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 19-79-30086

НазваниеБыстропротекающие электровзрывные, электронные и электромагнитные процессы в импульсной электронике и оптоэлектронике

РуководительМесяц Геннадий Андреевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

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 09 - Инженерные науки, 09-301 - Электрофизика, электрофизические системы

Ключевые словаИмпульсная электроника, электрический взрыв, разряд, рентгеновское излучение, оптоэлектроника, гетероструктуры, ИК-детекторы, лазеры, суб-фемтосекундные электронные импульсы, наноантенны

Код ГРНТИ29.35.37

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на создание научного-технологического задела в области фундаментальных и прикладных исследований быстропротекающих электровзрывных, электронных и электромагнитных процессов в газовых, конденсированных, нано- и микро-структурированных средах и решение на этой основе широкого комплекса актуальных задач импульсной вакуумной и плазменной электроники, полупроводниковой оптоэлектроники и смежных задач оптики, спектроскопии, лазерной физики и физики плазмы. Будет создан уникальный экспериментальный комплекс на основе трех мощных электрогенераторов и источника рентгеновского излучения для проведения передовых исследований процессов инициирования и развития электровзрыва тонких металлических проволочек и фольг. Методом импульсного нагрева током большой плотности будут впервые получены отсутствующие в литературе данные об электрофизических и теплофизических свойствах сверхтугоплавких металлов (Gd и Hf) и соединений ZrB2 и HfB2, широко востребованных в ядерной энергетике и в ракетно-космической технике. Актуальность решения этих задач определяется большой научной значимостью получения фундаментальных данных о природе и структуре вещества в условиях высокого локального энерговыделения. Большое внимание в проекте будет уделено разработке компактных и транспортируемых источников излучения жесткого и мягкого рентгеновского, ВУФ-, и УФ-диапазонов спектра. Будут продолжены исследования процесса генерации высокояркостного узконаправленного коротковолнового когерентного излучения в предпробойной стадии сильноточного разряда по поверхности феррита. Для выяснения возможности управления его свойствами будет установлено влияние формы и размера ферритовых образцов и характеристик возбуждающего импульса напряжения на энергетику и спектральный состав излучения. Новое направление работ связано с исследованиями в области трибогенерации электричества в системах нано и субмикронных частиц. Это одно из наиболее актуальных в настоящее время направлений в области физики наносистем. Целью исследований является создание действующего прототипа трибогенератора. Ожидается, что полученные в проекте результаты позволят создать наглядную физическую картину процессов, лежащих в основе явления трибогенерации электричества в ряде микро- и нано-систем и откроют новые возможности для практического использования этого явления. Оригинальный физический подход и компьютерные программы будут разработаны в проекте при исследовании процессов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с наноантеннами. Это позволит объяснить и количественно описать новые физические явления, происходящие не только в туннельном, но и в переходном и многофотонном режимах фотоэмиссии электронов. Решение этой задачи создаст существенный научный задел в передовой и быстро развивающейся области сверхбыстрой (петагерцовой) вакуумной электроники. В области полупроводниковой оптоэлектроники основной акцент будет сделан на разработке новых принципов функционирования и создании отечественных компонент для лазеров ближнего и среднего ИК диапазонов. Будет решен комплекс задач, связанных с изучением оптических свойств квантоворазмерных гетероструктур, включая квантовые ямы и сверхрешетки на основе материалов А3В5. Будут также проведены исследования тройных соединений А2В6, легированных ионами Fe и Cr для создания на их основе ИК лазеров с широким диапазоном перестройки рабочей длины волны. Высокая значимость результатов этой части проекта определяется необходимостью развития отечественных технологий в области лазеров ближнего и среднего ИК диапазонов. Разрабатываемые в проекте компоненты для малогабаритных лазерных систем с низким энергопотреблением широко востребованы в таких областях как оптоволоконная связь и связь в открытом пространстве, медицина, противодействие терроризму, экомониторинг, подсветка военных целей, противодействие тепловым головкам наведения ракет и др.