зоны в форрефлюидной ячейки для лазерного излучения с определенным периодом, который зависит от неоднородности магнитного поля (плотности размещения и конфигурации силовых линий). Если на расстоянии L от центра феррофлюидной ячейки разместить экран (камеру), то на нем будет формироваться дифракционное изображение в прошедшем через ячейку лазерном излучении. Положение каждого максимума на экране относительно его центра будет определятся порядком дифракции и зависит от периода образовавшейся дифракционной решетки. Такая же зависимость для максимумов будет наблюдаться в отраженном излучении от дифракционной решетки.

Для двух вариантов оптических систем (в одном случае используется прошедшее через феррофлюидную ячейку лазерное излучение, в двух других – отраженное) для исследования магнитных систем нами были получены соотношения, которые позволяют оценить степень неоднородности магнитной система и вычислить период образовавшейся дифракционной решетки, который соответствует расстоянию между силовыми линиями исследуемого магнитного поля

Реализовав измерения значений периода решетки в трех плоскостях магнитной системы с использованием двух типов феррофлюидных ячеек можно построить объемную картину силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитной системы. Подобное изображение конфигурации силовых линий невозможно получить даже при проведении приближенных расчетов полей магнитных систем. В результате исследований нами также было установлено, что в подобных феррофлюидных ячеек для изготовления их прозрачных граней желательно использовать кварцевое стекло. Результаты экспериментальных исследовании полностью подтвердили теорию о увеличении расстояния между силовыми линиями магнитного поля по мере удаления от центра магнитной системы к краям полюсов магнитов.

В сверхзвуковом пучке, который создаётся сопловым источником при расширении газовой смеси в вакуум, происходит существенное понижение температуры газа вплоть до нескольких градусов К⁰ и образование кластеров из атомов (молекул) несущего газа. Традиционно анализ состава сверхзвукового пучка осуществляется методом масс-спектрометрии с ионизацией электронным ударом. Известно, что при ионизации кластеров благородных газов электронным ударом наблюдается их значительная фрагментация.

Цель данной работы исследование масс-спектров сверхзвукового пучка кластеров ксенона, получаемых при различных энергиях ионизирующих электронов и сравнение их с масс-спектрами получаемыми при многофотонной ионизации кластеров в припороговой области ионизации.

Импульсный кластерный пучок создавался при адиабатическом расширении газовой смеси через сопло диаметром 200 микрон при комнатной температуре. Длительность газового импульса составляла около 200 мкс, период повторения 10 Гц. Давление смеси перед соплом (92% He и 8% Xe) варьировалось от 1 до 9 бар. Скиммер диаметром 1,5 мм был расположен на расстоянии 20 мм от сопла. Электронный пучок пересекал ось кластерного пучка на расстоянии 200 мм от скиммера. Длительность электронного импульса составляла 5 мкс. Энергия электронов варьировалась в диапазоне 15-70 эВ.

Для оптической ионизации использовалась третья гармоника титан-сапфирового фемтосекундного лазера с длиной волны 263 нм (hν=4.71 эВ) с частотой повторения 10 Гц. Энергия лазерного импульса составляла 50 мкДж, длительность 85 фс. Импульс лазерного излучения фокусировался линзой с фокусным расстоянием 160 мм в область кластерного пучка на расстоянии 200 мм от скиммера.

Состав ионов измерялся с помощью времяпролётного масс-спектрометра с ионным зеркалом. В работе были получены масс-спектры сверхзвукового пучка при различных давлениях газовой смеси перед соплом. При давлении 2 бар спектр содержит главным образом ионы кластеров ксенона Xe_n⁺ размером n=1-20. При увеличении давления появляются более тяжелые кластеры, при давлении 9 бар наблюдаются ионы кластеров ксенона с  n=2-1000.

Потенциалы ионизации кластеров ксенона находятся ниже потенциала ионизации атома ксенона (12.13 эВ [1]) и составляют 10-11 эВ [2] в зависимости от размера кластера. Исследование масс-спектров при различных энергиях электронов проводилось при максимальном давлении газовой смеси перед соплом 9 бар. Были записаны масс-спектры при различных энергиях электронов от припороговой энергии e=15 до 70 эВ. При всех энергиях электронов в масс-спектре наблюдаются ионы кластеров ксенона Xe_n⁺ размером n=2-1000. Форма масс-спектра при e=20 эВ незначительно отличается от формы масс-спектра при e=15 эВ. При увеличении энергии электронов в масс-спектре увеличивается относительное количество ионов Xe_n⁺ с n=2-300. Наиболее сильные изменения  наблюдаются в области  n=10-60, где количество ионов возрастает на два порядка при e=40-70 эВ. Таким образом, при  ионизации сверхзвукового пучка электронами с энергией 40-70 эВ наблюдается значительная фрагментация кластеров ксенона с образованием небольших n=2-60 и средних n=100—200 кластеров.

Для ионизации кластеров ксенона излучением 263 нм необходимо три кванта, суммарная энергия которых составляет e=14.1 эВ, что соответствует припороговой области ионизации. Форма масс-спектра при оптической ионизации оказалась близка к форме масс-спектра при электронной ионизации с e=15 эВ.

Цель настоящей работы заключается в исследовании зародышей, образующихся на начальном этапе индукционного периода в виде островков на поверхности промышленного кварцевого стекла марки КВ, и особенностей механизма формирования структурно-химических свойств островковых зародышей.

В данной работе исследовалось промышленное стекло марки КВ. Образец был приготовлен в виде пластин с размерами 40×40×5 мм и отполирован с помощью полирита СеО₂. После полировки образцы промывался в деионизованной воде. Нагрев стекла осуществлялся в электрической печи в атмосфере воздуха, стабильность нагрева поддерживалась на уровне ±2^оС.

