Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Различными способами исследованы свойства различных компонентов устройств для видимого, ИК и ТГц диапазона и возможность их применения. Выполнен аналитический обзор материалов квантовых точек, который позволил провести оценку основных оптических свойств материалов квантовых точек на основе бинарных химических соединений A2B6, A3B5, А4В6. Таким образом, селенид кадмия (CdSe) и теллурид кадмия (CdTe) обладают достаточно высокой фотолюминесценцией 480–660 нм и 600–1000 нм соответственно, имеют хороший квантовый выход и нелинейные свойства. Сульфид цинка (ZnS) используется в качестве материала оболочки для КТ вида ядро/оболочка из-за нетоксичености соединения и хорошей биосовместимостью. Оболочки из ZnS, обладающие широкой запрещенной зоной с диапазоном 3,54 и 3,91 эВ, хорошо удерживают экситоны, тем самым повышая стабильность наноструктуры, используется в лазерной технике и в качестве люминофора. Среди квантовых точек на основе бинарных соединений A3B5 интересны КТ фосфида индия (InP) из-за их высокой стабильности, а также наиболее интенсивной люминесценции в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (диапазон флуоресценции 650–750 нм). Фосфид индия (InP) используется как основное химическое соединение для изготовления КТ, его считают преемником кадмия, однако существуют опасения относительно их токсичности. Коллоидные квантовые точки (ККТ) узкозонного полупроводника сульфида свинца (PbS), относящегося к соединениям А4В6, представляют особой интерес из-за возможности охвата как видимой, так и всей ближней инфракрасной области спектра, таким образом диапазон флуоресценции КТ составляет 700 – 1650 нм. В 2020 году получен композит графен - PbS для применения в фотоприемниках ближнего инфракрасного диапазона, который также имеет большой потенциал для применения в ультратонких, гибких, высокоэффективных фотоприемниках ближнего инфракрасного диапазона. Получены результаты математического моделирования влияния изменения размера КТ на ее оптические свойства для материалов CdSe и CdTe на основе уравнения полной энергии, учитывающей энергию экситона. Получены результаты математического моделирования влияния размера КТ материалов CdSe, GaAs, CdTe, PbS на энергию излучения на основе уравнения Брюса с целью поиска оптимальных решений для значений плотности КТ в активной области оптоэлектронного усилителя. Исходя из полученных зависимостей, сформулирована задача распознавания материала квантовой точки на основе данных о величине энергии излучения нанокристалла и значении радиуса КТ, решенная и проанализированная с применением вейвлет-анализа. Разработана методика распознавания, основанная на сравнении статистических и стохастических характеристик вейвлет-коэффициента плотности энергии, описывающего энергию излучения нанокристалла с квантовой точкой на основе уравнения Брюса для традиционных и перспективных материалов для квантовых точек (CdSe, GaAs, CdTe, PbS), используемых в оптоэлектронной технике и технике. Рассчитаны значения энергии излучения Е(r) нанокристалла с КТ, варьируемого радиуса от 2 до 10 нм для материалов CdSe, GaAs, CdTe, PbS. Сформулирована задача распознавания материала квантовой точки на основе данных о величине энергии излучения нанокристалла и значении радиуса КТ, решенная и проанализированная с применением вейвлет-анализа. Построено представление о плотности энергии сигнала, на основании непрерывным вейвлет преобразованием (НВП) с максимальным масштабом 64 и шагом 1 при помощи Гаусса 1-го порядка, которое позволило получить вейвлет – спектрограмму W(a,b), являющуюся функцией двух аргументов, т.е. поверхностью в трехмерном пространстве, дающей возможность проследить изменение интенсивности амплитуд вейвлет – преобразование на разных масштабах а и во времени b. Для распознавания используются методики, основанные на сравнении вейвлет – коэффициентов: статистический анализ (максимум, среднее, дисперсия, среднеквадратическое отклонение); стохастический анализ (фрактальная размерность, показатель Хёрста, корреляционная размерность и размерность фазового пространства). Позволяет оценить хаотичность вейвлет - коэффициентов (НВП) и компонентов сигналов (ДВП). Анализ методик показал, что статистические характеристики сильно зависят от вейвлет-функции, которая используется для реализации непрерывного вейвлет-преобразования, в то время как стохастическая характеристика, в виде энтропии, обладает хорошей диагностической способностью и не зависит от типа вейвлет-функции. Планируется дальнейшее исследование по применению вейвлет-преобразования к материалам расширенного спектра на сферических QD, используемых в оптоэлектронике, исследование и сравнение