Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Отказоустойчивость радиоэлектронных изделий при воздействии на них электромагнитного излучения связана не только с резистивными свойствами сверхтонких металлических дорожек, через которые можно ограничить ток, но также и с общим антенным механизмом. Микро- и наноразмерные элементы в составе интегральных схем, совместно с выводами на внешние контакты, представляют собой разветвлённую 3D антенну. Внешняя электромагнитная волна может не только навести помехи, но и привести к деградационным явлениям непосредственно в самих микросхемах. Ключевым вопросом при этом остаётся конкретное значения полей, при которых происходит сбой в работе микросхем, а также их критические значения, при которых происходит полный отказ устройства. Строгий подход к описанию взаимодействия электромагнитного излучения с проводящей реальной средой, каковой являются современные микро- и наноразмерные элементы требует учета многих видов неоднородностей, вносимых её дефектами. Поэтому более детализированная картина наноразмерной структуры должна опираться на комплексный подход статистических и детерминированных методов, в основе которых лежит квантовое представление твердотельной среды взаимодействия. Отрицательным аспектом в использовании неоднозначно упорядоченных материалов в современной радиотехнике является нестабильность их свойств, а точнее, сложная предсказуемость и трудная управляемость их электрофизическими характеристиками в процессе получения. Электропроводность здесь является базовым параметром, от которого зависят мощностные, частотные и многие другие характеристики радиоэлектронного прибора. Именно поэтому предпринята попытка описания проводимости наноупорядоченных, в том числе и аморфных, структур с точки зрения квантового подхода, опираясь при этом на формализм уравнения Шредингера. Для повышения достоверности моделирования в качестве прототипа теоретической модели слоистонеоднородных проводящих структур (СНПС) взята типичная структура, полученная с помощью измерительной установки сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), оснащённая оптической головкой с разрешающей способностью по высоте 0,8 нм. Материал плёнки — алюминий, подложка из ситалла, перед напылением подложка подвергалась плазменной шлифовке – убирались неоднородности высотой более 10 нм. Аналогичный вид имели СНПС с плёнками из меди, нихрома и титана с подложками из различных видов стекла. Теоретическая модель проводящей плёнки, с учетом реальной структуры, размещённой на поверхности диэлектрической подложки, представлена как слоистая двумерно-периодическая (в поперечном сечении) решётка с периодами вдоль соответствующих осей. Элементарную ячейку проводящей плёнки описывает двумерная функция. Проводящие островки аппроксимировались цилиндрами разных радиусов и высот, причём, высота цилиндров соответствовала толщине проводящей плёнки. Для каждой стадии изменения проводящего слоя на подложке рассчитаны оптические коэффициенты. Данные алгоритмы также использовались в численных методах, примененных для расчёта дифракционной картины электромагнитного поля на металлодиэлектрических структурах. Описанный алгоритм применен в разработанной численной модели для определения кинетических коэффициентов для электронов проводимости в тонких пленках. Данная численная модель оформлена в виде отдельного программного продукта "Воздействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на слоисто-неоднородные пленочные структуры", на который получено свидетельство о регистрации программ для ЭВМ. Кроме того, в ходе выполнения работы было разработаны несколько установок по воздействию электромагнитного излучения (ЭМИ) на проводящие и диэлектрические структуры в волноводном тракте и в открытом пространстве. Особенности схемных решений для исследований предельных радиофизических взаимодействий, приводящих к необратимым деградационным процессам в наноструктурированных и наноразмерных структурах, обусловлены в первую очередь значительными мощностями падающего излучения. Экспериментальная сложность создания и работы больших установок, обеспечивающих предельные режимы, была решена выбором импульсного режима излучения. Такой подход имеет ряд преимуществ, главные из которых это возможность точного задания и подсчёт излучаемой мощности магнетрона, а также возможность получать большие значения мощности электромагнитных волн при малых величинах питающего напряжения, которое можно переопределить равенством с волновым сопротивлением. С применением разработанных установок получены экспериментальные данные по стойкости СНПС в зависимости от времени воздействия, мощности воздействия для разных материалов подложек и пленок, хорошо согласующиеся с результатами численного моделирования по разработанной численной модели.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ) на метаматериалы, входящие в структуру типа «сэндвич» («метаструктура-проводящая нанопленка») необходимо рассматривать как задачу дифракции падающего ЭМИ на структуре. В результате взаимодействия ЭМИ со структурой типа «сэндвич» образуются отраженная, прошедшая и поглощенная волны. Поскольку объект типа «сэндвич» представляет собой слоистую пленочную структуру с пространственной и омической неоднородностью, то необходимо решать задачу дифракции падающей электромагнитной волны на данной структуре. Особенности дифракции ЭМИ на структуре типа «сэндвич» определяются не только электрофизическими и геометрическими структуры, но и взаимной ориентацией объекта относительно падающей волны (поляризационный фактор). Построение численной модели дифракции для прямоугольного волновода со структурой типа «сэндвич» проводилось с использованием метода конечных разностей во временной области (КРВО) основано на разбиении моделируемой области элементарными пространственно-неоднородными ячейками (Yee-ячейки). Пространственное распределение компонент электромагнитного поля в элементарной Yee-ячейке. В процессе выполнения работы предложена модель проводящей пленки с учетом реальной структуры напыления. Выявлено, что наибольшая плотность тока сосредоточена по середине поверхности МДС перпендикулярно вектору электрической