Спектры КРС были получены в диапазоне 45-4400 см^-1 с разрешением 3 см^-1 с помощью дисперсионного спектрометра SENTERRA фирмы Bruker, сопряженного с конфокальным оптическим микроскопом Olympus BX-51. Возбуждение спектра КРС осуществлялось на длине волны 532 нм с помощью неодимового лазера (вторая гармоника Nd: YAG лазера). Применение конфокального режима спектрометра позволило простанственно разделить сигнал с разных глубин, путем движения   объектива по координате Z(вертикали) с изменением зоны возбуждения в образце относительно поверхности(Z=0). В фокальной плоскости пучок в диаметре имел размеры ≈1,5 мкм, а фокальная глубина пучка составляла ≈ 2,5 мкм, что позволяло с хорошим пространственным разрешением получать КР спектры на разной глубине Z от поверхности.

Морфология новообразований при кристаллизации на поверхности, как следует из визуальных наблюдений, носит разнообразный характер, который зависит от типа кварцевого стекла и вида примесей в нем, а также от особенностей обработки поверхности. В данном образце, по сравнению с стеклами марки КИ и КУ-1, подвергнутых такой же тепловой обработке, наблюдалось наибольшее разнообазие кристаллических структур. Данное обстоятельство вероятно связано со значительными примесями металлов, а также повышенным содержанием «связанной» воды в стекле КВ[4]. Вместе с тем, для всех трех типов кварцевых стекол (марки КИ, КВ, КУ-1), подвергнутых нагреву в интервале 1000-1300^оС, выявляются  характерные островковые зоны в виде фигур, обычно имеющих круговую симметрию.

Известно (см, например, работу /1/), что когерентное распространение УКИ через резонансно поглощающую среду приводит к разбиению импульса и формированию последовательности импульсов, первый из которых представляет собой входящий импульс, а следующие импульсы из цуга являются откликами резонансной среды.

Известно также (см., например, работу /2/), что подобный режим распространения приводит к эффекту «конденсации спектра», при котором широкополосное входное излучение фемтосекундного лазера на выходе из оптически плотной среды концентрируется вблизи резонансных линий поглощения.

Представляется интересным выяснить, как зависит эффект конденсации от величины фазовой модуляции (чирпа) входного импульса фемтосекундного лазера.

В работе использовался фемтосекундный лазер «Пульсар-10» с параметрами: длительность импульса – 50 фсек, энергия в импульсе – до 10 мДж, несущая длина волны – 790 нм, полуширина импульса – около 20 нм. Для создания фазовой модуляции использовался компрессор, состоящий из двух дифракционных решеток, расстояние между которыми могло меняться. В качестве резонансной среды использовались пары рубидия, содержащиеся в кювете, заполненной буферным газом – аргоном. Для получения нужной упругости паров рубидия кювета нагревалась до температуры 200-300 градусов Цельсия.

Полученные результаты показывают, что время отклика резонансной среды на входной импульс весьма чувствительно к знаку фазовой модуляции (чирпа). Это приводит как к конструктивной интерференции входного сигнала и сигнала отклика среды, так, при изменении знака чирпа – и к деструктивной интерференции. При этом наблюдается «антиконденсация спектра» - провалы в спектре вблизи линии поглощения, обусловленные деструктивной интерференцией имульсов цуга.

Вихревыми называют лазерные пучки с вихревой фазовой особенностью [1-6]. Среди них известны моды Лагерра-Гаусса и Бесселя [7-9], также угловые гармоники содержат гипергеометрические пучки [10] и функции Цернике [11]. Моды Эрмита-Гаусса (ЭГ), пучки Эйри не являются вихревыми, но их суперпозиции можно преобразовать в вихревые пучки [12, 13].

В последнее время часто рассматривают пучки Эйри с внедрённой в них вихревой фазой [14-16], а в [17] рассмотрены вихревые пучки ЭГ от комплексного аргумента. При этом моды ЭГ с внедрённой в них вихревой фазой не рассматривались.

В докладе исследуются именно такие пучки и их преобразование линзовой системой. Особое внимание уделяется картине в фокальной плоскости и наличию вихревых особенностей в зависимости от индексов моды ЭГ и номера вихря.

Рассмотрим пучки Эрмита-Гаусса с внедрённой в них вихревой фазой:

E_nms(x,y)=exp(-(x²+y²)/2s²)H_n(x/s)H_m(y/s)(x+iy)^s                                                                   (1)

Отдельный член имеет вид С*A(r)x^py^q(x+iy)^s.

Вихревые пучки при распространении в однородной среде и прохождении через линзу сохраняют вихревую особенность и нуль на оси [1-6]. Но в анизотропных средах [18, 19] или при астигматических преобразованиях [12, 13, 20] они теряют осевую симметрию, и на оси может появиться ненулевое значение. Так как пучок (1) не обладает осевой симметрией, то он может претерпевать изменения, аналогичные анизотропному или астигматическому преобразованию.

Выясним, будет ли в плоскости фокуса на оси нуль. Это определяется значением интеграла от (cost)^p(sint)^qexp(ist). Числа p, q, s – целые неотрицательные. Используя формулу Эйлера и различные тригонометрические формулы, получим условия того, что на оси будет нуль амплитуды:

q=0: (s>p) или (p+s – нечётное) (2)

p=0: (s>q) или (q+s – нечётное) (3)

p>0 и q>0: (s>p+q) или (p+q+s – нечётное) (4)

s=0: p или q – нечётное (5)

Условия (2) и (3) получаются из (4) как частные случаи. Но (2), (3) и (5) не только достаточные, но и необходимые. В то же время условие (4) только достаточное. Для анализа можно взять одно слагаемое многочлена наибольшей степени, хотя это даёт только достаточные условия нуля амплитуды.

Численное моделирование распределения в фокальной плоскости для пучков, заданных (1) привело к следующему.

При s=0 распределения подобны исходным функциям и имеют бинарную фазу. Здесь действует формула (5).  При s=1 вместо сингулярных линий формируются вихри первого порядка. Узнать будет ли в центре нуль интенсивности можно по формуле (4).  Результаты при s=2 показывают различие между достаточным условием и необходимым для n=2, m=2, s=2. Различие проявляется дважды: слагаемое с наибольшей степенью даёт нуль, хотя n+m+s=6 – чётное. Кроме того, здесь не все слагаемые многочлена дают нуль, но сумма равна нулю.

