КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 19-19-00613

НазваниеПрозрачные ситаллы с коэффициентом термического расширения, стабилизированным вблизи нулевого значения, и лазерное микромодифицирование их структуры

РуководительСигаев Владимир Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словапрозрачный ситалл, прозрачная стеклокерамика, нулевой ТКЛР, литиевоалюмосиликатная система, катализатор кристаллизации, фемтосекундный лазер, лазерное модифицирование, фемтосекундная лазерная запись, лазерный гироскоп, микрооптический гироскоп, пассивный микрооптический кольцевой резонатор

Код ГРНТИ47.09.41

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В данном проекте основные усилия будут направлены на решение двух основных проблем: создания прозрачных стеклокристаллических сред, упрочненных методом ионного обмена, и лазерной записи в них волноводных структур. Исследования особенностей фемтосекундного лазерного модифицирования ситаллов и разработка методов записи в них канальных волноводов начались совсем недавно, в 2018 году, а в течение последних трех лет это направление интенсивно развивалось, особенно применительно к ситаллам литиевоалюмосиликатной (ЛАС) и магниевоалюмосиликатной (МАС) систем, как в рамках трехлетнего цикла настоящего проекта, так и рядом зарубежных лабораторий. Прозрачные ЛАС и МАС ситаллы с низкими значениями ТКЛР широко применяются в лазерных гироскопах, в астрофизике, бытовой технике и пр., и являются перспективными средами для изготовления интегральных интерферометров для бортовой космической аппаратуры, а также для множества других функциональных устройств фотоники. Кроме того, с конца 2020 года в смартфонах iPhone 12 и последующих моделях компания Apple стала использовать в качестве материала для защиты сенсорного экрана прозрачный ситалл под названием «Ceramic Shield». Этот материал приходит на смену стеклу «Gorilla Glass», в котором повышенные механические свойства достигаются упрочнением их поверхности методом ионного обмена K+Na+. Очевидно, что это новшество задаст тренд на разработку материалов на основе прозрачных ситаллов, которые будут востребованы для защиты экранов мобильных устройств многих производителей и смогут занять значительную нишу рынка, а возможно и будут постепенно вытеснять ионно-упрочненные стекла в смартфонах. На данный момент свойства материала «Ceramic Shield» (микротвердость, модуль упругости, прочность на вдавливание, ударная вязкость), которые критически важны для защиты экранов при сохранении высокого уровня светопропускания, ненамного превышают эти же показатели стекла «Gorilla Glass Victus». Поэтому для их существенного повышения чрезвычайно актуальной становится задача поиска путей ионно-обменного упрочнения уже не стекла, а стеклокристаллического материала - ситалла. Вместе с тем, в последние несколько лет активно развиваются технологии интеграции различных устройств и сенсоров непосредственно в экраны смартфонов. И если метод лазерной записи канальных волноводов в стекле «Gorilla Glass» был предложен еще в 2014 году, то сейчас уже демонстрируются действующие прототипы устройств – например, интегрированный в экран из «Gorilla Glass», а годом ранее показана возможность записи в стекле «Gorilla Glass» волноводов сложной архитектуры. Поэтому теперь, с появлением тренда на использование защитных материалов для экранов на основе ситаллов, приобретает большое значение задача переноса подходов к созданию интегрированных в экраны оптических волноводов и микроустройств на прозрачные ситаллы с повышенными термомеханическими свойствами и низкими значениями ТКЛР. Таким образом, данный проект направлен на решение двух новых масштабных задач, что обеспечит получение как научных результатов мирового уровня, так и на формирование практического задела для создания прототипа наукоемкого продукта в горизонте 2-5 лет: 1) Разработка технологии синтеза прозрачных ситаллов, упрочненных как в объеме, так и на поверхности. Эта новая, и нетривиальная задача объединяет результаты, полученные в ходе реализации проекта в 2019-2021 гг., в части разработки прозрачных ситаллов на основе системы ZnO-MgO-Al2O3-SiO2 (ЦМАС), и демонстрирует необходимость оптимизации разработанных составов для успешного применения к ним метода ионного упрочнения. Поставленная задача подразумевает также поиск режимов ситаллизации и ионного упрочнения, которые бы обеспечивали высокую прозрачность и прочность конечного материала, которые непосредственно связаны с его структурой на наноуровне. 2) Лазерная запись волноводов в упрочненных прозрачных ситаллах. Решение данной задачи подразумевает изучение механизмов лазерного модифицирования, которые ответственны за повышение и понижение показателя преломления в исходном и ионно-упрочненном ЦМАС ситалле и нахождение способов управления его значениями и профилем в модифицированной лазером области. Предполагается провести теоретическое моделирование оптических потерь при прохождении света по волноводу для оптимизации профиля сечения волноводов и подбора соответствующих условий прямой лазерной записи, а также исследовать возможность улучшения характеристик волноводов в ЦМАС ситаллах за счет применения пространственно-модулированного фемтосекундного лазерного пучка при записи. В результате будет расширено понимание процессов, происходящих при лазерной записи в ситаллах, которое сложилось на основе данных, полученных в ходе реализации первой стадии проекта. Предполагается, что высокая оптическая прозрачность ситалла вследствие малых размеров нанокристаллитов (до 10-15 нм) позволит достичь высокого качества записанных волноводов и низких значений оптических потерь, на уровне менее 1 дБ/см, что значительно, более чем в 5 раз, превысит результаты, полученные нами ранее, а также результаты всех других научных групп. Задачи, предлагаемые для решения в рамках двухлетнего цикла, обладают новизной и в части получения принципиально новых данных о процессах ионного обмена в прозрачных ситаллах, влиянии параметров ионного обмена и состава стекла на прочностные характеристики ситаллов, а также о процессах лазерной аморфизации и перекристаллизации ситаллов и формированию в их объеме канальных волноводов с низкими значениями оптических потерь для применений в фотонике и интегральной оптике. Таким образом, масштабность поставленных задач определяется возможностью получения не только новых научных результатов мирового уровня, но и переходом к созданию новых продуктов, востребованных на современных рынках. Так, создание высокопрочного и прозрачного ситалла, производство которого можно будет реализовать с минимальными изменениями в текущих технологических процессах современных предприятий, представляется масштабной задачей, решение которой может определить направления развития многомиллиардного рынка мобильных устройств. При этом, возможность интеграции в такой продут микрооптических волноводов и основанных на них микрооптических приборов широкого назначения – можно рассматривать как важный шаг в сторону развития персонализированной электроники и Индустрии 4.0.