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что результаты проекта внесут весомый вклад в современную электрофизику, импульсную сильноточную электронику и полупроводниковую оптоэлектронику и в ряд смежных направлений оптики и спектроскопии и физики плазмы. Наиболее важные результаты, которые будут получены в ходе выполнения проекта, могут быть сформулированы следующим образом: В области физики электровзрывных и электроразрядных явлений будет создан научно-технологический задел для создания компактных субмикронных источников рентгеновского излучения для проведения физических и биологических исследований на основе Х-пинчей на установке ЛИНГ. В ходе выполнения проекта будут установлены основные закономерности, связывающие характеристики рентгеновского излучения с физическими характеристиками Х-пинчей и получены следующие результаты: -- определен спектральный состав рентгеновского излучения стандартных и гибридных Х-пинчей на установке ЛИНГ в зависимости от типа нагрузки (металлические проволочки, фольги гибридные Х-пинчи) и скоростей нарастания тока; -- установлены зависимости энергетического выхода излучения от атомного номера вещества материала проволочки и его массы; (iii) определены пороги генерации излучения в режимах интенсивной эмиссии мягкого и жесткого рентгеновского излучения; Будут также разработаны новые экспериментальные схемы и создан единый комплекс для рентгеновского зондирования электровзрыва проволочек, который позволит получать детальную информацию о пространственно-временной картине этого процесса. Будут, в частности, разработаны 2 – 4-кадровые схемы рентгеновского зондирования на основе параллельного или последовательного включения стандартных или гибридных Х-пинчей на установках БИН, КИНГ и ЛИНГ. Это позволит выбрать оптимальные схемы установок для исследования электровзрыва проводников. Будет создан генератор ГВП-2 с током разряда до 10 кА с возможностью искусственного прерывания тока и изменяемой формой импульса тока. Будут соединены в единую систему и синхронизованы установки ЛИНГ, КИНГ и ГВП-2. Будут проведены исследования взрыва проволочек в вакууме и воздухе с помощью многокадрового лазерного зондирования на двух длинах волн и получена исчерпывающая информация о пространственно-временной картине процесса электровзрыва. Научная значимость этих ожидаемых результатов определяется новыми возможностями разрабатываемой установки: использование зондирования на двух длинах волн позволит нам обнаружить эффект сильного рассеяния лазерного излучения на продуктах взрыва (по аналогии с результатами [1-2]). Таким образом, будет создан эффективный инструмент изучения дезинтеграции вещества при электрическом взрыве. Будут разработаны новые методы управления электровзрывом фольг и его стабилизации. Будет предложен и экспериментально верифицирован новый подход к такому управлению – возможность влиять на параметры электровзрыва посредством создания на поверхности фольг искусственных структур с использованием лазерного гравирования рельефа. Ожидается, что таким способом удастся ослабить влияние возникновения неустойчивостей в формировании структуры разрядного канала. Эти результаты станут логичным продолжением выполнения Проекта 2019, по результатам выполнения которого было показано, что нанесение на поверхность фольги искусственного рельефа позволяет при определенных условиях подавлять некоторые неустойчивости [3]. Будут предложены и разработаны эффективные способы использования ВУФ-излучения, возникающего при взрыве фольг в различных токовых режимах, для зондирования плазмы с низкой плотностью (Ne < 10^{19} см^{-3}) и температурой 10 – 100 эВ («тёплая» плазма). Новизна и значимость этого ожидаемого результата связана с тем, что впервые появится возможность диагностировать плазму с параметрами, недоступными для диагностики другими методами. В целом научная и практическая значимость запланированных исследований в этой части проекта обусловлена прежде всего созданием мощных источников экстремального ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения [4-7] на основе Х-пинчей и взрывающихся проволочек и фольг. Такие источники имеют важное прикладное значение в областях радиографии и абсорбционной спектроскопии веществ с высокой плотностью энергии. В области физики взаимодействия мощного лазерного излучения со структурированной сильноионизованной плазмой планируется получение следующих результатов: Будут сгенерированы токовые каналы сильноионизованной плазмы в коротких разрядных промежутках, наполненных сухим воздухом при атмосферном давлении, а также определены временные диапазоны, в течение которых в микромасштабах каналов формируется сложная внутренняя структура [8–10]. С использованием второстепенного маломощного лазерного излучения будут реализованы техники диагностики параметров плазмы и её структуры на основе лазерной теневой съёмки и интерферометрии субнаносекундного микронного разрешения. Будут получены данные о параметрах структурированной плазмы непосредственно перед моментом воздействия на неё мощным сфокусированным лазерным излучением, а также в момент и после воздействия излучением. Для реализации соответствующих задач проекта будет разработан уникальный экспериментально-диагностический комплекс, сочетающий в себе два