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 24-23-00021
НазваниеСтруктурированные оксидом графена тонкопленочные поляризаторы видимого диапазона спектра
РуководительКаманина Наталия Владимировна, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Акционерное общество «Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова», г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые словаНаноструктурированные тонкопленочные поляризаторы света на основе поливинилового спирта, оксид графена, шунгиты, углеродные нанотрубки, спектры, прочность, смачиваемость, поляризующая способность
Код ГРНТИ31.21.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Функционирование различных оптоэлектронных устройств, как-то: телекоммуникационных устройств, биомедицинских приборов, дисплейных элементов, защитных щитков самолётов, защитных окон автомобилей, модуляторов света, переключателей лазерного излучения, др. - предполагает использование поляризационных элементов [Васильев А.А., др., Пространственные модуляторы света, М.: Радио и связь, 1987, 320 с.; McEwen R.S., J Phys. B: Sci. Instrum. 1987, 20, 364—377]. При этом классические призмы Глана и призмы Николя являются объёмными конструкциями (размер 10х10х10 mm3), что затрудняет их использование в малогабаритных устройствах и оптоэлектронных схемах. В этой связи разработка и оптимизация свойств именно тонкоплёночных поляризаторов света (толщина 80-100 микровнов) при модификации их основных параметров за счёт наноструктурирования, является актуальным и востребованным, к примеру, в магнитометрах лазерного излучения, компьютерах, др. Эффективность тонкопленочных поляризаторов была показана нами при первых разработках [Ru патент №2426157 С1, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 10.08.2011 г. Авторы: Н.В.Каманина, др., а также в рамках проверки работы тонкоплёночных поляризаторов по договору между «Радар-ммс» и ГОИ им.С.И.Вавилова в 2011-2020 гг., когда в полимерную матрицу были введены углеродные нанотрубки.
Известно, что работа поляризационных элементов связано с поперечностью электромагнитных волн [Ландсберг Г.С. Оптика, 2003 г. М.: ФИЗМАТЛИТ Серия: НАУКА]. Основа работы такого поляризационного устройства обусловлена его способностью пропускать одну из компонент естественного света, параллельную оси поляризатора, и задерживать другую, ортогональную компоненту. Делая акцент именно на тонкоплёночных поляризаторах, заметим, что, существует 2 основных способа создания поляризационных тонкоплёночных устройств. Первый основан на напылении металлических полос на полимерную основу и отражает или пропускает падающее излучение разной поляризации. Второй основан на создании йодно-поливинил-спиртовых плёнок, пропускающих, соответственно, параллельную компоненту падающего света и поглощающих – ортогональную компоненту. Таким образом, принцип действия плёночного поляризатора основан на дихроизме поглощения анизотропных комплексов поливиниловый спирт (ПВС)-йод [Савко С.С., Игольникова Л.М., Оптико-механическая промышленность 1981. №1. С.6-9].
В настоящем проекте, при использовании наночастиц оксида графена (новизна именно в смене и использовании этого допанта), шунгитов, УНТ, как для модификации объёма, так и поверхности поляризатора видимого диапазона спектра, предполагается существенно усовершенствование поляризационных, спектральных и прочностных свойств плёночных поляризаторов. Такие усовершенствованные поляризаторы могут быть пригодны для области оптического приборостроения, лазерной, телекоммуникационной, дисплейной и медицинской техники, а также полезны при использовании в приборах защиты глаз сварщиков, пилотов самолётов при использовании жидкокристаллических элементов, функционирующих в скрещенных поляроидах и собранных в разных модификациях, как-то: TN, IPS, MWVA-технологиях.
Актуальность связана с тем, что в РФ отсутствует сейчас производство тонкопленочных поляризаторов, а, значит, сдерживается, к примеру, производство мобильных телефонов, компьютеров, других дисплейных гаджетов. Таковые тонкопленочные поляризаторы конкурируют с объемными поляризационными призмами, имея оптимальный дизайн (легко встраиваются в любую оптоэлектронную схему) и хорошую поляризующую способность. Кроме того, разработка и исследование свойств таких тонкопленочных поляризаторов способствует решению проблемы импортозамещения ряда оптоэлектронных компонентов.
Ожидаемые результаты
Для получения эффективной работы поляризационных тонкоплёночных элементов необходимо определиться с материалом, выполняющим роль матричной полимерной основы поляризационного компонента. В мире разработками в области полимеров, что способны быть применимыми в поляризационной оптике и спектроскопии, занимаются и известны такие фирмы, как: Dhaze (Даз, Франция); Polygal (Полигаль, Израиль); Macrolon (Макролон, Germany); Lexan (Лексан, USA); Calibre (Калибри, USA); Iupilon (Юпилон, Japan), др. Также производят полимерное волокно высокого качества: Голландская компания DSM Engineering Plastics, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC), Тайваньская компания Tai Young Nylon Co., Ltd. Используются, для примера, такие поливинилспиртовые композиции, как: ПВС марки “Meviol” 56-98 low ash и ПВС марки “Meviol” 28-99 low ash фирмы Kuraray Sprcialities Europe. Однако указанные композиции обладают недостаточно высокой молекулярной массой (определяемой числом СН2-фрагментов и гидроксильными группами), что влияет на плёнкообразующую способность материала. Кроме того, ценовой диапазон зарубежных поляризаторов очень высок, так, например, поляризаторы: DPM-100-UV1, VL-100-UV-S, DPM-200-VIS1, DP-200-UV1 стоят, соответственно: $354, $495, $490, $520 за штуку.