Ожидаемые результаты
В течение двухлетнего периода выполнения проекта будут получены следующие основные результаты: - Разработаны условия синтеза и получена серия пластин прозрачных ситаллов на основе ганита, исследованы их прочностные и оптические свойства. Разработана методика ионного обмена ситаллов с замещением катионов Na+ на крупные катионы K+. Получена серия образцов прозрачных ситаллов, упрочненных ионным обменом, исследованы их структура, прочностные и оптические свойства. Определен пул составом, а также режимы ионного обмена, отвечающие получению прозрачных ситаллов с наилучшими прочностными характеристиками. - Уточнены методики записи и проведены исследования записанных лазером в ситаллах точечных и линейных структур, проведен сравнительный анализ лазерного микромодифицирования структуры ситаллов до и после ионного обмена. Установлены механизмы лазерного модифицирования, ответственные за повышение или понижение показателя преломления в ситаллах до и после ионного обмена. Определены параметры, отвечающие за возможность управления значениями и профилем показателя преломления в модифицированной лазером областях. - На основе результатов СЭМ/ПЭМ поверхности и приповерхностных областей ситаллов до и после ионного обмена, а также результатов анализа профиля напряженного слоя комплексным методом (количественный микроанализ двулучепреломления и анализ элементного состава), будет сделан вывод о механизме структурных и химических перегруппировок, происходящих при ионном обмене в ситаллах ЦМАС системы. - Сформированы технические рекомендации для получения прозрачных ситаллов с максимальными прочностными характеристиками. Получены образцы ситаллов с линейными размерами не менее 50х50 мм, при толщине 0,5-2 мм. Ожидается, что полученные на втором этапе проекта образцы ситаллов будут обладать светопропусканием на уровне 90% (при высоком, более 50%) содержании нанокристаллов основной фазы - ганита), а также следующими значениями прочностных характеристик: Hv – не менее 1100; E - более 100 ГПа, Kc вблизи 2,5 МПа/м2, ударная вязкость – более 10 кДж/м2, что суммарно будет значительно превосходить показатели материалов, доступных на рынке. - Решение задачи записи волноводов в стеклокристаллических материалах позволит расширить понимание процессов, происходящих при лазерном модифицировании прозрачных диэлектриков. Ожидается, что высокая оптическая прозрачность ситалла вследствие малых размеров нанокристаллитов (до 10-15 нм), а также экспериментальная и теоретическая оптимизация записываемых волноводов в ситалле позволит достичь их высокого качества и рекордно низких для ситаллов значений оптических потерь, на уровне ниже 1 дБ/см. - Будет опубликовано не менее 8 статей в журналах, индексируемых в базах Scopus/WoS, принято участие не менее чем в 4 международных конференциях, подана заявка на изобретение (патент РФ на способ получения прозрачного ситалла для защиты устройств микроэлектронной техники).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---