Энергонезависимые обратимо-перестраиваемые метаповерхности на основе тонких пленок фазопеременных материалов для видимого и ближнего ИК диапазонов

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 проекта 23-79-10309

НазваниеЭнергонезависимые обратимо-перестраиваемые метаповерхности на основе тонких пленок фазопеременных материалов для видимого и ближнего ИК диапазонов

Руководитель Кицюк Евгений Павлович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» , г Москва

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова Метаповерхности, энергонезависимость, лазерное излучение, халькогениды, полупроводники, фазопеременные материалы, тонкие пленки, фазовые переходы, кристаллизация, аморфизация

Код ГРНТИ47.09.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие фотоники и оптоэлектроники, связанное с возрастающей ролью передачи и обработки информации, а также интерес к различным способам и структурам, используемым для хранения и отображения информации, делает актуальным исследование новых принципов формирования и использования различных материалов для создания быстродействующих оптических элементов, в том числе метаповерхностей с обратимо-перестраиваемыми оптическими свойствами. Реализация данных элементов возможна на основе тонкопленочных структур фазопеременных халькогенидных материалов, которые могут совершать быстрые реверсивные фазовые превращения между неупорядоченным (аморфным) и упорядоченным (кристаллическим) состояниями при внешних воздействиях (лазерное излучение, низкочастотное электрическое поле, теплообмен), и, как следствие, контролируемо изменять оптические параметры взаимодействующего с ними излучения. В проекте предлагается реализовать обратимо-перестраиваемые оптические метаповерхности для управления параметрами проходящего и/или отраженного оптического излучения на основе фазопеременных халькогенидных тонких пленок. Разработка и создание данных элементов будут проводиться на основе тонких пленок фазопеременного материала Ge2Sb2Te5, который активно используется в настоящий момент для различных оптических приложений и устройств интегральной фотоники за счет хорошего сочетания ключевых свойств и высокой стабильности, что обуславливает возможность энергонезависимого поддержания формируемых состояний. В качестве способа переключения разрабатываемых поверхностей предлагается рассмотреть применение внешнего нагрева от тонкопленочного резистивного нагревателя, лазерного излучения нс-длительности, а также их одновременное воздействие. Отличительными особенностями предлагаемых к реализации в данном проекте решений, определяющими научную значимость, являются: 1 - функционал метаповерхностей, дизайн которых будет разрабатываться с применением численного математического моделирования и апробироваться с применением методов прецизионной литографии, в частности в проекте будет рассмотрена возможность создания перестраиваемого фильтра на линейную поляризации в режиме на отражение и(или) на пропускание, который в одном фазовом состоянии должен будет отражать или пропускать одну линейную поляризацию, в другом фазовом состоянии - другую линейную поляризацию; 2 - результаты исследования возможности масштабирования активной функциональной области создаваемых обратимо-перестраиваемых метаповерхностей в диапазонах от 2500 до 30000 кв. мкм; 3 - результаты определения конструктивно-технологических подходов создания элементов, включая определение оптимальных материалов и геометрических параметров пассивирующих, электропроводящих и фазопеременных формируемых слоев, обеспечивающих долговечность, стабильность и энергетическую эффективность обратимого переключения; 4 - разработанный принцип и установленные режимы энергоэффективного переключения, определенные по результатам исследований воздействия лазерного излучения нс-длительности, внешнего нагрева от тонкопленочного резистивного нагревателя и их возможных комбинаций на фазовое состояние пленок Ge2Sb2Te5. Успешное решение поставленных задач и достижение запланированных результатов позволит обеспечить управляемую модуляцию прошедшего и/или отраженного излучения, уменьшить энергопотребление, повысить скорость и долговечность работы реверсивно перестраиваемых оптических элементов. Кроме того, разработанные технологические и конструктивные решения станут универсальной платформой для дальнейшего расширения функционала создаваемых на их основе перспективных оптических элементов, в частности, обратимо-перестраиваемых поляризационных фильтров, что в результате позволит перейти к созданию целого ряда новых энергонезависимых устройств и систем оптоэлектроники и фотоники на их основе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Глухенькая В.Б., Пестов Г.Н., Гулидова А.И., Сауров М.А., Смирнов П.А., Федянина М.Е., Козлов А.О., Савицкий А.И. Кристаллизация функциональной области Ge2Sb2Te5 с помощью тонкопленочного резистивного нагревательного элемента ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ЭЛЕКТРОНИКА, Известия вузов. Электроника, 29(3), стр. 267-280 (год публикации - 2024)
10.24151/1561-5405-2024-29-3-267-280

