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 19-72-30003

НазваниеНовые материалы и технологии для создания современных систем безопасности и противодействия терроризму

РуководительКукушкин Игорь Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук, Московская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (33).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-202 - Полупроводники

Ключевые словатерагерцовые волны, спектроскопия неупругого рассеяния света, гигантское усиление рамановского рассеяния света, плазменные волны в низкоразмерных электронных системах

Код ГРНТИ29.19.22

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель проекта заключается в проведении фундаментально-научных исследований свойств новых полупроводниковых материалов, в разработке новых физических принципов детектирования электромагнитных волн терагерцового диапазона, в создании новых мета-материалов, позволяющих значительно усиливать оптические сигналы, и в развитии новых технологий для производства микроэлектронных структур. Исследования, проведенные нами в рамках проекта РНФ-19-72-3003, привели к созданию принципиально новых, современных систем безопасности, в которых используются терагерцовые волны, прозрачные для большинства материалов, а также рамановская спектроскопия, позволяющая однозначно детектировать природу обнаруженных веществ. Комбинация двух методов обнаружения и распознавания обеспечивает высокую степень контроля в системах безопасности, что необходимо для эффективной борьбы с терроризмом. Авторами проекта были разработаны и изготовлены первые в мире большие матрицы детекторов для быстродействующих систем радиовидения, работающих в субтерагерцовом диапазоне частот. Надо отметить, что эти матрицы детекторов были изготовлены на базе дорогостоящего материала – арсенида галлия, выращенного методом молекулярно-пучковой эпитаксии. В результате исследований, проведенных авторами проекта в рамках гранта РНФ-19-72-30003, было показано, что аналогичные матрицы детекторов (даже с лучшей чувствительностью) могут быть изготовлены на базе кремния, селективно легированного методом ионной имплантации. Переход от технологии арсенида галлия к кремниевой технологии позволяет удешевить технологический процесс и сделать его реализацию полностью российской без привлечения импортных технологий. Удешевление технологии изготовления матриц детекторов субтерагерцового излучения позволяет создавать матрицы очень большого размера и достигать пространственного разрешения вплоть до 1 мм. Кроме того, использование кремниевой технологии позволяет размещать систему считывания и усиления сигнала непосредственно в пикселе, что значительно улучшает отношение сигнал/шум и дополнительно удешевляет систему радиовидения. В качестве важных дополнительных и принципиально новых задач проекта, имеющих отношение к ТГц-технологиям, можно выделить задачу по возможности использования наших матриц детекторов для беспроводной зарядки аккумулятора (например, беспилотных аппаратов) при облучении объекта направленном ТГц-лучом, а также задачу по разработке нового вида плазмонного фазовращателя ТГц-излучения, необходимого для активных ФАР систем. Кроме того, для распознавания обнаруженных веществ мы развиваем метод неупругого рассеяния света с использованием систем гигантского усиления рамановского рассеяния света. Эти методы позволяют однозначно определять наркотические и взрывчатые вещества, а также яды и токсины, причем в ничтожных концентрациях этих опасных веществ. Дополнительно, в результате исследований, проведенных авторами проекта в рамках гранта РНФ-19-72-30003, было показано, что, используя аптамеры, удается значительно улучшить селективность метода и с помощью рамановского рассеяния света с гигантским усилением, можно надежно распознавать новые вирусы (включая все модификации вируса КОВИД-19) за самое короткое время. Новой задачей проекта будет разработка серийных приборов, позволяющих на оптимизированных SERS-структурах с использованием высокочувствительных и селективных аптамерных сенсоров, за 5 минут детектировать вирусы и белковые токсины (для вирусов гриппа и COVID-19). В качестве важных дополнительных и принципиально новых задач проекта, имеющих отношение к рамановским био-технологиям, можно выделить задачу о разработке компактного прибора для исследования рамановского рассеяния с гигантским усилением при использовании распространенного телекоммуникационного импульсного лазера с длиной волны излучения 1.55 микрона и регистрацией рассеянного света в антистоксовой компоненте спектра.

