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.

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, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук, Московская обл

КонкурсКонкурс 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)

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