2. Трусов Е.П., Ермачихин А.В., Воробьев Ю.В. Исследование электрических характеристик аморфных пленок GST СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ - СТНО-2024 VII МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНО- ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Сборник трудов, Современные технологии в науке и образовании – СТНО-2024 [текст]: сб. тр. VII ме- ждунар. науч.-техн. форума: в 10 т. Т.2./ под общ. ред. О.В. Миловзорова. – Рязань: Рязан. гос. радиотехн. ун-т, 2024. (год публикации - 2024)

3. Федянина М.Е., Якубов А.О. Исследование влияния фазовых превращений на оптические свойства халькогенидных тонких пленок Ge2Sb2Te5 Сборник трудов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, 2024, Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, 2024 (год публикации - 2024)

4. Глухенькая В. Б., Пестов Г. Н., Сауров М. А., Козлов А. О., Лазаренко П. И., Кицюк Е. П. Резистивное переключение тонкой пленки GST с помощью нагревательного элемента ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции, СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. © Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2024, ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции, 21–25 октября 2024 г. — СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024, стр. 131-132 (год публикации - 2024)

5. П. Лазаренко, В. Ковалюк, П. Ан, А. Голиков, В. Такатс, Т. Кулевой, А. Проходцов, Е. Кицюк, А. Шерченков, С. Козюхин, А. Колобов, Г. Гольцман Reconfirable nanophotonic devices based on Ge2Sb2Te5 thin films Forum Proceedings. International Scientific Research Forum in honor of 90th anniversary of Al-Farabi Kazakh National University © Al- Farabi Kazazh National University, 2024. © Nortwestern Polytechnical University, 2024., Forum Proceedings. International Scientific Research Forum in honor of 90th anniversary of Al-Farabi Kazakh National University 26-28 September, 2024 - Almaty: Kazakh University/. 2024 - 269 p.; p. 75 (год публикации - 2024)

6. Пестова В.Б., Пестов Г.Н., Кицюк Е.П., Смаев М.П., Лазаренко П.И., Сауров М.А. Switching platform for tunable metasurfaces based on phase change materials Samarkand Scientific Renaissance. Meta-Optics, From Science to Technology Conference, Samarkand, Uzbekistan. Nukus Innovation Institute, Samarkand Scientific Renaissance. Meta-Optics, From Science to Technology Conference, Samarkand, Uzbekistan, 8.10.2024 – 11.10.2024, 147 p., p. 51-52 (год публикации - 2024)

7. Лазаренко П., Ковалюк В, Синельник А., Смаев М, Кицюк Е., Меньшиков Е., Такатс В, Синев И, Рыбин М, Гольцман Е.Г, Козюхин С.Пестова В.Б., Пестов Г.Н., Кицюк Е.П., Смаев М.П., , Сауров М.А. Reconfigurable Optical Devices Based on Phase-Change Materials Samarkand Scientific Renaissance. Meta-Optics, From Science to Technology Conference, Samarkand, Uzbekistan. Nukus Innovation Institute, Samarkand Scientific Renaissance. Meta-Optics, From Science to Technology Conference, Samarkand, Uzbekistan, 8.10.2024 – 11.10.2024, 147 p., p. 135-136 (год публикации - 2024)

8. Глухенькая В.Б., Кицюк Е.П., Толкач Н.М., Пестов Г.Н. Multiple optical switching of GST thin films for reflective display applications 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Proceedings, IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Proceedings, Publication Year: 2024,Page(s): 367 - 367 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024

9. Глухенькая В.Б, Пестов Г.Н., Смаев М.П., Сауров М.А., Козлов А.О. Optoelectronic platform for controlling the parameters of reflected optical signals based on GST laser-induced periodic surface structures Functional Chalcogenides: Physics, Technology and Applications (FunChaPTA-1) Международная конференция. Сборник тезисов. M. : МИЭТ, 2024. 100 с., Functional Chalcogenides: Physics, Technology and Applications (FunChaPTA-1), BOOK OF ABSTRACTS, p. 33 (год публикации - 2024)

10. Федянина М.Е, Глухенькая В.Б, Якубов А.О., Ромашкин А.В. Studies of functional changes in Ge2Sb2Te5 thin films in the amorphous state Functional Chalcogenides: Physics, Technology and Applications (FunChaPTA-1) Международная конференция. Сборник тезисов. M. : МИЭТ, 2024. 100 с., Functional Chalcogenides: Physics, Technology and Applications (FunChaPTA-1), BOOK OF ABSTRACTS, p. 29 (год публикации - 2024)