Таким образом, теоретические рассуждения полностью согласуются с результатами расчёта. Нулевое значение на оси для таких пучков может не сохраняться при прохождении через сферическую линзу.

Также проведено моделирование распространения пучка (1) через параксиальную линзовую систему. Прохождение поля описывается дробным преобразованием Фурье [21, 22]. Рассмотрение картины прохождения поля приводит к следующему выводу. При отсутствии вихревой фазы структура пучка сохраняется на всём протяжении его распространения, происходит только масштабное преобразование. Иначе структура изменяется, и распределение в фокальной плоскости качественно отличается от бывшего во входной плоскости. То есть, пучок обладает модовыми свойствами только без внедрения вихревой фазы.

Задача создания быстрых и надёжных методов контроля состояния конденсированных сред в экспресс‑режиме, позволяющих на месте проведения измерения получать необходимую информацию, чрезвычайно актуальна. Работы по их созданию ведутся в различных направлениях прикладной физики.

Ранее нами было предложено одно из решений этой задачи на основе явления ядерного магнитного резонанса [1, 2]. В разработанном нами методе для проведения исследований сред в экспресс‑режиме предлагалось измерять на месте взятия пробы константы релаксации Т₁ и Т₂ и, сравнив их с базовыми, соответствующими стандартному состоянию исследуемой среды, мгновенно определять степень отклонения среды от стандартного состояния.

Однако, опыт эксплуатации разработанного нами малогабаритного ЯМР‑релаксометра [1, 2] показал, что при проведении различных исследований, (например, при экологическом мониторинге и т.д.) информации о значениях Т₁ и Т₂ может быть недостаточно для принятия решения на месте экспресс-контроля по дальнейшему использованию исследуемой среды. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в водных средах, в зависимости от различных природных условий, могут содержатся неопасные в небольших количествах для живых организмов химические элементы (например, фтор, калий и т.д.). Их наличие в данной среде по регистрируемому сигналу ЯМР определить невозможно. Эти химические элементы вызывают значительные изменения в Т₁ и Т₂. После сравнения измеренных значений Т₁ и Т₂ со значениями констант релаксации, соответствующими стандартному состоянию, последует вывод, что исследуемая среда представляет потенциальную опасность. Далее возможны неправильные действия и решения по её использованию, а также дополнительный расход средств на проведение исследований проб данной среды в стационарных лабораториях.

Одним из возможных решений рассмотренной проблемы является идентификация ядер данных элементов в пробе исследуемой среды при регистрации сигналов ЯМР, поскольку эти ядра обладают магнитным моментом.

Частота ядерного магнитного резонанса f_nmr связана с индукцией магнитного поля В₀ следующим соотношением:

,

где γ — гиромагнитное отношение.

В малогабаритной магнитной системе, состоящих из постоянных магнитов [2] достаточно сложно реализовать изменение В₀ в широких пределах. Поэтому нами была разработана новая схема автодинного детектора для регистрации сигнала ЯМР с различными системами автоподстройки, которые позволяют при изменениях частоты f_nmr (частоты приемного контура автодинного детектора) более чем в 30 раз обеспечивать его добротность не хуже 20. Кроме того, для увеличения отношения сигнал/шум (S/N) регистрируемого сигнала ЯМР в малогабаритной магнитной системе была увеличена индукция магнитного поля В₀ до 0.132 Тл и уменьшена неоднородность до 10^-4 см^-1. Данные значения были достигнуты с помощью использования разработанных нами вставок (шиммов) из мягкого магнитного материала (АРМКО‑железо) размещенных на полюсах постоянных магнитов. Кроме того, была разработана новая схема управления и обработки регистрируемого сигнала ЯМР, обеспечивающая подстройку параметров поля модуляции В₀ и поля генерации Н₁ автодинного детектора на максимум S/N. Это позволило, изменяя частоты f_nmr, впервые в слабых магнитных полях регистрировать спектр сигнала поглощения по ядрам с магнитными моментами, содержащимися в исследуемой среде. Полученные спектры ЯМР аналогичны спектрам, которые получаются при исследовании сред в стационарных ЯМР спектрометрах высокого разрешения.

Проведенные экспериментальные исследования различных сред показали, что с помощью существенно модернизированной конструкции ЯМР‑спектрометра можно в экспресс‑режиме определять в водной среде ядра фтора, калия и т.д. Единственное, что не позволяет наблюдать наш ЯМР‑спектрометр из-за работы в слабом поле — это химический сдвиг, по которому в технике ЯМР определяется структура исследуемой среды, но это не является задачей экспресс-контроля.

Одним из основных фундаментальных явлений в области нелинейной лазерной спектроскопии газов является резонанс насыщенного поглощения (РНП). Чаще всего РНП используется на практике в конфигурации из двух встречных световых волн одинаковой частоты, взаимодействующих с общим переходом в атоме (молекуле). При этом, в спектре поглощения одной из волн (пробной) РНП наблюдается в центре широкого доплеровского контура в виде узкого провала, который может использоваться в качестве частотного репера для стабилизации оптических стандартов частоты.

В настоящее время одними из наиболее известных оптических (в том числе транспортируемых) стандартов частоты являются He – Ne- и Nd: YAG-лазеры, стабилизируемые по РНП на колебательно-вращательных переходах молекул метана и йода [1, 2].

Важной проблемой для стандартов частоты является повышение их стабильности. В оптических стандартах частоты широко используется модуляция частоты лазера по гармоническому закону вблизи резонансной частоты перехода ω₀. При этом необходимо исследовать наклон сигнала ошибки вблизи ω₀, так как данный наклон является одним из параметров, определяющих стабильность стандартов частоты [3]. Данное исследование для стандартов частоты, стабилизированных по РНП, в приближении слабого поля проведено в работах [4, 5].

В данной работе на основе разработанного нами теоретического метода [6], позволяющего находить точное периодическое решение для матрицы плотности, минуя Фурье-анализ, был рассчитан и максимизирован модуль наклона сигнала ошибки для произвольных параметров лазерного поля и гармонической модуляции частоты лазера для двухуровневого газа молекул в приближении оптически тонкой среды. Также показано, что оптимальный режим стабилизации соответствует динамическому режиму взаимодействия поля с атомами, который существенно отличается от стандартного описания резонансов РНП в рамках квазистационарного подхода (при малых частотах модуляции).