полной энергии квантовых точек (1) с использованием вейвлет-анализа. Построена математическая модель, состоящая из системы уравнений, позволяющих нам продолжить теоретическое исследование конструкции оптического усилителя на квантовых точках с модификацией активной области, включая моделирование процесса восстановления коэффициента усиления оптоэлектронного прибора путем изменения и поиска оптимальных значений характеристик и параметров активной области прибора. Выполнен обзор перспективных технологий и жидкокристаллических материалов по увеличению модуляции терагерцового (ТГц) излучения, скорости переключения электрооптического отклика, проблемам создания двумерного изображения в ТГц-диапазоне, в том числе и для биологических тканей и объектов. Показана перспективность использования полимерных жидких кристаллов и электромагнитных метаповерхностей. Достигнуто существенное расширение ТГц диапазона различных типов модуляторов за счет использования новых материалов электродов, дифракционных элементов, управления двулучепреломлением не только электрическим, но и магнитным полем. Впервые выполнено моделирование интенсивности пропускания закрученных на 90° жидкокристаллических твист-структур с несимметричными граничными условиями. Предложены конфигурации твист-ячеек для использования в модуляторах света для инфракрасного или терагерцового диапазона. Путем подбора оптических параметров ЖК можно увеличить контраст модулятора и расширить его угловой диапазон при высоком быстродействии. Продемонстрирована возможность использования металлических «щелевых» поляризаторов (wire-grid polarizers, WGP) в устройствах ИК и ТГц диапазона. Такие поляризаторы c нанопроволоками или ребрами шириной до 75 нм и шагом структуры около 100 нм обеспечивают равномерное пропускание в диапазоне длин волн от 300 нм до 4 мкм с высоким поляризационным контрастом. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: https://www.electronics.ru/journal/article/9499 https://ieeexplore.ieee.org/document/9839737 http://nano.ivanovo.ac.ru/journal/articles/6540article_2022_22_2_71-78.pdf https://link.springer.com/article/10.1134/S0030400X22070050 https://ren.tv/project/znaete-li-vy-chto/1037473-znaete-li-vy-chto-korroziia-metalla-23-10-2022 https://laseroptics.ru/images/2022/ConferenceProgram.pdf https://intels-conf.ru/wp-content/uploads/2022/12/Program_2022_2.pdf

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Фундаментальная задача проекта - исследование технологий повышения эффективности работы оптических устройств и систем передачи, обработки и отображения информации в видимом, ИК и ТГц диапазоне, в том числе и в сфере умных телекоммуникаций, за счет исследования перспективных материалов, совершенствования конструкции, цифровой и аналоговой обработки сигналов. Решение задачи приведет к увеличению характеристик систем: пропускная способность, динамический диапазон входного и выходного сигналов, расстояние передачи, быстродействие, и придаст им новые функциональные возможности. Выполнены расчеты конструкции и функционирования ряда оптоэлектронных устройств, прежде всего полупроводниковых оптических усилителей (ПОУ) и жидкокристаллических устройств отображения и обработки информации. Разработаны новые конструкции ПОУ с несколькими электродами и квантовыми точками (КТ) в его активной области. Моделирована гибридная конфигурация квантовой структуры активной области - конфигурации на основе структур с квантовыми ямами и КТ. Исследовано сочетание КТ с другими нанообъектами для усиления полезных свойств материалов и повышения эффективности устройства в целом. Исследованы и промоделированы характеристики и параметры традиционных и перспективных материалов КТ (CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, InP, Si, GaAs, PbS). Выполнен теоретический анализ физических процессов в модели оптоэлектронного устройства (ОЭУ), выполненного на основе структуры КТ в яме. Промоделирован энергетический спектр электрона в квантовой яме (КЯ), используя стационарное уравнение Шредингера, построены огибающие волновых функций электрона в КЯ, выполнены вейвлет-преобразования (ВП) на основе функции wtmm в MATLAB. Дальнейшее моделирование оптических свойств материалов расширенного спектра на сферических КТ под влиянием различных факторов, в том числе на основе уравнения для полной энергии КТ, учитывающего энергию запрещенной зоны между заполненным и свободным энергетическим уровнем, энергию удержания дырки и возбужденного электрона, а также связанную энергию экситона. Исследован широкий класс материалов КТ: (CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, InP, Si), среди которых: GaAs / AlGaAs (ядро/оболочка), CdSe/ZnS (ядро/оболочка), CdSe/ZnSe (ядро/оболочка), CdS/ZnS (ядро/оболочка), изучены их свойства и характеристики, включая оптические, применяя непрерывное и дискретное ВП. Разработано ПО распознавания свойств и характеристик материалов КТ. Оно основывается на трех подходах сравнения вейвлет-коэффициентов (непрерывное ВП (CWT) и компонентов сигнала (детализация и аппроксимация коэффициентов в дискретном ВП (DWT)): • Статистические характеристики (среднее значение, дисперсия, стандартное отклонение). Применяется для анализа вейвлет-коэффициента (CWT) и компонента сигнала (DWT). • Энергетический спектр. Исследует энергетический спектр и используется только для компонентов сигнала (DWT). • Стохастические характеристики (фрактальная размерность, индекс Херста, корреляционная размерность и размерность фазового пространства). В том числе функция wtmm (метода максимумов модулей коэффициентов) для описания свойств самоподобия, как инструмент фрактального и мультифрактального анализов. Это позволяет оценить хаотический характер вейвлет-коэффициентов (CWT) и составляющих сигнала (DWT). Для ПОУ и других ОЭ усилителей разработано математическое моделирование теоретических основ процесса восстановления усиления. Оно основывается на уравнении электронной плотности на единицу объема, включающее плотность тока смещения, эффективную толщину активного слоя, плотность КТ на единицу площади и др., направленное на поиск оптимального соотношения плотности КТ и эффективной толщины активного слоя. Исследована зависимость оптического коэффициента усиления от общей плотности носителей КТ, включающее такие характеристики, как коэффициент оптического уплотнения, дифференциальный коэффициент усиления, плотность носителей КТ и плотность носителей в прозрачном состоянии; это определяет влияние мощности оптической накачки и плотности тока смещения на коэффициент усиления оптического устройства, ускорение времени восстановления усиления, что влияет на производительность и другие характеристики устройств, в которых применяются квантовые структуры. Исследованы возможности различных видов анализа, в том числе и вейвлет, для изучения интенсивности излучения и других физических свойств ОЭУ, в том числе и ТГц диапазона, а также причин их изменения, связанных с дефектами поверхности структуры (2D вейвлет-анализ или наличие инородных химических элементов); это позволит проанализировать, распознать и диагностировать состояние ОЭ усилителя с учетом квантовой структуры. Разработаны материалы и конструкции ЖК модуляторов ИК и ТГц диапазона, в том числе для отображения и обработки 2D изображений. Представлены полимерно-диспергированные жидкие кристаллы (ПДЖК), применяемые для модуляции ТГц излучения. В ПДЖК системе с НЧ золота и других материалов достигнуто управление модуляцией ТГЦ излучения за короткое время. ПДЖК с НЧ или диэлектрической градиентной решеткой с субволновым периодом обеспечивает непрерывное изменение фазового сдвига от 0 до 1π вплоть до 0,8 - 2,5 ТГц при управляющем напряжении в несколько десятков вольт. Главным достоинством использования ПДЖК модуляторов в ТГц диапазоне по сравнению с обычными ЖК модуляторами без полимерных компонентов является большее быстродействие благодаря неоднородной структуре ЖК с фрагментами малого размера. В них переориентация ЖК и, соответственно, переключение света достигаются за меньшее время. Для органических материалов оптоэлектроники со сложной молекулярной структурой предложен метод определения вклада различных частей молекул материала на величину подвижности зарядов, с использованием модели диффузии на делокализованном поляроне. Молекулярные материалы могут поглощать и излучать свет в ближнем ИК и ТГц диапазоне спектра. Путем моделирования энергии молекулы в решетке, моделирующей систему, получено, что можно изменить подвижность носителей заряда в 50 раз. Метод может использоваться для разработки перспективных материалов для различных видов ОЭУ – фотовольтаических элементов, органических светодиодов и светотранзисторов, аккумуляторов и др., применяемых в видимом, ИК и ТГц диапазонах спектра. Для ряда материалов пленок прозрачных электродов, применяемых в устройствах управления излучением ближнего ИК или ТГц диапазона, выполнено компьютерное моделирование влияния параметров материала (плотность электронов, среднее время рассеяния электронов) на величину частоты, при которой диэлектрическая проницаемость материала становится близкой к нулю (так называемые ENZ материалы, а в нашей работе Ноль-Эпсилон (НЭ) материалы). https://conf.mipt.ru/conference/16203 https://conf.mipt.ru/conference/16199. https://elibrary.ru/item.asp?selid=54776722&id=54772815 https://elibrary.ru/item.asp?id=54772815&selid=54776722 https://www.mdpi.com/2673-4591/33/1/35