11. О.М. Кущенко, Д.А. Литвинов, Е.В. Бодяго, Д.С. Гец, Д.Ю. Терехов, П.И. Лазаренко, М.В. Рыбин, А.Д. Синельник Defect passivation in GST-perovskite platform using MgO thin film Optical Materials, 2025. - Vol. 159. - P. 116687. (год публикации - 2025)
10.1016/j.optmat.2025.116687

12. Федянина М.Е., Пестова В.Б, Шерченков А.А.,Горошко Д.Л., Воробьев Ю.В.,Кицюк Е.П., Лазаренко П.И. Factors Infuencing the Results of Non-destructive Verifcation of Intermediate States in Ge-Sb-Te Thin Films Proceedings of PIERS 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium, Abu Dhabi, UAE. IEEE Xplore, 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS) Abstracts, Abu Dhabi, UAE, 4–8 May 2025 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения второго этапа проекта № 23-79-10309 «Энергонезависимые обратимо-перестраиваемые метаповерхности на основе тонких пленок фазопеременных материалов для видимого и ближнего ИК диапазонов» на основе анализа результатов предыдущего этапа проведено численное моделирование оптических характеристик метаповерхностей с функциональным слоем GST при помощи Фурье-модального метода. Определено возможное влияние на спектральные характеристики геометрии метаповерхности, фазового состояния GST, p- и s- поляризации, угла падения излучения. Проведена оценка возможности создания перестраиваемых оптических фильтров на пропускание, которые могут быть изготовлены на основе полосок GST. Определены оптимальные геометрические параметры данных структур. Выполнена оптимизация технологического маршрута для изготовления экспериментальных образцов одномерно-периодических метаповерхностей с учетом рассчитанной оптимальной геометрии для поляризационной фильтрации. Исследованы возможности масштабирования площади метаповерхности в диапазоне от 2500 до 30000 кв. мкм. Экспериментально исследованы оптические характеристики пленок GST225 в аморфном и кристаллическом состояниях методами спектральной эллипсометрии, определен контраст между фазами на рабочей длине волны. Оценено влияние вариации геометрических параметров (периода, фактора заполнения) на оптический отклик метаповерхностей и определены допустимые технологические отклонения. Изготовлены и исследованы наборы метаповерхностей, оценено влияние вариации геометрических параметров (период, фактор заполнения и т.п.) на их оптические свойства. Определены приемлемые технологические допуски. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами математического моделирования. Разработан технологический маршрут изготовления энергонезависимого перестраиваемого оптического элемента на основе тонкопленочного резистивного нагревателя функциональных тонких пленок PCM с применением методов контактной литографии. Изготовлена партия экспериментальных образцов по разработанному технологическому маршруту. Определены оптимальные конструкций и режимы управления оптическими параметрами сформированных областей за счет кристаллизации Ge2Sb2Te5 с помощью постоянного тока, подаваемого на тонкопленочный резистивный нагреватель. Изготовлены экспериментальные образцы по разработанной технологии. Проведено исследование фазового состояния тонких пленок GST225, полученных в результате переключения импульсами тока, подаваемых на резистивный нагреватель с помощью эллипсометрических измерений в видимом диапазоне длин волн, оценено значение оптической ширины запрещенной зоны, а также структуры получаемых РСМ пленок методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Установлено, что функциональная область Ge2Sb2Te5 может быть полностью закристаллизована за счет подачи импульсов напряжения амплитудой 2,4 В и длительностью более 100 мс. При этом вариация длительности импульсов в диапазоне от 10 до 100 мс позволяет формировать состояния с различной долей кристаллической фазы Ge2Sb2Te5, что обеспечивает возможность плавного изменения оттенка формируемых отражающих многослойных структур. Определены пороговые значения электрического воздействия, необходимые для переключения между аморфным и кристаллическим состояниями, а также пределы деградации материала. Масштабирование функциональных областей (от 50 мкм до 1 мм) позволило выявить влияние размеров и плотности мощности нагрева на эффективность фазового переключения и параметры оптического контраста. Полученные результаты сопоставлены с математическим моделированием и подтверждены экспериментально. Определены дальнейшие направления исследований, в том числе по дальнейшей оптимизации параметров конструкции разрабатываемых элементов с целью повышения их энергоэффективности. За время выполнения 2 этапа проекта опубликована статья в журнале уровня Q1 (Optical Materials, IF=3.8), а также подготовлены и отправлены на рассмотрение рукописи 2 статей. Кроме того, полученные результаты были представлены в виде докладов на восьми научно-технических конференциях, три из которых представлены в качестве приглашенных докладов.

Публикации