Ожидаемые результаты
В результате проведения запланированных исследований будут исследованы свойства новых полупроводниковых и металлических материалов, будут разработаны новые физические принципы детектирования электромагнитных волн терагерцового диапазона, будут созданы новые метаматериалы, позволяющие на много порядков усиливать оптические сигналы, будут развиты новые технологии для производства микроэлектронных структур. Развивая исследования, проведенные нами в рамках проекта РНФ-19-72-3003, мы планируем усовершенствовать и удешевить ранее разработанные и апробированные нами системы безопасности, в которых используются терагерцовые волны, прозрачные для большинства материалов, а также рамановская спектроскопия для однозначного детектирования природы обнаруженных веществ. Комбинация двух методов обнаружения и распознавания обеспечивает высокую степень контроля в системах безопасности, что необходимо для эффективной борьбы с терроризмом. Удешевление за счет перехода на кремниевую технологию изготовления матриц детекторов субтерагерцового излучения позволяет создавать матрицы очень большого размера и достигать пространственного разрешения вплоть до 1 мм. Отметим, что в мире полностью отсутствуют альтернативные команды, производящие большие матрицы детекторов субтерагерцового излучения. Дополнительно, используя оптимизированные аптамеры, можно значительно улучшить селективность метода и с помощью рамановского рассеяния света с гигантским усилением, что позволит надежно распознавать новые вирусы (включая все модификации вируса КОВИД-19) за самое короткое время (не более 5 минут). Хочется подчеркнуть, что самые большие коэффициенты усиления раманновского рассеяния достигаются именно в ИК-области спектра и уникальные SERS-усилители в этой области разработаны именно в нашей группе и практически отсутствуют в мире. Конкретные задачи по годам: 2023 год: 1. Исследовать свойства предложенного недавно нами нового плазмонного ТГц фазовращателя и их зависимость от температуры. Определить оптимальный материал и архитектуру полупроводниковой наноструктуры для достижения максимального угла поворота при комнатной температуре. 2. Разработать неинвазивный метод, основанный на сдвиге фазы прошедшей через кристалл ТГц волны, для измерения эффективной массы носителей заряда в различных двумерных электронных системах. Апробировать метод на различных полупроводниковых квантовых ямах в GaAs, AlAs и в InAs. Изучить возможность применения этого метода для измерения анизотропии эффективной массы. 3. Исследовать физические принципы и разработать метаматериальные решётчатые структуры на основе кремния для преобразования поляризации терагерцового излучения, например, для превращения линейной поляризации в циркулярную. 4. Исследовать эффективность разработанных нами кремниевых плазмонных детекторов ТГц излучения, а именно измерить коэффициент преобразования световой мощности в электрическую. Изучить возможность беспроводной зарядки аккумулятора (например, беспилотных аппаратов) при облучении объекта направленном ТГц-лучом. 5. Изучить микроволновый отклика в Si/SiGe гетероструктурах, содержащих высокоподвижную электронную систему с целью первого наблюдения . индуцированных микроволновым излучением осцилляций магнитосопротивления. 6. Провести сравнительный анализ свойств детекторов, изготовленных на основе кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов, при понижении температуры вплоть до температуры жидкого гелия, что должно более чем на порядок улучшить ключевые характеристики детекторов. 7. Исследовать соотношение интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент спектра рамановского рассеяния света с гигантским поверхностным усилением при мощном импульсном лазерном возбуждении с длиной волны 1064 нм. Изучить механизм вынужденного рамановского рассеяния и его эффективность в зависимости от концентрации аналита и от коэффициента усиления SERS-подложки. 8. Исследовать влияние металлического покрытия SERS-структур в ИК-области путем использования различных металлов (золото, серебро, медь и другие металлы), а также комбинации металлов при многослойном металлическом покрытии. 2024 год: 1. Исследовать свойства многослойных плазмонных ТГц фазовращателей с целью мультипликативного суммирования сдвига фазы излучения. Разработать элемент ТГц фазовращателя с непрерывной перестройкой фазы излучения в пределах 0 - 360 градусов с помощью электронного управления. 2. Исследовать свойства нового типа магнитных плазменных возбуждений — собственных мод системы, у которых переменное магнитное поле значительно превышает электрическое. Изучить физическую природу затухания магнитных плазменных возбуждений, включая радиационный канал. 3. Разработать прототипы пластин на основе метаматериалов с ассиметричным пропусканием электромагнитного излучения, представляющие собой многослоевую структуру из металлических и диэлектрических слоев. Структуры с такими физическими свойствами имеют большой потенциал применения в качестве изолирующих элементов и модификаторов сигнала в ТГц-системах. 4. Изучить микроволновый отклик высококачественных ZnO/MgZnO квантовых ям при ультранизких температурах (вплоть до 30 мК). При понижении температуры в микроволновом отклике таких структур должны наблюдаться индуцированные микроволновым излучением состояния с нулевым сопротивлением. 