пикосекундных лазера с точностью привязки оптических каналов порядка 30 пс. Лазеры будут синхронизованы с высоковольтным оборудованием с точностью не хуже 1 нс с использованием настраиваемых разрядников с лазерным поджигом [11] и обеспечат суммарную энергию излучения до 150 мДж на основных гармониках (532 нм и 1064 нм) с дополнительной возможностью варьирования длины волны в канале параметрики (от 457 нм до 700 нм) при энергии излучения до 3 мДж. Создание такого комплекса откроет новые возможности прецизионной синхронизации – многоракурсного/многокадрового лазерного зондирования на разных длинах волн при одновременном воздействии мощным лазерным излучением на плазменный объект со сложной структурой. При помощи данного комплекса будут получены новые знания об особенностях взаимодействия мощного лазерного излучения со структурированной сильноионизованной плазмой. Будут определены характеристики излучения и разрядной среды, необходимые для подавления или стимулирования формирования структуры в плазме, а также изучено влияние самой структурированной плазмы на параметры прошедшего мощного лазерного излучения [12]. Результаты проекта поспособствуют разработке новых подходов к лазерному управлению структурой сильноионизованной плазмы газового разряда, включая управление характеристиками прошедшего мощного лазерного излучения посредством взаимодействия со структурированной плазмой. Будут установлены основные закономерности, определяющие параметры коротковолнового узконаправленного когерентного излучения генерируемого в предпробойной стадии сильноточного разряда по поверхности феррита [13-15]. Такое излучение было открыто при выполнении Проекта 2019, что определяет пионерский характер проводимых исследований в этой области. Будут разработаны спектрометры с дифракционной решёткой (для излучения с энергиями квантов от 6 эВ до 1 кэВ) и кристаллами (для излучения с энергиями квантов от 1 кэВ до 8кэВ) и проведены прецизионные измерения. Будут получены следующие конкретные результаты: измерены спектры когерентного излучения генерируемого в предпробойной стадии сильноточного разряда по поверхности феррита в широком диапазоне энергий квантов от 8 эВ до 8 кэВ. Установлены зависимости диаграмм направленности, спектрального состава и энергетических характеристик этого излучения от формы и размеров ферритового образца, а также параметров импульса напряжения (длительность, скорость роста, амплитуда). Установленные закономерности позволят предложить способы управления свойствами исследуемого излучения. По итогам выполнения проекта будет создан макет модернизированного малогабаритного высокояркостного генератора когерентного излучения в области экстремального ультрафиолета и мягкого (6 эВ < hν < 8 кэВ) рентгеновского диапазона с управляемыми спектральными и энергетическими характеристиками. Научная значимость и масштабность ожидаемых результатов в области изучения коротковолнового узконаправленного когерентного излучения генерируемого в предпробойной стадии сильноточного разряда по поверхности феррита определяется перспективами применения этого эффекта для создания компактного источника когерентного излучения в области экстремального ультрафиолета и мягкого рентгеновского диапазона с управляемыми спектральными и энергетическими характеристиками. В настоящее время источниками подобного типа излучения являются синхротроны и лазеры на свободных электронах, представляющие собой достаточно громоздкие установки. Создание малогабаритного высокояркостного дешевого источника коротковолнового узконаправленного когерентного излучения востребовано в сфере разработок широкого круга высокотехнологической продукции. В области физики передачи электронных возбуждений в сцинтилляторах на основе широкозонных материалов, возникающих под действием ионизирующего излучения, планируется исследование предложенных в наших работах [15,16] механизмов потери эффективности современных наноструктурированных сцинтилляторов, происходящей из-за передачи электронного возбуждения, возникшего от регистрируемого ионизирующего излучения к атомам и молекулам окружающего газа. Планируется разработка методов анализа плотностей потоков предаваемой таким образом энергии и определение главных факторов, отвечающих за величину указанных потерь и разработка способов их уменьшения путем направленной модификации состава и структуры сцинтилляторов. Будут получены следующие конкретные результаты: детально измерены и проанализированы спектральные и временные характеристики излучения атомов и молекул различных газов (Xe, Ar, N2, CO2 и др.), окружающих образцы широкозонных материалов разных типов (Sc2SiO5, BaF2 и др.). Будут сформулированы общие закономерности процесса и предложены механизмы передачи электронных возбуждений от материалов к атомам и молекулам газа в зависимости от спектральных свойств последних. Научная значимость ожидаемых результатов состоит в важности разработки новых