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 16-32-00127 мол_а, № 16-32-60050 мол_а_дк), Министерства образования и науки РФ (грант 3.1326.2017/4.6).

В дисперсной среде существует специфический механизм оптической нелинейности, основанный на перераспределении концентрации частиц дисперсной  среды в градиентном световом поле [1]. Для малых интенсивностях излучения потенциальная энергия частиц в световом поле меньше тепловой и изменение концентрации частиц пропорционально интенсивности и мало по сравнению с начальной. При этом описание нелинейно-оптических эффектов можно проводить в рамках обычного кубичного нелинейного отклика среды. Для более высоких интенсивностей необходимо решать уравнения массопереноса в световом поле [2].

В данной работе проведен теоретический анализ светоиндуцированного массопереноса в дисперсной жидкофазной среде для больших интенсивностей излучения в поле гауссова пучка, когда изменение концентрации больше или сравнимо с начальной.

Рассмотрена жидкофазная среда с наночастицами (дисперсная фаза), находящаяся под воздействием лазерного излучения с гауссовым профилем интенсивности [3]. Решалось балансное уравнение, описывающее динамику концентрации наночастиц в жидкофазной среде с учётом диффузионного и электрострикционного потоков. Полученное решение демонстрирует, что нелинейная линза в этом режиме экспоненциально растет с увеличением интенсивности излучения. 

Таким образом, в работе получено выражение для стационарного светолинзового отклика прозрачной дисперсной среды (наносуспензии). Показано, что самовоздействие излучения происходит в существенно нелинейном режиме.

Полученные результаты актуальны для нелинейной оптики дисперсных жидкофазных сред [5], а также для оптической диагностики таких сред (например, для термооптической спектроскопии [6]).

Экспериментальные и теоретические исследования движения потоков жидкостей являются одной из актуальных задач физики [1-3]. Необходимо постоянное совершенствование конструкций различных измерителей физических величин потока [2, 4], а также разработка новых методов измерения физических величин в текущей жидкости [1, 5-7]. Особое место среди них занимают методы и разработанные на их основе измерители, которые не вносят существенных изменений в гидравлическое сопротивление текущего потока и не искажают его структуру [2-4, 7]. К таким измерителям относятся ультразвуковые, ядерно – магнитные и оптические. В зависимости от решаемых задач применяются различные модели данных приборов.

Одной из наиболее сложных задач оказался контроль состояния пищевых текущих сред (например, соки, молоко, коньяк). В этом случае проведенные измерения не должны также изменять вкусовых качеств исследуемых сред. С такой задачей могут справится только оптические и ядерно – магнитные устройства, последние обладают значительной стоимостью и размерами по сравнению с оптическими [2-5].

В работе представлена разработанная нами конструкция рефрактометра, которая является одним из наиболее рациональных решений контроля состояния потока жидкой среды. Принцип работы рефрактометра реализован на основе явления полного внутреннего отражения света в оптической призме, одна из граней которой находится в контакте с исследуемой текущей средой.

Для собранного нами рефрактометра, на основе проведенных экспериментальных исследований была разработана и изготовлена новая конструкция сапфировой призмы (в форме трапеции, ранее в рефрактометрах использовались «треугольные» призмы). Её использование позволило расположить источник лазерного излучения перпендикулярно основанию призмы так, чтобы лучи попадали на границу раздела призмы и текущей среды под различными углами. Часть лучей, угол падения которых больше критического, полностью отражается от внутренней поверхности призмы и, выходя из нее, формирует светлую часть изображения на фотоприемнике. Часть лучей, угол падения которых меньше критического, частично преломляется и проходит в раствор, частично отражается и формирует темную часть изображения на фотоприемнике. Такое расположение лазера позволило увеличить контраст границы свет-тень по сравнению с ранее изготовленными моделями рефрактометров.

Положение границы раздела свет-тень зависит от соотношения коэффициентов преломления материала призмы и исследуемого раствора, а также длины волны излучения источника света. При изменении состава текущей среды, изменяется её показатель преломления и граница свет – тень, регистрируемая фотоприемником, смещается.

Так как в основе работы оптической схемы рефрактометра лежит использование отражения и прохождения света только внутри рабочей призмы, то факторы, такие как прозрачность текущей среды, или наличие в ней рассеивающих свет нерастворимых элементов, газовых пузырьков, а также скорость текущего потока не влияют на результаты определения положения границы свет- тень. Граница свет – тень смещается только при изменении n. Это позволяет безошибочно определять изменение состава текущей среды.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что единственным фактором, который может внести ошибки в измерения, является температура. Для учета влияния изменения температуры исследуемой текущей среды в потоке перед призмой необходимо установить датчик температуры. На основе показаний датчика Т учитывается поправка в смещении границы свет-тень с помощью градуировочных таблиц. Несоответствие величины смещения границы с данными таблицы означает наличие дополнительных изменений в состоянии среды, которые вызваны не температурой.

Было установлено, что для повышения точности контроля состояния среды для каждого сорта жидких сред необходимо подбирать соответствующую λ лазерного излучения, при которой контраст границы свет-тень будет максимальный, что в некоторых случаях может ограничить возможности применения рефрактометра.

Светоиндуцированная линза часто используется для исследования нелинейно-оптических свойств сред, а также в различных методах оптической диагностики материалов [1]. Наиболее детально разработан метод тепловой линзы, достаточно давно применяемый в термооптической спектрометрии [2]. Образованная лазерным пучком в среде линза увеличивает расходимость формирующего ее пучка (или пробного – в двухлучевой схеме), что регистрируется фотоприемником. Обычно в стандартной схеме тепловая задача рассчитывается при учете только радиального теплового потока, что применимо для толстой кюветы, когда поперечный размер луча много меньше длины (толщины) кюветы. Однако в ряде случаев возникает необходимость исследования тонкопленочных образцов. Такие задачи могут быть обусловлены, например, интегрально-оптическим исполнением экспериментальной схемы (с целью миниатюризации измерительной ячейки).