5. Исследовать быстродействие разработанных кремниевых плазмонных детекторов ТГц излучения и его зависимость от температуры. 6. Исследовать сверхтекучесть в экситон-поляритонной системе со спонтанным нарушением спиновой симметрии в условиях резонансного фотовозбуждения. Изучить механизмы перехода неравновесного конденсата между сверхтекучим и хаотическим состояниями. 7. Исследовать эффект гигантского усиления рамановского рассеяния в ИК- области, а именно при возбуждении на длине волны 1.55 микрона, когда лазерное излучение является безопасным для глаз, поскольку поглощается роговицей глаза и хрусталиком. Изучить соотношение интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент рассеяния света на этой длине волны. 8. На оптимизированных SERS-структурах разработать высокочувствительные и селективные аптамерные сенсоры, позволяющие за 5 минут детектировать вирусы и белковые токсины (для вирусов гриппа и COVID-19). 9. Разработать технологию изготовления больших кремниевых многопиксельных матриц детекторов, позволяющих получать изображения объектов с высоким разрешением (около 3 мм) и при этом, имеющих стоимость в разы меньше, чем матрицы, изготовленные на базе арсенида галлия. 2025 год: 1. Исследовать свойства терагерцового спектрального отклика и усиления локального электрического поля в двухслойных и многослойных металлических решётках, нанесенных на диэлектрическую подложку с целью обнаружение мод с высокой добротностью. 2. Исследовать свойства электромагнитных плазменных волн в системе двумерных электронов с различным диэлектрическим окружением и с задним затвором с различной проводимостью. Изучить влияние диэлектрического окружения на силу связи (частоту Раби) между фотонными резонансами Фабри-Перо и плазменными возбуждениями. 3. Разработать и исследовать возможность использования плазмонных решеток для ответвления из планарного волновода суб-ТГц излучения с заданной эллиптической поляризацией. 4. Разработать анализатор газовых смесей на основе высокодобротного резонатора, работающего в суб-ТГц частотной области, который по уникальному набору узких линий поглощения излучения позволит судить о составе газовой смеси. 5. Разработать компактный прибор для исследования рамановского рассеяния с гигантским усилением при использовании импульсного лазера с длиной волны излучения 1.55 микрона и регистрацией рассеянного света в антистоксовой компоненте спектра. 6. Исследовать возможность создания новых видов быстрых SERS-сенсоров на основе ДНК-зондов, альтернативных аптамерам и сравнить чувствительность, а также селективность этих двух подходов при детектировании ботулотоксина — одного из наиболее сильных природных ядов. 7. Разработать кремниевую технологию, позволяющую размещать операционные усилители и систему считывания сигнала непосредственно в детекторные пиксели, что позволит значительно упростить изготовление всей системы и обеспечит значительное улучшение отношения сигнал/шум.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Успешно разработан и апробирован неинвазивный интерференционный метод для измерения эффективной массы носителей заряда в различных двумерных электронных системах. Метод основывался на измерении фазы прошедшей через ДЭС электромагнитной волны. Для экспериментального определения фазового сдвига использовался интерферометр Маха-Цендера. В качестве источника излучения в диапазоне частот 50-500 ГГц использовался набор ламп обратной волны. Показано, что величина фазового сдвига может быть однозначно пересчитана в соответствующую эффективную массу двумерных электронов. Предложенная интерферометрическая методика была апробована на двух различных полупроводниковых материалах, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Экспериментально полученные новой методикой значения эффективной массы оказались в хорошем согласии с известными в литературе значениями. 2. Проведены аналитический расчет и экспериментальное исследование плазмонных метаматериальных структур для преобразования излучения терагерцового и субтерагерцового диапазона. В частности, были исследованы структуры в виде стопки диэлектрических слоёв, на каждом из которых имелась металлическая структура в виде квадратной сетки субволнового размера. Целью исследования структур такого типа является создание метаматериалов, проявляющих в некотором диапазоне частот «сверхдисперсионные свойства», т. е. экстремально сильную зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Была исследована диэлектрическая проницаемость таких метаматериалов в зависимости от частоты электромагнитного излучения и геометрических параметров материала, таких, как толщина и количество слоёв, ширина и период металлических полос, образующих сетку. 3. Исследована добротность резонаторной моды Фабри-Перо в метаматериале с металлическими решетками и обнаружен очень высокодобротный резонанс, который можно наблюдать в терагерцовом диапазоне частот. Эксперимент проводился на кремниевом чипе с металлическими решетками одинакового периода, изготовленными литографически с обеих сторон подложки. Было установлено, что режим сверхрезонатора возникает из-за интерференции волноводных мод Фабри–Перо и подложки. В результате в терагерцовой области частот удается достигать добротность резонанса вплоть до 880. Представлены возможные применения эффекта гигантского поверхностного усиления амплитуды электромагнитного поля в субтерагерцовой области частот для повышения чувствительности детекторов в этой области. 