компоненте поля, а также большая плотность тока наблюдается в местах соединения островков. Поэтому при воздействии ЭМИ выгорают проводящие каналы, расположенные ближе к середине МДС. Случайность направления образованных проводящих каналов создает при их выгорании широкую и ветвистую картину. В ходе исследований выявлено, что метаструктура позволяет значительно снизить нормальную составляющую отраженной волны, примерно в 6 раз, по сравнению с зеркалом. При наложении на фронтальную поверхность алюминиевой тонкой пленки общая мощность еще падает на 14,71 %, а также боковые лепестки становятся более выраженными и разветвленными. Это указывает нам на способность тонких пленок к поглощению части падающей электромагнитной волны, и, соответственно, такие комбинированные структуры являются эффективнее простых МС на тех же частотах. Моделирование показало, что общая мощность при использовании диагональной МС с пленкой падает на 22 %, что позволяет нам говорить о том, что данные образцы явно плохо взаимодействую с внешним полем, вследствие своего большого сопротивления. Также совместное использование слоистых структур с нанопленками на данном этапе не показало хорошего результата. Полученные данные позволяют увидеть резкое увеличение общей мощности при внесении в структуру тонких пленок. Это объясняется тем, что добавление более двух слоев компонентов приводит к появлению нежелательных эффектов: дополнительному переизлучению между слоями, и, вследствие, высокому показателю отражения. Самые лучшие результаты показала двухслойная МС «кресты», снижая нормальную составляющую отраженной волны так же, как и МС-1, более, чем в 3 раза. При добавлении дополнительного слоя метаповерхности (который был бы зеркален предыдущему) ослабляющие способности общей поверхности увеличиваются. Это происходит благодаря перераспределению падающих волн между двумя противоположно направленными слоями (происходят схожие процессы, как и в шахматных структурах). Метаповерхность состояла из трехмерных объектов и задается соответствующий материал для элементов, обладающих проводимостью. Источник электромагнитного излучения располагается в волноводном переходнике перед раскрытием рупора. Так же необходимо ограничить область, в которой будет определено решение системы уравнений. Очевидно, что выбирается сферическая область, в которой находится система, а среда внутри области – воздух, как показано на рисунке. Однако в ходе исследования было выявлено, что для сферической области необходимо в ~3,5 раз больше элементов разбиения, чем использование прямоугольной. На раскрытии рупора задаются граничные условия – полное отражение электрической компоненты от стенок рупора. На границе исследуемой области – полное поглощение электромагнитной волны для предотвращения переотражений внутри системы. Источнику электромагнитной волны задается линейная поляризация. Были проведены работы по напылению тестовых структур. В процессе исследований было установлено, что значения КСВН и ослабления при расположении МДС нормально или параллельно оси волновода и параллельно вектору напряженности электрической компоненте поля волны Н10 одинаковы. Выбиралась та ориентация МДС относительно оси волновода, которая была удобна для проведения измерений. При электротепловом воздействии исследуемый образец помещался в измерительную секцию волноводного тракта и после воздействия СВЧ-излучения температура образца измерялось пирометром «МЕГЕОН 16350» через специальное отверстие. Затем образцу давали остыть до температуры окружающей среды и повторяли измерения с другой мощностью ВЧ-генератора. Поскольку при температурных измерениях возможны значительные погрешности, то проводилось пять циклов экспериментов с последующим усреднением полученных значений. Для установления связи между дифракционными характеристиками воздействующих волн с металлодиэлектрической структурой и физическими явлениями в проводящих структурах толщиной 1-10 нм можно использовать значение их электропроводность. Это позволит перейти от сложного анализа их морфологии к более простому измерению их сопротивлений. Исследования дифракционных характеристик позволили установить, какая часть мощности падающей волны, поглощаемая металлодиэлектрической структурой и трансформируемая в тепловую, определяет радиофизические явления в проводящих структурах толщиной 1-10 нм и динамику их протекания. Исследования дифракционных характеристик при взаимодействии электромагнитных волн с различными типами объектов и материалов в открытом пространстве и СВЧ-диапазоне сопровождается рядом особенностей, которые приводят к сложности определения точных значений дифракционных коэффициентов из-за низкого уровня принимаемого сигнала антенными преобразователями. Это связано с тем, что при зондировании образца отраженная и прошедшая волны рассеиваются во всех направлениях с разной степенью интенсивности. Величина значений измеряемых параметров в основном зависит от частоты излучения, геометрических размеров образца, направленности антенн, отражающей способности предметов около измерительной установки, и т.д. Таким образом при проведении исследований зачастую можно судить лишь о характере изменения параметров отражения, прохождения и поглощении при различных толщинах структурных образований. Исходя из этого, удобно использовать сравнительную методику, при которой измеряются дифракционные коэффициенты как исследуемого сигнала, так и объекта с известными значениями. Для исследования эффективности рассеивающих покрытий был использован метод бистатического исследования: измерялся уровень отраженного от структуры излучения при изменении положения приемной антенны. Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты по поглощению электромагнитных волн в промежутке частот 3 – 25,5 ГГц показали, что основным механизмом ослабления являются омические потери, наблюдающиеся при взаимодействии падающей электромагнитной волны с нанометровой проводящей структурой и при толщине пленки 5 – 7 нм поглощение может достигать значений вплоть до 50 %. Поэтому для построения комбинированной ослабляющей поверхности были выбраны алюминиевые структуры толщиной 5 нм. Работы по заявленному плану полностью выполнены.