В данной работе теоретически исследовано тепловое самовоздействие (термолинзовый отклик) гауссова пучка излучения в тонкослойной кювете.

Рассмотрена однолучевая схема измерения термолинзового сигнала. Для нахождения параметров тепловой линзы решалась тепловая задача нагрева среды лазерным пучком. В случае малых толщин слоя среды  и окна кюветы можно пренебречь радиальным (вдоль слоя жидкости) тепловым потоком, что позволяет получить точное решение одномерной (вдоль оси пучка) тепловой задачи. Аналогично рассматривается тепловая задача для температуры в окнах кюветы. Поскольку установление температурного поля происходит на несколько порядков быстрее, чем концентрационное распределение, то решение диффузионного уравнения можно проводить для стационарной температуры.

В результате получено выражение для термолинзового отклика тонкослойной кюветы с двухкомпонентной жидкостью с учетом концентрационного (термодиффузионного) вклада. Данное решение позволяет рассчитать влияние на величину отклика как теплофизических параметров среды и материала кюветы, так и геометрических размеров оптической ячейки с жидкостью [3].

Таким образом, в данной работе предлагается новая схема термолинзового эксперимента с тонкослойной кюветой, толщина которой значительно меньше размера светового пучка. В результате точного аналитического решения тепловой и термодиффузионной задач в работе получено выражение для термолинзового отклика среды с учетом термолинзы в окнах кюветы. Применение данной схемы предпочтительнее для микрокювет с  жидкофазными средами, поскольку в таких кюветах существенно ослаблено влияние конвекции на процесс измерения. Полученные результаты актуальны для нелинейной оптики дисперсных жидкофазных сред [4], а также для оптической диагностики таких сред (в т.ч. термооптической спектроскопии) [5].

В настоящее время одним из наиболее применяемых источников опорной частоты является атомно-лучевой квантовый стандарт частоты (АЛКСЧ) с лазерной накачкой и детектированием [1]. В данной работе исследуется АЛКСЧ на атомах ¹³³Cs, имеющий следующий принцип работы. Пучок атомов цезия попадает в область накачки, где часть атомов при взаимодействии с полем лазерного излучения (в данной работе рассматривается случай настройки на частоту перехода F = 4 – F’ = 4 линии D₂) переходит на уровень с F = 3 основного состояния, обедняя уровень с F = 4. Затем, при пролете через СВЧ резонатор и взаимодействии с СВЧ полем, настроенном на частоту сверхтонкого перехода F = 3 – F = 4 (для ¹³³Cs – 9.2 ГГц), такие атомы переходят в состояние F = 4 с вероятностью, зависящей от отстройки частоты СВЧ поля от частоты сверхтонкого перехода. Далее в области детектирования атомы с F = 4 взаимодействуют с лазерным излучением, настроенным на частоту циклического перехода F = 4 – F’ = 5 линии D₂, и излучают фотоны флуоресценции, которые детектируются фотоприемным устройством (в данной работе – кремниевым фотодиодом). Частота СВЧ поля в резонаторе подстраивается по максимуму сигнала флуоресценции.

В данной работе рассматривается теоретическая модель формирования сигналов в АЛКСЧ [1-3] в зависимости от входных параметров, таких как количество атомов цезия в пучке, мощность и ширина линии лазерного излучения детектирования. В рассматриваемой модели учитываются процессы, происходящие при взаимодействии атомов цезия с излучением накачки и детектирования, а также с СВЧ полем в резонаторе. На основании теоретической модели проведены расчеты и получены величины сигналов флуоресценции, характерные для компактных цезиевых АЛКСЧ.

Было рассмотрено влияние принципиально неустранимых шумов, таких как дробовый шум атомов в пучке, флуктуации количества фотонов флуоресценции, шумы фотоприемного устройства, на характеристики атомно-лучевых стандартов частоты. На основании теоретических выражений [2,3] были произведены расчеты спектральной плотности мощности учитываемых шумов и получены значения отношения сигнал-шум в зависимости от входных параметров. Результаты расчетов показали, что при значениях входных параметров, характерных для компактных АЛКСЧ [1,4] (длина СВЧ резонатора ~15 см, поток атомов цезия в области детектирования 10¹⁰ – 10¹¹ атомов/c, мощность лазерного излучения детектирования 1 – 10 мВт), снижение ширины линии лазера детектирования менее 1 МГц приводит лишь к незначительному увеличению отношения сигнал-шум, которое при этом монотонно растет с увеличением потока атомов. При недостаточной степени экранирования фотодиода от прямой засветки лазерным излучением увеличение мощности лазера приводит к значительному увеличению шума фотодиода. Было показано, что отношение сигнал-шум для компактных цезиевых АЛКСЧ не превышает величины 4×10⁴, что приводит к оценке наилучшего достижимого значения кратковременной нестабильности частоты величиной 10^-12 с^-1/2.

Молекула индола является хромофорной частью аминокислоты триптофан – перспективного молекулярного зонда, применяющегося для мониторинга состояния и динамики белков в живых клетках [1]. В настоящем сообщении представлены результаты экспериментального и теоретического исследования высоковозбужденных электронных состояний молекул индола посредством наблюдения поляризованной флуоресценции, инициируемой двухфотонным возбуждением фемтосекундными лазерными импульсами в диапазоне длин волн 385 – 510 нм. Экспериментально исследовалось затухание поляризации флуоресценции молекул индола в пропиленгликоле, как функция полной энергии двухфотонного возбуждения. Использовалась как линейная, так и циркулярная поляризация возбуждающего излучения. В качестве источника применялся перестраиваемый Ti:Sa лазер, генерирующий импульсы длительностью 150-200 фс.  Эксперименты и анализ полученных результатов проводились по методике, развитой ранее в работах [2, 3]. В результате анализа экспериментальных данных было определено время жизни возбужденного состояния молекулы t_f и коэффициенты анизотропии r₀ и Ω, а также время вращательной корреляции t_rot, описывающее взаимодействие молекул индола с растворителем. Обнаружена зависимость интенсивности и степени поляризации флуоресценции молекул индола от длины волны возбуждающего излучения.  Анализ полученных экспериментальных данных был проведен с использованием результатов неэмпирических расчетов и квантово-механических моделей. Показано, что обнаруженная зависимость обусловлена вкладами возбужденных состояний молекулы индола разной симметрии в интенсивность двухфотонного поглощения, в зависимости от энергии возбуждения. Полученные результаты открывают возможность анализа энергии и структуры неразрешенных возбужденных состояний важных для биологии молекул в зависимости от типа микромолекулярного окружения.