В нашей работе, в основном, используется отечественный материал ПВС с молекулярной массой 300000 а.е, а также американский аналог ПВС (№182480-500MG по каталогу Alfa Aesar и Aldrich) с молекулярной массой 100000 а.е. При этом известно, что молекулярная масса ПВС, имеющего высокую плёнкообразующую способность и температуру деструкции вблизи 230 градусов Цельсия, в зависимости от способа получения лежит в пределах 5000 – 1000000. Отлив плёнок перед последующим их растяжением мы проводим из 8%-го водного раствора ПВС марки БКК ПВС (борнокислый комплекс ПВС) и/или ПВС 40/2, что способствует повышению эффективности процесса создания комплекса, а также сохранению функциональных свойств плёнки в течение длительного времени (более 10-ти лет), что важно для оптоэлектронных компонентов различных телекоммуникационных схем (дисплейных элементов, модуляторов света, конверторов лазерного излучения, др.). Ценовой диапазон наших поляризаторов, если брать за пример, долларовый эквивалент, составляет ~$200 за штуку, что 2 2-2,5 раз ниже зарубежных аналогов. Таким образом, наши разработки, по своим функциональным параметрам, превышают зарубежные аналоги, а по цене существенно ниже.
В настоящей работе, для увеличения пропускания параллельной световой компоненты и прочности поляризаторов, мы используем уникальный инновационный метод структурирования, предложенный в нашей группе, при учете повышенного сродства к электрону вносимого наноструктурного агента, что меняет путь переноса заряда внутри изначально выбранной органической матрицы (Н.В. Каманина, «Фуллеренсодержащие диспергированные нематические жидкокристаллические структуры: динамические характеристики и процессы самоорганизации», Успехи физических наук, т. 175, № 4, c. 445-454, 2005).
В качестве эффективных нанобъектов нами выбраны оксиды графена, что существенно меняют поляризующую способность ПВС, обладают разветвленной поверхностью и высокой прочностью. Оксиды графена будут вводиться как внутрь органической ПВС-матрицы, так и осаждаться на поверхность в вакууме при применении квази-непрерывного СО2-лазера с р-поляризованным излучением, при приложении ориентирующего внешнего электрического поля с варьируемой величиной напряжённости электрического поля в диапазоне от 100 до 600 В/cм. Величина напряжённости электрического поля задаётся вертикальным перемещением сетки по отношению к верхнему электроду в вакуумном посте. Электрическая схема синхронизирована с работой лазера на длине волны 10.6 микрометров. Для сравнительных экспериментов буду созданы системы: ПВС-УНТ, ПВС-фуллерен С60, ПВС-Таунит (смесь нанообъектов из Тамбовского научного центра наноматериалов).
За счёт структурирования нанообъектами мы ожидаем оптимизацию таких параметров:
1). Пропускание излучения видимого диапазона спектра, на длинах волн 400-700 нм, для параллельной компоненты света, увеличить с уровня 45-55% до уровня 55-70%.
2). Пропускание излучения видимого диапазона спектра, на длинах волн 400-700 нм, для ортогональной компоненты света, уменьшить с уровня 0.2-5% до уровня 0.1-3%.
3). Увеличить в 2-2.5 раза микротвёрдость поляризационных плёнок на основе йодно-поливинилспиртовой основы.
4). Модифицировать рефрактивные параметры с изучением динамики изменения показателя преломления.
5). Провести квантово-механические и аналитические расчёты, показывающие изменение пропускания и рефрактивных свойств за счёт ковалентной привязки углеродных нанообъектов к ПВС-матрицы, то есть за счёт образования ковалентной связи между углеродным нанообъектом и ПВС-матрицей при введении нанобъекта внутрь системы.
По предварительной независимой экспертизе поляризационных плёнок, проведенных в Институте Автоматизации и Электрометрии СО РАН (Новосибирск), в лаборатории физики лазеров, а также в АО "Радар-ммс" (Санкт-Петербург) указанные параметры превосходят зарубежные аналоги и способствуют применению тонкоплёночных отечественных поляризационных устройств в оптоэлектронных схемах, в которых требуется минимизация функциональных элементов: в компьютерах, часах, планшетах, др.гаджетах, где применяется ЖК-технология, требующая использования поляризаторов для разворота ЖК-диполей из закрытого в открытое состояние.
Важно отметить, что технологических ограничений для производства тонко-пленочных поляризаторов в РФ нет. Матрица ПВС – отечественного производства. Оксиды графена – отечественного производства из Тамбовского центра наноматериалов. Технология – авторов ГОИ им.С.И.Вавилова (коллектив подающий заявку). Инструментарий для проверки поляризационных, прочностных и др. физических параметров тонкопленочных поляризаторов имеется в лаборатории «Фотофизика…» д.фи.-.ма.т.Н.В.Каманиной. В работу вовлечены молодые исследователи и разработчики в числе 4 человек. Таким образом, технологические риски отсутствуют.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