типов эффективных высокочувствительных, сцинтилляторов для которых уменьшение потерь эффективности является критически важным [18,19]. Будут определены основные характеристики и установлены механизмы нелинейности сцинтилляции ряда широкозонных материалов класса фторидов и оксиортосилликатов. Будут получены следующие конкретные результаты: будет определена погрешность разработанного рамках выполнения Проекта 2019 метода измерения нелинейности сцинтилляции путем измерения зависимости параметров импульсной катодолюминесценции (ИКЛ) образцов от энергетических параметров возбуждающего электронного пучка [20]. Будет создан и откалиброван измерительный комплекс, который впервые позволит проводить регулярные измерения нелинейности сцинтилляции одновременно методами ИКЛ и фотолюминесценции. Будут впервые определены зависимости выхода сцинтилляции от объемной плотности электронных возбуждений ряда широкозонных (ширина запрещенной зоны более 7 эВ) сцинтилляторов ряда оксидов и фторидов. В частности, будут установлены зависимости кинетических параметров сцинтилляции (времени высвечивания и общего вида зависимости интенсивности излучения от времени) от плотности электронных возбуждений, энергии возбуждающего пучка электронов и др. Научная значимость ожидаемых результатов этой части предлагаемого проекта определяется потребностью в улучшении точности сцинтилляционных детекторов при измерении мощных потоков ионизирующего излучения, испускаемых современными синхротронами, лазерами на свободных электронах, ядерными взрывами и др [21-24]. Ожидаемые результаты по установлению закономерностей нелинейности сцинтилляции оказываются важны также для улучшения амплитудного разрешения и чувствительности сцинтилляционных детекторов и при измерении слабых потоков ионизирующего излучения для целей ядерной спектрометрии, регистрации опасных веществ, систем компьютерной томографии тела человека и др. [25-28]. В части проекта, посвященной исследованию теплофизических и электрофизических свойств тугоплавких веществ при быстром импульсном нагреве электрическим током большой плотности, на новом этапе проекта 2023-2025 будут проведены исследования гадолиния, гафния (металлы атомной энергетики) и двух типов тугоплавких диборидов (соединений, привлекаемых в ракетно-космической технике для создания тепловой защиты). При этом ожидается получение следующих новых результатов. Нами будут впервые получены экспериментальные данные для электросопротивления жидкого гадолиния Gd в условиях ограничения его теплового расширения в зависимости от удельной введенной энергии. Значимость ожидаемых при этом результатов состоит в том, что в ходе запланированных экспериментов будут получены данные о его свойствах не только при высоких температурах, но и при высоком давлении. Такие данные в литературе отсутствуют, несмотря на то, что гадолиний [29] - металл атомной энергетики (имеет максимальный коэффициент поглощения тепловых нейтронов). Аналогичные экспериментальные исследования при высоком давлении будут проведены и для другого жидкого металла – гафния. Научная и практическая значимость такого рода экспериментов состоит в том, что будут сопоставлены оба металла (жидкий гадолиний и жидкий гафний) в плане установления причины роста сопротивления для большинства металлов под давлением. Ожидается, что на основе этих экспериментов нами будет определена ключевая роль расширения в увеличении электросопротивления жидких металлов. Задача Проекта 2023 – проверить: выполняется ли для металлов (Gd и Hf) та же картина – постоянство электросопротивления при ограничении расширения жидких металлов, которая имеет место для жидкого углерода [30] и ряда металлов. Результаты экспериментов, полученные в ходе выполнения проекта позволят выяснить физические причины роста электросопротивления проводников при вводе энергии: за счет объемного расширения или за счет роста температуры. Наряду с этим в проекте 2023 будут измерены свойства тугоплавкого диборида циркония ZrB2 и диборида гафния HfB2 и будут впервые получены их физические свойства (теплоемкость, удельная введенная энергия и электросопротивление) в зависимости от температуры до 5000 К, а также теплота плавления и температура плавления. Будет также исследовано их электросопротивление (отнесенное к исходным размерам образца) в условиях ограничения расширения, то есть при высоком давлении. Научная значимость этих исследований состоит в том, что эти тугоплавкие материалы ранее вообще не исследовались методом быстрого импульсного нагрева электрическим током при высоких температурах, так и в условиях высоких импульсных давлений. Практическая значимость исследования свойств диборидов [31] при высоких температурах определяется использованием именно этих соединений в создании надежной тепловой защиты в ракетно-космической промышленности (для РОСКОСМОСа особенно привлекателен диборид циркония, который, на сегодняшний день, является самым легким тугоплавким защитным покрытием). На настоящий момент свойства указанных диборидов в жидком состоянии при высоких температурах (до 5000 К) – отсутствуют в литературе. Результаты наших исследований соответствуют мировому уровню исследований, а их практическое использование возможно как в РОСАТОМе, так и в РОСКОСМОСе. В области фемтоэлектроники будет получена формула, разработана процедура вычисления и создана программная библиотека для расчета локальных скоростей фотоэмиссии с элемента поверхности наноантенны, на которую воздействует сильный короткий лазерный импульс. Процедура должна описывать скорости фотоэмиссии не только в туннельном режиме, т.