Линейные и кольцевые резонаторы получили широкое распространение в области нанофотоники [1]. Высокодобротные нанорезонаторы с малым модовым объёмом на основе фотонных кристаллов позволяют создавать, например, оптические переключатели, фильтры, дифференциаторы и интеграторы, источники света с низкой пороговой мощностью и интегрировать эти элементы в микросхемы.

Нужно отметить, что классическим подходом к построению спектральных фильтров являются дифракционные решетки [2, 3] и многослойные структуры [4]. Традиционным способом изготовления многослойных фильтров является нанесение десятков, а иногда и сотен тонкопленочных слоев различных материалов. Использование волноводного резонанса [5] позволяет на порядки уменьшить количество наносимых слоев и таким образом удешевить процесс изготовления фильтра и уменьшить его толщину. Кроме того, в отличие от плазмонного резонанса для возбуждения волноводного резонанса не требуется использование металла. В этом случае можно воспользоваться технологией наноимпринтинга [6], которая является перспективным методом недорогого массового производства наноструктур. В работах [7,8] рассмотрен расчет и оптимизация волноводных нанофотонных структур на примере малослойного пропускающего спектрального фильтра.

В современных оптических нанорезонаторах зеркалами часто служат фотонные кристаллы. Изготовление нанорезонатора внутри трёхмерного фотонного кристалла является трудной задачей. Поэтому часто используют двухмерные фотонные кристаллы в виде мембраны. В такой мембране свет распространяется за счёт полного внутреннего отражения [9]. Дальнейшим упрощением данной структуры является использование гребенчатых  фотоннокристаллических волноводов [10]. В таких волноводах полное внутреннее отражение препятствует распространению света в поперечных направлениях. В продольном направлении отражение света в нанорезонаторе обеспечивает фотонный кристалл [11].

Заметим, что гребенчатые резонаторы [10] являются альтернативой кольцевым резонаторам [12, 13]. Применение систем кольцевых резонаторов рассматривается в статье [14]. В работе [15] показано формирование случайных двоичных кодов с использованием поляризованного света на кольцевом резонаторе. Восстановленные (декодированные) коды могут быть получены с помощью солитонных сигналов преобразования. Генерация солитонов с помощью кольцевого резонатора рассматривается в статье [16].

Линейные резонаторы также сохраняют свою актуальность и область их применения постоянно расширяется. Сравнение связанных оптических волноводов и фотоннокристаллических волноводов представлено в статье [17]. Квантовая запутанность в линейной системе из двух независимых линейных резонаторов рассмотрена в статье [18]. Результаты данного исследование демонстрируют преимущество использования линейных резонаторов в сверхпроводящих цепях. Как показано в статье [19], увеличение длины резонатора при постоянной средней мощности излучения позволяет увеличить энергию лазерного импульса более чем на два порядка. Результаты данного исследования качественно согласуются с экспериментальными данными. В статье [20] изучаются пространственно-временная динамика стационарного Гауссовского импульса с синхронизацией мод в резонаторе. Резонатор Фабри-Перо является основным видом оптического резонатора и представляет собой два соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми может формироваться резонансная стоячая оптическая волна. Линейные и нелинейные характеристики оптических замедляющих структур из прямых связанных резонаторов Фабри-Перо обсуждаются в статье [21].

Цель настоящей работы является исследование распространения гауссова импульса в линейном резонаторе.

Была написана программа, проводящая моделирование распространения гауссова импульса в резонаторе. Найдено достаточное число членов разложения для сохранения формы импульса. Результаты разложения совпадают с теоретическими данными.

Лазерное охлаждение – наиболее яркий пример возможностей оптомеханического воздействия света на вещество. Сегодня лазерное охлаждение атомов и ионов имеет многочисленные приложения, такие как квантовые стандарты частоты (радио- и оптического диапазона) [1], атомные интерферометры и резонаторы [2], фундаментальные исследования квантовой физики [3], прецизионные измерения [4], нанолитография [5] и многие другие.

Самым главным методом охлаждения является доплеровское торможение – однолучевой метод охлаждения, основанный на возобновляемом резонансном поглощении фотонов от направленного пучка, который направлен против движения атома [6]. Изменение импульса атома вызвано направленным поглощением фотона и последующим изотропным спонтанным испусканием фотона. Охлаждающий луч должен иметь красное смещение от частоты атомного перехода, что позволяет атому поглотить фотон ω_abs = ω = ω₀ + kv, а испустить фотон большей энергии ω_em = ω₂₁ > ω_abs, что непосредственно связано с доплеровским уширением атомных уровней kv, где k – волновой вектор, v – скорость атома. По мере уменьшения скорости атомом, уменьшается и доплеровски сдвинутая частота по сравнению с резонансной, что ведет к уменьшению вероятности поглощения атомом фотона данной частоты.

Из последних методов стоит отметить охлаждение на основе эффекта Отлера-Таунса (или динамического эффекта Штарка) [7]. В предлагаемой схеме на атомный пучок воздействуют также два встречных лазерных пучка: первый «тормозящий» луч, который переводит атомы в возбужденные состояния, и второй «компенсирующий» луч, создающий за счет динамического эффекта Штарка необходимое расщепление атомных уровней для восполнения частотной добавки, связанной с доплеровским сдвигом.

В настоящей работе предлагается метод импульсного охлаждения атомных пучков, основанный на эффекте Отлера-Таунса, обладающий большим быстродействием по сравнению с существующими техниками и позволяющий манипулировать всеми скоростями атомов одновременно.