4. В последнее время активное развитие получило еще одно перспективное направление – беспроводная передача энергии электромагнитным излучением субтерагерцового частотного диапазона. При этом чувствительный элемент используется для выпрямления осциллирующего поля падающей волны в постоянное напряжение, которое можно использовать, например, для зарядки аккумуляторов. Наши измерения на частоте 25.6 ГГц показали, что для некоторых кремниевых структур с плазмонными детекторами коэффициент преобразования СВЧ мощности в DC-мощность может составлять 10%. При этом, фото-ЭДС, возникающая на детекторе при СВЧ-облучении в линейном режиме, может достигать значений 200 В/Вт при внутреннем сопротивлении детектора преобразователя ~ 2 кОм. Как показали наши измерения, максимум эффективности преобразования СВЧ-DC наблюдается при плотности СВЧ-мощности 40мВт/см2. Установленные характеристики нашего СВЧ-DC преобразователя отвечают мировому уровню. 5. Исследован микроволновый отклик легированных Si/SiGe квантовых ям. Показано, что в таких системах в области малых полей и при низких температурах отклик соответствует возбуждению в системе магнитоплазменных возбуждений. При этом никаких осцилляций сопротивления, индуцированных микроволновым излучением, обнаружено не было. В рамках данного проекта изучался отклик нелегированных Si/SiGe структур, конечная плотность двумерных электронов в которых создавалась путем приложения напряжения к верхнему затвору. 6. Исследованы температурные свойства детекторов, изготовленных на основе арсенида галлия и кремния. Показано, что чувствительность GaAs-детектора увеличивалась более, чем на четыре порядка при понижении температуры с комнатной до температуры жидкого гелия. Детектор на основе кремния также значительно улучшал свои характеристики (более чем на порядок) при охлаждении до температуры жидкого азота, однако дальнейшее понижение температуры не приводило к столь значительным улучшениям характеристик. Данный факт, вероятно, связан с более слабым ростом параметра подвижности при охлаждении кремниевого детектора. 7. В плазмон-диэлектрических структурах, оптимизированных для получения гигантского усиления рамановского рассеяния света в ИК-области спектра (для лазера 1064 нм коэффициент SERS-усиления составляет 10^8), исследованы зависимости интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент спектра рассеяния от мощности импульсной накачки. Обнаружено, что интенсивность антистоксового канала рассеяния растет сверхлинейно с мощностью возбуждения, а после некоторого значения мощности начинает расти пороговым образом. Показано, что значение пороговой мощности зависит от коэффициента SERS-усиления. Установлено, что порог стимулированного антистоксового рассеяния достигается лишь при значениях SERS-усиления, превышающих 10^7. Показано, что при превышении пороговой мощности перестает выполняться соотношение между интенсивностями антистоксовых и стоксовых линий, которое экспоненциально зависит от рамановского сдвига. В то же время, в структурах со значениями коэффициента усиления меньшими, чем 10^6, при повышении мощности наблюдается простой разогрев системы, при котором соотношение интенсивностей линий в стоксовой и антистоксовой компонентах отвечают экспоненциальной зависимости, учитывающий рамановский сдвиг линий. 8. В периодических плазмон-диэлектрических структурах, в которых наблюдается усиление интенсивности неупругого рассеяния света более, чем на восемь порядков, исследованы зависимости коэффициента усиления рамановского сигнала от толщины металлического покрытия. Обнаружено, что при изменении толщины металлической пленки в диапазоне от 5 нм до 100 нм наблюдаются сильные осцилляции коэффициента усиления, амплитуда которых достигает 30 раз. Исследовано как изменяются осцилляций гигантского усиления интенсивности рамановского рассеяния света в зависимости от типа используемого металлического покрытия (серебро, золото, алюминий). Обнаруженные осцилляции объясняются в терминах резонансного образования стоячих плазменных волн в металлических пленках на полупериоде диэлектрической структуры, при этом важным фактором является то, что скорость плазменных волн зависит от толщины металлической пленки. 9. С целью быстрого и чувствительного детектирования ботулинического токсина типа А разработаны и исследованы свойства SERS-структур с оптимизированной концентрацией меченых аптамеров, иммобилизованных на поверхности структуры. Ботулинический токсин (BoNT), продуцируемый Clostridium botulinum, является одним из самых опасных биологических агентов. Наряду с сибирской язвой, чумой, туляремией и вирусными геморрагическими лихорадками он отнесен к категории А Центром по контролю и профилактике заболеваний США. LD50 ботулотоксина при попадании в организм составляет: 10-13 нг/кг ингаляционно, 1,3-2,1 нг/кг внутривенно и 1 мг/кг перорально. Эти данные получены для двух самых распространенных типов токсина А и В (BoNT A и BoNT В). По некоторым данным 1 грамм диспергированного BoNT в виде аэрозоля может убить до 1 миллиона людей в густонаселенной местности. Ввиду того, что он относительно легко может быть получен кустарным способом, BoNT является привлекательным в качестве оружия массового поражения при осуществлении актов биотерроризма. Показано, что разработанная технология позволяет детектировать ботулинический токсин типа А с пределом обнаружения 2,4 нг/мл за 1 час.

