КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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.

Названиесверхширокодиапазонные поглощающие покрытия на основе нанометровых проводящих пленок

РуководительСтаростенко Владимир Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского", Республика Крым

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Аннотация
Проводящие нанометровые пленки (толщиной от 2 до 15 нм) имеют отличительные физические свойства в сравнении с проводящими пленками толщиной более 50 нм, полупроводниковыми или диэлектрическими пленками. Эти отличия заключаются не только в удельной проводимости, но в большей степени в структуре таких пленок. Проведенные нами исследования показывают, что при толщинах пленок от 2 до 15 нм имеет место резонансное поглощение электромагнитного излучения. Данные исследования проведены для пленок из меди, алюминия, нихрома и титана в диапазоне частот от 2,9 ГГц до 25,5 ГГц. Обычно свойства поглощающих покрытий основаны на частотной интерференции или частотном резонансе покрытий. В случае нанометровых проводящих пленок резонанс обусловлен преобразованием энергии электромагнитных волн в энергию акустических волн и определяется толщиной пленок - пространственный резонанс. С явлением пространственного резонанса в оптике столкнулись еще в конце 19-го века, т.е., с учетом этих результатов и проведенных нами исследований, поглощение нанометровых пленок не зависит или мало зависит от частоты. При пространственном резонансе поглощение в проводящих пленках достигает 20% падающей мощности электромагнитного излучения. При проведении экспериментальных исследований использовались металлодиэлектрические структуры (МДС), проводящие пленки напылялись на подложки из ситалла или боросиликатного стекла. Практическое использование пространственного резонанса в проводящих нанометровых пленках возможно при нанесении пленок на гибкие подложки (полиэтилен и т.д.) и создание многослойных структур. В настоящее время отсутствует теория преобразования энергии электромагнитного излучения в акустические волны в проводящих нанометровых пленках. Это связано со многими факторами, в первую очередь со структурой поверхностей, которые определяются способами нанесения пленок (магнетронное, ионное или другие способы напыления). Создание теории позволит прогнозировать свойства поглощающих проводящих пленок и структур на их основе. Современные микросхемы используют пленки для соединений активных полупроводниковых приборов, кроме того проводящие пленки являются основой контактов как полупроводниковых приборов, так и микросхем. В микросхемах контактные площадки наиболее слабый элемент, определяющий их работоспособность. Проведенные исследования показывают особенности пробоя в неоднородных проводящих пленках при их работе в напряженных токовых и тепловых режимах. В настоящее время также отсутствует теория пробоя в неоднородных проводящих и нанометровых пленках. Подобных экспериментальных и теоретических исследований для пленочных субмикронных и нанометровых структур с учетом их неоднородности как по геометрии, так и по электрофизическим характеристикам и с учетом пространственного резонанса ни в России, ни за рубежом не проводилось

Ожидаемые результаты
по результатам экспериментальных исследований поглощающих свойств проводящих нанометровых пленок в метровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн определить возможность создания частотно независящих поглощающих покрытий; по результатам экспериментальных исследований определить возможности использования гибких материалов в качестве подложек при напылении на них проводящих пленок, исследовать характеристики многослойных поглощающих пленок, отработать технологию многослойных поглощающих покрытий; провести экспериментальные исследования пробойных явлений в неоднородных проводящих пленках, сделать рекомендации по контактным группам в микросхемах и по защите при воздействии мощных электромагнитных полей; создать модели преобразования энергии электромагнитного излучения в акустическую энергию с использованием волнового уравнений, уравнения теплопроводности, уравнений механики и акустики; разработать модели преобразования энергий в кинетическом приближении, с учетом квазиупорядоченности структуры нанометровых проводящих пленок и фононных колебаниях в этих структурах; теоретически обосновать частотную зависимость или независимость поглощения нанометровых пленок при преобразовании энергий; разработать модели пробоя в неоднородных пленках с учетом ударных волн давления при воздействующих полях, превышающих определенный уровень.

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.

Публикации

1. Мазинов А.С., Фитаев И.Ш., Болдырев Н.А. Ослабление нормальной составляющей отраженной электромагнитной волны комбинированными радиопоглощающими покрытиями ПИСЬМА В ЖУРНАЛ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, Т. 48. – № 19. – С. 27-30. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.19.53592.19324

2. Старостенко В.В., Григорьев Е.В., Мазинов А.С., Арсеничев С.П., Таран Е.П., Старосек А.В., Фитаев И.Ш. Динамика нагрева металлодиэлектрических структур с нанометровыми проводящими пленками при воздействии СВЧ-полей Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, Т. 14. – № 3. – С. 243-248. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.17725/rensit.2022.14.243

3. Таран Евгений Павлович, Зуев Сергей Александрович Программная модель воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на слоистые пленочные структуры в свободном пространстве -, 2022683429 (год публикации - )