Пусть пучок двухуровневых атомов с собственной частотой ω₂₁ и скоростью v, направленный вдоль оптической оси, подвергается воздействию серии коротких лазерных импульсов с прямоугольным временным профилем и частотой ω₀, направленных против движения атомов. При этом длительность единичного импульса не превышает время спонтанного перехода электронов в нижнее состояние: t < γ^-1, где γ – константа распада возбужденного состояния атома.

При мгновенном включении оптического взаимодействия населенности атомных уровней перераспределяются, взаимодействуя с фотонами поля частоты ω_abs = ω₀ - kv. После выключения поля населенность верхнего уровня спонтанно распадается в нижнее состояние, излучая фотон частоты ω_em = ω₂₁. Таким образом при каждом акте перевода в возбужденное состояние при включенном поле и спонтанном переходе на основное состояние при выключенном поле у атома отбирается энергия.

Основным достоинством данного метода является быстрота торможения: пучок атомов кальция (ω₂₁ = 7.1×10¹⁴ Гц) со средней скоростью 500 м/с тормозится до нулевых скоростей за ≈44 мкс (продольная дистанция торможения ≈2 см). Другим преимуществом данной техники является необходимость единственного лазерного источника излучения. Такое эффективное управление атомными скоростями открывает возможность для создания более совершенных «оптических зеркал» для атомов [8].

Лазерные пучки с повышенной устойчивостью к воздействию случайных флуктуаций оптической среды, в том числе турбулентности атмосферы, являются важным фактором в улучшении качества оптической связи в свободном пространстве, а также систем дистанционного зондирования и лазерных радарных систем [1, 2]. Среди таких пучков лазерные моды высокого порядка [3, 4], в том числе с вихревой фазовой сингулярностью [5-9]. Важными характеристиками устойчивости пучков также являются  когерентность и поляризация [10, 11]. При использовании пучков Бесселева типа для коммуникации, возможность кодирования поляризационного состояния [12] обеспечивает дополнительную степень защиты информации, которая ранее предполагала только амплитудное и фазовое кодирование.

Имеются различные способы моделирования случайных сред [2, 13-16], включая турбулентность атмосферы и водоемов. Одним из способов является использование случайных фрактальных структур [17, 18].  Регулярные фракталы характеризуются самоподобием и дробной размерностью [19]. Пространственный спектр таких структур также обладает свойствами самоподобия, поэтому картина дифракции оптического излучения на фрактальной структуре [20] может использоваться для определения характеристик самой структуры [21, 22]. Более того, свойство самоподобия позволяет использовать даже небольшую часть пространственного спектра для получения изображения исходного объекта [23].

Случайные фрактальные структуры сохраняют некоторые свойства регулярных фракталов, в частности, размерность. Кроме того, в картине дифракции можно наблюдать спекл-структуры отличающиеся от спекл-картин обычных случайных полей [24, 25].

Таким образом, пространственный спектр содержит важную информацию даже о случайных структурах. Еще больше информации можно получить об объекте исследований, если рассматривать не только фокальную плоскость, а некоторую область дифракции, причем не только в дальней зоне (зоне Фраунгофера).

В данной работе выполняется моделирование формирования картин дифракции для регулярных и случайных фракталов Кантора на основе дробного преобразования Фурье [26]. Этот оператор позволяет получить распределение поля (с точностью до масштаба) в любой параксиальной области – как в зоне дифракции Френеля, так и в дальней зоне [27]. 

Интерес к затухающим полям возник достаточно давно [1] вследствие их применений в таких областях как оптическая микроскопия ближнего поля, запись с высокой плотностью, субволновая литография и т.п. В частности, один из подходов их получения состоит в освещении желаемой цели с помощью излучения, проходящего через апертуру с размерами, меньшими длины волны [2] и требует очень близких расстояний между мишенью и апертурой. Данное обстоятельство вызвано двумя фундаментальными эффектами: затухающим характером исчезающих компонент поля, генерируемых апертурой, и быстрым расширением оставшегося поля [1].

Пучки Бесселя привлекают постоянный интерес с момента первого их упоминания [3]. Особый интерес на тот момент представляли так называемые пучки Бесселя-Гаусса, которые математически трактовались аналитически в параксиальном приближении [4]. Позднее было также принято, что определение пучков Бесселя может быть расширено за их первоначальное определение, для включения дополнительных функций одного и того же семейства. Было обнаружено, что модифицированные пучки Бесселя обладают не осцилляционным характером в поперечном направлении и сплюснутой формой, когда он соответствующим образом аподизируется гауссовой функцией [5]. Эти типы пучков впоследствии были обобщены для комплексных аргументов [6]. Генерация затухающих пучков Бесселя для радиально-поляризованного пучка на границе раздела сред диэлектрик-металл была рассмотрена в работе [7]. Реализация затухающего пучка Бесселя через поверхностную плазмонную интерференцию, возбуждаемую радиально-поляризованным пучком, была предложена в работе [8].

Также известно, что аксикон формирует бесселевый пучок нулевого порядка, диаметр центрального пятна которого по полуспаду интенсивности (FWHM) равен 0,36 длины волны, деленную на числовую апертуру [9-11], что на 37% меньше, чем размер диска Эйри, формируемого линзой с той же числовой апертурой (NA). Из-за наличия в ближней зоне затухающих поверхностных волн можно сформировать фокусное пятно много меньше длины волны, что вызывает интерес при использовании аксиконов для острой фокусировки. В частности, в работе [12] была рассмотрена фокусировка лазерных пучков аксиконами с разной NA (максимальная NA = 1,02). В работе [13] также исследовались дифракционные аксиконы с числовой апертурой вплоть до NA = 1,2.

Однако в работах [12-13] использовалась модель тонкого оптического элемента. В представляемой работе мы исследуем формирование затухающих пучков с помощью бинарного дифракционного аксикона с периодом меньше длины волны в 3D модели.  При этом числовая апертура аксикона варьировалась от 0,95 до 2,0. Для численного моделирования дифракции рассматриваемого лазерного излучения используется метод конечных разностей во временной области (FDTD) с использованием высокопроизводительных вычислений [14], реализованный в программном пакете Meep [15].