е. при значениях локального параметра Келдыша [32], g << 1, но и в переходном, g ~ 1, и многофотонном, g >> 1, режимах. Для проведения конкретных расчетов в качестве входных данных будет использована информация о локальных зависимостях электрического поля от времени, которые могут быть рассчитаны путем численного интегрирования уравнений Максвелла стандартными методами. Разработанный подход будет учитывать множество факторов, специфических для процесса многофотонной фотоэмиссии наноструктур, в том числе, влияние локального усиления поля, его пространственной неоднородности, сдвигов фазы импульса, связанных с плазмонными колебаниями элементов наноантенны и других факторов. Созданный программный код будет включен в разработанные при выполнении Проекта 2019 программы для квазиклассического моделирования процессов взаимодействия наноструктур с сильными короткими лазерными импульсами. Надежность общего разработанного подхода будет апробирована путем сравнения как с точными одномерными и трехмерными квантовыми расчетами, так и с имеющимися экспериментальными данными [33, 34]. Наряду с этим будут разработаны подходы и созданы программы и проведены гибридные электродинамические и квантовомеханические расчеты взаимодействия с коротким лазерным импульсом модельных наноантенн, пониженной размерности (одномерных и двумерных), а также трехмерных моделей сферически и аксиально симметричных наноантенн. Это позволит получить точные данные по зависимостям локальных скоростей фотоэмиссии с элемента поверхности наноантенны от локальных значений электрических полей. Эти данные будут использованы для апробации и уточнения описанной выше процедуры вычисления скоростей фотоэмиссии. По результатам этих квантовых расчетов будет также установлено влияние квантовой природы электронов на характеристики процесса лазерно-стимулированной многофотонной фотоэмиссии. Научная значимость ожидаемых результатов связана с тем, что квазиклассический подход в настоящее время оказывается основным способом проведения компьютерного моделирования взаимодействия сильных ультракоротких лазерных импульсов с наноструктурами. В настоящее время в рамках такого подхода расчеты локальных скоростей фотоэмиссии с элемента поверхности наноантенны осуществляются с помощью формулы Фаулера-Нордхейма (см. обзоры [35, 36]). Данное приближение применимо только в условиях, когда основной вклад в процесс вносит туннельный режим фотоэмиссии g << 1, что оправдано для случая наноантенны достаточно простой формы (острие, сфера) и при достаточно больших интенсивностях лазерного импульса [34, 35]. Однако, если форма наноантенны оказывается более сложной, то эмиссия со значительно больших по площади участков поверхности наноантенны, для которых режим фотоэмиссии носит переходный (или даже многофотонный) характер, могут вносить не меньший вклад, чем туннельная эмиссия с локальных участков поверхности. Таким образом, для правильного квазиклассического описания многофотонной эмиссии таких наноантенн необходимо разработать надежные способы вычисления скоростей фотоэмиссии не только в туннельном режиме (g << 1), но и в переходном (g ~ 1) и многофотонном (g >> 1) режимах. Помимо описанных выше аргументов, научная значимость разработки нового более универсального способа расчета локальных скоростей фотоэмиссии подтверждается появившимися за последние годы в ведущих мировых журналах работ по неадиабатическому туннелированию электронов в наноконтактах [33, 37] и при фотоэмиссии металлических наноантенн [34]. Эти работы указывают на то, что многие новые важные эффекты реализуются как раз в переходном и многофотонном режимах фотоэмиссии. Данные работы лежат в русле масштабного научного направления, в настоящее время активно развивающегося за рубежом и связанного с разработкой устройств сверхбыстрой (петагерцовой) вакуумной электроники (так называемой “lightwave electronics”) [36, 38, 39]. Таким образом, получение указанных ожидаемых результатов выполнения Проекта 2023 поможет в формировании в РФ научного задела в этой важной области науки и высоких технологий. В части проекта, посвященной изучению динамики и кинетики заселения возбужденных уровней и релаксации энергии электронов в плазме смесей инертных газов будут впервые рассчитаны нижние