Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Работы научного коллектива в течение первого года реализации проекта были сегментированы по пяти ключевым направлениям, а именно: (1) разработке и оптимизации вакуумного синтеза тонких однофазных плёнок дисилицида кальция (CaSi2) на подложках сапфира методом твердофазного отжига осаждённых при комнатной температуре бислоёв Si-Ca; (2) получению тонких однофазных плёнок CaSi2, обладающих максимальной оптической прозрачностью как по величине, так и спектральному диапазону, и одновременно максимальной электрической проводимости; (3) тестированию полученных тонких плёнок CaSi2 в качестве миниатюрных прозрачных нагревателей для задач терморегуляции поверхности, испарения жидкости и удаления ледяного покрова; (4) определению температурной зависимость положения основных фононных мод CaSi2 для возможного применения данного материала для температурных измерений в микробиологии и биохимии там, где требуется одновременно точно контролировать температуру объекта, при этом не препятствуя его визуальному контролю или микроскопическому и спектроскопическому изучению; (5) интеграции технологий получения тонких плёнок CaSi2 и плёнок VO2 для создания двухслойных гетероструктур вида CaSi2/VO2, в которых плёнка CaSi2 выступает в качестве интегрированного прозрачного нагревателя, обеспечивающего возможность электротермического переключения оптической прозрачности VO2 за счёт температурно активируемого фазового перехода типа изолятор-металл для реализации динамических оптических ограничителей (фильтров). В рамках первого направления установлено, что оптимальными условиями для синтеза плёнок, обладающих максимальной как по величине, так и по спектральному диапазону оптической прозрачностью при одновременно высокой электропроводности, является температура отжига в 630°С при длительности отжига не менее 10 минут. При этом максимум добротности плёнок в качестве прозрачного проводящего материала достигается при их толщине в 100 нм. В свою очередь, это позволило синтезировать тонкие плёнки CaSi2 с высокой оптической прозрачностью в диапазоне (500-7000) нм с усреднённым коэффициентом пропускания в 65% и максимальной прозрачностью до 80% на длине волны около 2500 нм, а также слоевым сопротивлением не более 15 Ом на квадрат. Рассчитанная на основе данных значений добротность прозрачного проводящего материала является одной из наиболее высоких среди современных материалов, применяемых, прежде всего, в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне длин волн. По итогам решения задач третьего направления были всесторонне исследованы тонкие плёнки CaSi2 в качестве прозрачных миниатюрных нагревателей, работающих за счёт резистивного нагрева при подаче на них постоянного электрического напряжения. Показано, что такие нагреватели являются маломощными – для достижения температуры в 100°С требуется электрическая мощность на уровне 1 Ватта. Отличительной особенностью разработанных нагревателей является их быстродействие, высокая стабильность, которая заключается в отсутствии заметного гистерезиса при многочисленных проведённых циклах нагрева и охлаждения и изменении таких характеристик как прозрачность и проводимость не более, чем на 5% после сотен проведённых циклов измерений. Установлено, что тонкая плёнка CaSi2, работая в качестве нагревателя, способна поддерживать температуру вплоть до 400°С, при этом не демонстрируя следов деградации и окисления в условиях относительной влажности окружающей среды до 40%. Плёнки CaSi2 показали отличные результаты в задачах испарения жидкости и удаления ледяного покрова с поверхности, при этом необходимое для таких результатов питающее напряжение составило всего 6 вольт, а время, необходимое для полной очистки поверхности – не более нескольких минут, что подтверждает перспективность исследуемого материала для применения в технологии умных окон. Итогом реализации четвёртого направления стали получение значения температурного коэффициента сдвига положения колебательных мод (фононов) для CaSi2, составляющие -0,02 и -0,03 см-1 на градус, что сопоставимо с зависимостью для колебаний решётки Si (0,028 см-1 на градус). Данные измерения доказали, что полученная для CaSi2 температурная чувствительность спектров КРС позволяет рассматривать CaSi2 в качестве материала для температурных измерений, а значит использовать его в микробиологии и биохимии и приблизится к реализации миниатюрных прозрачных нагревателей в устройствах типа "лаборатория на чипе" с пространственной областью чувствительности, соизмеримой с диаметром пучка, применяемым в КРС спектроскопии. Наконец, комбинацией методов твердофазной эпитаксии в высоком вакууме (для роста CaSi2) и импульсного магнетронного осаждения (для роста VO2) удалось сформировать гетероструктуру CaSi2/VO2, в которой слой диоксида ванадия расположен на интегрированном прозрачном в ИК диапазоне нагревателе, в качестве которого выступает слой CaSi2. Это позволило реализовать переключение оптической прозрачности двухслойной гетероструктуры CaSi2/VO2 за счёт температурного фазового перехода изолятор-металл в VO2 в диапазоне окна прозрачности атмосферы (3-5 мкм) с глубиной модуляции до 60% путем подачи постоянного напряжения в 4 вольта на слой CaSi2. Данные работы позволяют утверждать, что CaSi2 за счёт уникальных свойств, в первую очередь, высокой ИК прозрачности при высоком уровне электропроводности, может быть использован в качестве интегрированного с фазопеременными материалами нагревателя для электротермического управления их оптическими свойствами, не ограничивая прозрачность последних в непереключённом состоянии, что важно при создании динамических оптических ограничителей. В отчетный период по результатам проведенных исследований опубликовано две научные статьи в журналах Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics (Q4 Scopus) и The Journal of Physical Chemistry Letters (Q1 WoS, Q1 Scopus). Кроме того, полученные в проекте результаты освещались на ведущей тематической конференции (Advanced Laser Technologies, ALT 2024). Таким образом, реализация проекта идет в полном соответствии с заявленным планом работ, сформирован существенный научно-технических задел для достижения всех показателей, а также целей и задач проекта на его заключительном этапе.