 

Публикации

1. А. Ю. Субекин, Т. Е. Пылаев, В. И. Кукушкин, Е. В. Рудакова, Б. Н. Хлебцов Изучение оптических свойств ассемблированных наночастиц серебра и золота с целью создания ГКР-сенсоров Известия РАН, Серия физическая, - (год публикации - 2024)

2. А.В. Щепетильников, А.Р. Хисамеева, Я.В. Федотова, А.А. Дрёмин, И.В. Кукушкин Эффективность преобразования энергии электромагнитной волны субтерагерцового диапазона кремниевым детектором Известия РАН, Серия физическая, - (год публикации - 2024)

3. Гусихин П.А., Джикирба К.Р., Астраханцева А.С., Кукушкин И.В., Муравьев В.М. Discovery of high-Q Fabry–Pérot supercavity modes Appl. Phys. Lett., 123, 191702 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0169893

4. Джикирба К.Р., Шуваев А., Худайбердиев, Кукушкин И.В., Муравьев В.М. Demonstration of the plasmonic THz phase shifter at room temperature Appl. Phys. Lett., 123, 052104 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0160612

5. Зарезин А.М., Гусихин П. А., Заболотных А.А., Астаханцева А.С., Кукушкин И. В. , Муравьев В. М. Laterally screened two-dimensional plasma excitations in a disk-shaped two-dimensional electron system PHYSICAL REVIEW B, 108, 115419 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.115419

6. Казаков А. С., Гусихин П. А., Андреев И. В. , Муравьев В. М., Кукушкин И. В. Фазовращатель W-диапазона на основе метаповерхности со встроенными pin-диодами Известия РАН, Серия физическая, - (год публикации - 2024)

7. Муравьев В.М., Щепетильников А.В., Джикирба К.Р., Кукушкин И.В., Шот Р., Чех Е., Вегшайдер В., Шуваев А. Interferometric Method for Direct Measurement of the Effective Mass in Two-Dimensional Systems PHYSICAL REVIEW APPLIED, 19, 024039 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.024039

8. Субекин А., Алиева Р., Кукушкин В., Олейников И., Завьялова Е. Rapid SERS Detection of Botulinum Neurotoxin Type A Nanomaterials, 13, 2531 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13182531