Параметры моделирования: длина волны равна 0,532 мкм., размер вычислительной области по x, y, z – 4 мкм. Толщина поглощающего слоя PML равна 0,7 мкм. В качестве входного лазерного излучения используется фундаментальная Гауссова мода с круговой поляризацией. Показатель преломления аксикона и подложки, в которой выполнен бинарный рельеф, соответствующий материалу Fused Silica, равен n = 1,46. В этом случае высота микрорельефа составляет 0,578 мкм.

Результаты расчетов показали, что при увеличении NA аксикона наблюдается сокращение длины формирования затухающего пучка. Следует отметить, что при NA больше 1,3 на оптической оси наблюдается формирование круглого теневого пятна, что означает усиление продольной компоненты электрического поля.  

Таким образом, в данной работе численно с помощью метода FDTD выполнено сравнительное исследование дифракции Гауссова пучка с круговой поляризацией на дифракционных аксиконах при числовой апертуре больше 1, а также показано что с их помощью можно производить генерацию затухающих пучков.

Nanophotonics is one of the important areas of modern physics which aims at manipulating light at the nanoscale by using subwavelength structures with unique optical properties. The building blocks of nanophotonics are resonant plasmonic [1,2] and dielectric [3,4] subwavelength nanoparticles. High-index dielectric nanoparticles now attract more attention, as they demonstrate both electric and magnetic dipole responses and have small material loss in optical spectral range. Many resonant structures of different geometries and different types of materials for an effective manipulation of light have been proposed, including resonant dielectric structures [5], hybrid structures (metal and dielectric) [6] and hybrid structures combined with color centers [7]. However, high dissipative losses and low emission directivity do not allow to realize the full potential of such photonic nanostructures. This issues become critical for single photon sources, when nanostructures need to provide good field extraction and directivity.

Nanodiamonds with color centers are good candidates for the development of single photon sources because they possess zero phonon line (ZPL) at the room temperature. However, at the room temperature only small part of the energy is radiated at ZPL wavelength, and this is one of the main limiting factors for the applications of nanodiamonds. Here, we theoretically predict that combination of high index dielectric nanoantennas with nanodiamonds containing NV centers can lead to high luminescence intensity and good radiation directivity. This is achieved through the Purcell effect and control of directivity pattern by exploiting electric and magnetic response of dielectric nanoparticles coupled to the emitter in the nanodiamond.

In this work we compare two types of high-index dielectric materials that exhibit low optical absorption. Namely, crystalline silicon (c-Si) and GaP [8]. We perform numerical simulations using CST Microwave Studio, and study the optical properties of the structures consisted of nanodiamonds with NV centers coupled to dielectric cylindrical nanoantennas. We analyze how spontaneous emission rate and radiation directivity of such structures depend on characteristics of both dielectric nanoantennas, i.e. their sizes and types of material, as well as on the properties of nanodiamonds, including their sizes, dipole source orientations and locations. We reveal, that despite the losses in c-Si are higher than in GaP in the operational frequency range, silicon nanoantennas provide larger Purcell factor due to the higher permittivity. We show that our optimized structures with specific optical properties allow for efficient control of light emission, thus making modern nanophotonic devices one step closer to applications in rapid information transfer, quantum entanglement or metrology.

Современный уровень использования оптического волокна по временным и частотным характеристикам стремится к пределу пропускной способности [1]. Однако требования к увеличению объёма мирового трафика постоянно растут. Для обеспечения соответствия сетей связи постоянно растущим требованиям по пропускной способности рассматриваются дополнительные подходы к уплотнению каналов оптического волокна. Одним из таких подходов является модовое мультиплексирование (mode division multiplexing – MDM) [2,3]. Особое преимущество для повышения пропускной способности информационного канала достигается с помощью оптических пучков, обладающих орбитальным угловым моментом и имеющих бесконечное число возможных квантовых состояний [4]. Значительный успех применения такого способа уплотнения каналов был уже продемонстрирован в оптических волокнах [5] и в свободном пространстве [6,7]. Для формирования и анализа вихревых пучков используют дифракционные оптические элементы [8,9], а для ввода их в оптическое волокно применяют линзовые системы [10,11].

Прохождение вихревого лазерного пучка m-го порядка через сферическую линзу может быть описано с помощью преобразования Ханкеля m-го порядка. В реальных линзовых системах имеет место пространственное ограничение, и для описания прохождения оптического сигнала используются финитные (пространственно-ограниченные) операторы распространения [12,13]. Из-за пространственного ограничения, как в объектной, так и в спектральной области, в двухлинзовой системе невозможно получить идеальное изображение. Для того чтобы понять, как исказится оптический сигнал, необходимо разложить их по собственным модам линзовой системы. В связи с этим широко используется понятие коммуникационных мод [14,15]. Коммуникационными модами для квадратных апертур и преобразования Френеля являются вытянутые угловые сфероидальные функции [16,17],  которые широко изучается и применяется в оптике [18-21].  Коммуникационными модами для круглых апертур и финитного преобразования Ханкеля являются круговые [22] и обобщённые [23] сфероидальные функции.

Выполнен расчет набора собственных вихревых функций ограниченной круговой двухлинзовой системы, что позволяет анализировать искажение оптического сигнала при передаче на основе аппроксимации по функциям из этого набора. Прохождение вихревого пучка через такую систему может быть описано следующим образом:

где J₁ – функции Бесселя, k – волновое число, f – фокусное расстояние обеих линз, R – радиус первой апертуры, P – радиус второй апертуры, m – порядок оптического вихря. Собственные функции такой системы обладают модовыми свойствами и являются ортогональными.

При увеличении радиусов апертуры наблюдается увеличение количества значащих собственных чисел, что означает увеличение числа степеней свободы системы. В таких системах передача оптических сигналов осуществляется с меньшими потерями энергии.

Было проведение моделирование распространения полученных функций в ограниченном оптическом волокне с параболическим показателем преломления. Результаты показали, что пучки, соответствующие собственным функциям, при прохождении остаются внутри волокна и сохраняют свойства ортогональности. Это означает, что любые сигналы, которые могут быть представлены в виде суперпозиции данных функций, могут быть переданы без потерь.