десять электронных термов, силы осцилляторов перехода между ними и спектры поглощения слабосвязанных (энергия диссоциации порядка 10 мэВ) и умеренно связанных (энергия диссоциации порядка 100 мэВ) гетероядерных ионов, представленных в активных средах плазменных источников излучения УФ и ВУФ диапазонов. Для ионов, содержащих ксенон и криптон, будет продемонстрировано влияние эффектов сильных спин-орбитального и спин-спинового взаимодействий на эффективность радиационных переходов и их спектральный состав. Будут впервые разработаны теоретические подходы к описанию процессов обмена зарядом между атомом и ионом различных элементов в плазме смесей инертных газов, индуцированных взаимодействием с фотонами или свободными электронами плазмы. Будет установлена роль таких процессов в динамике заселения верхних уровней рабочих переходов в источниках УФ излучения. Будут установлены относительные роли гомоядерных и гетероядерных ионов в поглощении различных бинарных смесей инертных газов. Будет разработана теоретическая модель для описания процессов ассоциации в гетероядерных квазимолекулах благородных газов с малой энергией диссоциации (HeXe+ и т.п.), происходящих при взаимодействии со свободными электронами плазмы и фотонами. Будут впервые выполнены расчеты эффективности указанных процессов в условиях значительного возбуждения степеней свободы межъядерного движения и определена их роль в заселении верхних рабочих уровней плазменных источников УФ излучения. На основе разработанных в данной части проекта теоретических методов будет предложена оригинальная, не имеющая аналогов по спектру рассматриваемых элементарных процессов, радиационно-столкновительная кинетическая модель релаксации энергии в плазме смесей инертных газов, применимая в условиях значительного возбуждения степеней свободы межъядерного движения. Это позволит проводить моделирование кинетики активных сред мощных источников излучения УФ и ВУФ диапазонов. Ожидаемые в данной части проекта результаты создадут научно-технический задел для разработки и оптимизации рабочих характеристик эксимерных ламп и массивов микроплазменных ячеек на смесях инертных газов, применяемых как в фундаментальных исследованиях, так и в прикладных задачах литографии и обеззараживания воздуха и воды. Важным ожидаемым результатом проекта будет разработка трибоэлектрического генератора с использованием в качестве активной среды монодисперсных систем нано и субмикронных частиц. Основная отличительная особенность подхода к решению заявленной задачи, в отличие от применяемых в настоящее время подходов [40], заключается в когерентном механическом возбуждении ансамблей монодисперсных нано или субмикронных частиц двух различных сред. В первую очередь, монодисперсность используемых систем, а также различные виды механического возбуждения позволят реализовать их когерентное возбуждение. Данное обстоятельство означает, что основной результат проекта будет превосходить мировой уровень исследований в этом направлении. В процессе выполнения проекта будут также получены результаты по синтезу систем наноразмерных и субмикронных частиц различной физической природы с учетом положения используемых материалов в трибоэлектрическом ряду. Создание таких систем, причем монодисперсных, можно считать также исключительно важным результатом в области исследования наноструктур, соответствующим мировому уровню исследований в этом направлении. Остановимся здесь на практическом применении указанных ожидаемых результатов проекта. Прежде всего, отметим, что предлагаемый проект направлен на исследование трибоэлектрического эффекта в системах нано и субмикронных частиц различной физической природы. Трибоэлектрический эффект известен достаточно давно и заключается в формировании электрических зарядов различного знака при разделении определенных пар материалов после создания плотного контакта между ними. Несмотря на давнюю историю исследований, новый всплеск интереса к этому эффекту возник в 2012 году, после появления работы [41]. В данной работе был экспериментально реализован трибогенератор, позволяющий получать напряжение несколько вольт и имеющий достаточно хорошие механические характеристики и, что очень важно, низкую стоимость и высокий уровень экологической безопасности. Учитывая высокую потребность современной электроники (в том числе наноэлектроники) в источниках питания малой мощности (от микро до милливаттов), но дешевых и экологически безопасных, в настоящее время большое количество научных коллективов сконцентрировали свои усилия на исследованиях систем и способов, позволяющих создавать такие источники энергии. Практическое применение таких источников очень велико, включая в себя микроэлектронику, связь, медицину, микробиологию. Основные направления исследований сконцентрированы на создании трибоэлектрических наногенераторов, а также пьезоэлектрических, термоэлектрических и пироэлектрических наногенераторов [42-45]. Использование систем нано и субмикронных частиц в качестве активной среды, позволяет многократно увеличить площадь взаимодействия, а ведь именно площадь является одним из основных параметров, определяющим выходные характеристики генератор. Таким образом область практического применения планируемых результатов проекта будет охватывать наноэлектронику, биомедицину, робототехнику, а также все те направления, где существует потребность в компактных, дешевых, экологически безопасных источниках электроэнергии. В части проекта, касающейся полупроводниковой электроники, основной акцент будет сделан на разработке принципов функционирования и создании отечественных компонент для лазеров ближнего и среднего ИК диапазонов. Для этого будут решаться две группы задач. В рамках первой группы будут выполнены исследование и разработка принципов управления электронной подсистемой и оптическими свойствами квантоворазмерных гетероструктур, включая квантовые ямы и сверхрешетки, на основе материалов А3В5. Новизна исследований в этой части проекта определяется применением новых подходов для управления свойствами гетероинтерфейсов, основу которых составляют безапертурная оптическая микроскопия ближнего поля и сканирующая туннельная микроскопия. Детальные данные о структуре интерфейсов, полученные с помощью данных методов, будут использованы для корректировки технологических режимов эпитаксиального роста и позволят получить более совершенные гетероструктуры для вертикально излучающих лазеров ИК диапазона. При решении задач второй группы будут проводиться комплексные исследования тройных соединений А2В6, легированных ионами железа и хрома для создания на их основе ИК лазеров с широким диапазоном перестройки рабочей длины волны. Научная новизна работ в этой части проекта определяется тем что основной упор будет сделан на твердых растворах CdZnTe и CdTeSe, подвергнутых термической обработке при высоких давлениях. Данная группа материалов, как и их обработка с использованием техники высоких давлений, ранее при создании активных сред для твердотельных лазеров, не применялась. Также новизна работ будет определяться тем, что при моделировании электронного спектра переходных элементов, будут учтены эффекты нефелаксичности возникающие при размещении ионов Fe и Cr в кристаллической решетке. Ожидается, что при выполнении данной части проекта будут получены следующие результаты: - С помощью локального анализа комплексной диэлектрической функции, выполненного на основе измерений оптического отклика в ближней зоне, будет исследовано распределение носителей заряда вдоль различных гетероинтерфейсов в эпитаксиальных структурах на основе соединений А3В5. - Для гетероструктур А3В5, в том числе, содержащих сурьму, будет установлена связь между атомной структурой интерфейсов и режимами эпитаксиального роста. - С учетом полученных данных о локальной структуре интерфейсов будут развиты принципы управления электронной подсистемой и оптическими свойствами квантоворазмерных гетероструктур, включая квантовые ямы и сверхрешетки, на основе материалов А3В5 содержащих сурьму. - Результаты исследований интерфейсов позволят отработать методы эпитаксиального выращивания и получить гетероструктуры для вертикально излучающих лазеров (VCSEL) ИК диапазона на основе соединений А3В5. - Будет получена информация о оптических свойствах соединений А2В6, легированных ионами железа и хрома необходимая для создания на их основе твердотельных лазеров с широким диапазоном перестройки рабочей длины волны в ИК диапазоне. Основной упор будет сделан на твердых растворах CdZnTe и CdTeSe, подвергнутых термической обработке при высоких давлениях, что позволит подавить образование побочных фаз и дефектов, стимулированных наличием вакансий. - Будет определена роль нефилакситического эффекта и дисторсии Янна-Теллера при формировании электронного спектра ионов Fe, Cr2 в кристаллических матрицах на основе Cd(Zn)Te и Cd(Se)Te. - На основе полученных экспериментальных данных и расчетов будут выработаны рекомендации по изготовлению активных сред для перестраиваемых твердотельных лазеров ИК диапазона. Значимость результатов, в первую очередь, определяется необходимостью развития отечественных технологий в области лазеров ближнего и среднего ИК диапазонов. Разрабатываемые в ходе проекта компоненты для малогабаритных лазерных систем с низким энергопотребление чрезвычайно востребованы в таких областях как оптоволоконная связь и связь в открытом пространстве, медицина, противодействие терроризму, экомониторинг, подсветка военных целей, противодействие тепловым головкам наведения ракет и др. Твердотельные лазеры с широким диапазоном перестройки, играют ключевую роль в современных аналитических системах используемых в биологии, медицине химии и некоторых полупроводниковых технологиях. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. V. M. Romanova, G. V. Ivanenkov, E. V. Parkevich, I. N. Tilikin, M. A. Medvedev, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, A. S. Selyukov, J. Phys. D: Appl. Phys. 54 (2021) 175201 2. V. M. Romanova, I. N. Tilikin, A. E. Ter-Oganesyan, A. R. Mingaleev, T. A. Shelkovenko, A. I. Khirianova, S. A. Pikuz, Plasma Physics Reports 48, pp. 121–130 (2022) 3. T. A. Shelkovenko, I. N. Tilikin, A. V. Oginov, K. S. Pervakov, A. R. Mingaleev, V. M. Romanova, S. A. Pikuz, Plasma Physics Reports 48, 1226 (2022), 4. E. A. Bolkhovitinov, I. N. Tilikin, T. A. Shelkovenko, A. A. Kologrivov, V. M. Romanova, A. A. Rupasov, S A Pikuz, Plasma Sources Sci. Technol. 29 025009 (2020) 5. T. A. Shelkovenko, I. N. Tilikin, E. A. Bolkhovitinov, A. A. Kologrivov, A. R. Mingaleev, V. M. Romanova, V. B. Zorin, A. A. Rupasov, S. A. Pikuz, Plasma Physics Reports 46, 10–19 (2020). 6. J. Strucka, J. W. D. Halliday, T. Gheorghiu, H. Horton, B. Krawczyk, P. Moloney, S. Parker, G. Rowland, N. Schwartz, S. Stanislaus, S. Theocharous, C. Wilson, Z. Zhao, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, S. N. Bland, Matter Radiat. Extremes 7, 016901 (2022) 7 I. N. Tilikin, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, S. N. Bland, Rev. Sci. Instrum. 92, 123505 (2021); 8. K.I. Almazova et al., Phys. Plasmas 27, 123507 (2020) 9. E.V. Parkevich et al., Plasma Sources Sci. Technol., 28, 095003 (2019) 10. E. Parkevich at al., Plasma Sources Sci. Technol., 28, 125007 (2019) 11. E. Parkevich et al., Plasma Sources Sci. Technol., 29, 05LT03 (2020) 12. J. P. Koulakis, S. Putterman, Optics Letters, 44, 3258-3261 (2019) 13. S.N. Andreev, A.V. Bernatskiy, G.A. Dushkin, S. N. Tskhai, S.A. Pikuz, I.N. Tilikin, T. A. Shelkovenko, S. Yu. Savinov, Bulletin of the Lebedev Physics Institute 48, 321-326 (2021) 14. S.N. Andreev, A.V. Bernatskiy, G.A. Dushkin, S.N. Tskhai, I.N. Tilikin, S.A. Pikuz, S.Yu. Savinov, Journal of Physics: Conference Series 2270, 012039 (2022) 15. I.N. Tilikin, S.Yu. Savinov, N.V. Pestovskii, S.A. Pikuz, S.N. Tskhai, T.A. Shelkovenko and G.A. Dushkin, J. Phys. D: Appl. Phys. 55, 405006 (2022) 16. M. V. Zavertyaev, V. A. Kozlov, N. V. Pestovskii, A. A. Petrov, A. A. Rodionov, S. Yu. Savinov, S. N. Tskhai, Yu. D. Zavartsev, A. I. Zagumennyi, S. A. Kutovoi, JETP Letters 110, 654–658 (2019) 17. N. V. Pestovskii, S. Yu. Savinov, Journal of Luminescence 255, 119571 (2023) 18. Z. Luo et al., Current Nanoscience 13, 364-372 (2017). 19. S. K. Gupta, Y. Mao, Frontiers of Optoelectronics 13, 156-187 (2020). 20. M. V. Belov, S. A. Koutovoi, V. A. Kozlov, N. V. Pestovskii, S. Yu. Savinov, A. I. Zagumennyi, Yu. D. Zavartsev, M. V. Zavertyaev, Journal of Applied Physics 130, 233101 (2021). 21. V. A. Pustovarov, A. L. Krymov, E. I. Zinin, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 359, 336-338 (1995). 22. M. Kirm, physica status solidi (c) 2, 649-652 (2005). 23. M. Kirm et al, Journal of luminescence 128, 732-734 (2008). 24. J. Krzywinski et al, Optical Materials Express 7, 665-675 (2017). 25. S. A. Payne et al, IEEE Transactions on Nuclear Science 56, 2506-2512 (2009). 26. W. W. Moses et al, IEEE Transactions on Nuclear Science 59, 2038-2044 (2012) 27. A. N. Vasil'ev, IEEE Transactions on Nuclear Science 55, 1054-1061 (2008). 28. A. Gektin et al, IEEE Transactions on Nuclear Science 67, 880-887 (2020). 29. A. I. Savvatimsky, S. V. Onufriev, G. E. Valyano, A. N. Kireeva, Yu. B. Patrikeev, High Temperature 58, 144–147 (2020) 30. A. I. Savvatimskii, S. V. Onufriev, Phys. Usp., 63, 1015–1036 (2020) 31. Yu. L. Krutskii, N. Yu. Cherkasova, T. S. Gudyma, O. V. Netskina, T. M. Krutskaya, Izvestiya. Ferrous Metallurgy 64, 149 (2021) 32. L. Keldysh, Sov. Phys. J. Exp. Theor. Phys. 20, 1307 (1965). 33. L. Shi et al, Laser Photonics Rev. Vol. 15, 2000475 (2021). 34. B. Lovasz et al, Nano Lett. Vol. 22, 2303-2308 (2022). 35. M. Kruger, C. Lemell, G. Wachter, J. Burgdörfer and P. Hommelhoff, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51 172001 (2018) 36. P. Dombi et al, Rev. Mod. Phys. 2020, 92, 025003 (2020). 37. M. Ludwig et al, Phys. Rev. B Vol. 101, 241412(R) (2020). 38. S. Zhou, K. Chen, M. T. Cole, Z. Li, J. Chen, C. Li, Q. Dai, Adv. Mater. 1805845 (2019). 39. J. Schoetz, Z. Wang, E. Pisanty, M. Lewenstein, M. F. Kling, M. Ciappina, ACS Photonics 6, 3057 (2016). 40. Y. Zhou, W. Deng, J. Xu, J. Chen, Cell Reports Physical Science 1, 100142, (2020) 41. F. R. Fan, Z. Q. Tian, Z. L. Wang, Nano Energy, 1, 328, (2012) 42. Y. Zi and Zh. L. Wang, APL Materials 5, 074103 (2017) 43. G. Zhu, R. Yang, S. Wang, and Z. L. Wang, Nano Lett. 10(8), 3151 (2010). 44. J.-H. Lee, K. Y. Lee, M. K. Gupta, T. Y. Kim, D.-Y. Lee, J. Oh, C. Ryu, W. J. Yoo, C.-Y. Kang, S.-J. Yoon, J.-B. Yoo, and S.-W. Kim, Adv. Mater. 26(5), 765 (2014). 45. W. Wu, L. Wang, Y. Li, F. Zhang, L. Lin, S. Niu, D. Chenet, X. Zhang, Y. Hao, and T. F. Heinz, Nature 514, 470 (2014).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---