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.

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
Работы научного коллектива в течение второго года реализации проекта были сегментированы по шести ключевым направлениям, а именно: (1) отработке технологии лазерной перфорации тонких плёнок дисилицида кальция (CaSi₂) для повышения их оптической прозрачности в широком спектральном диапазоне (от видимого до среднего ИК) при сохранении высокой электропроводности; (2) контролю фазового состава и кристалличности перфорированных плёнок CaSi₂ методом спектроскопии комбинационного рассеяния; (3) исследованию морфологических изменений, связанных с лазерной обработкой, методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии; (4) созданию кремниевых фотодетекторов с прозрачными электродами на основе сплошных и перфорированных плёнок CaSi₂; (5) тестированию нагревательной способности перфорированных плёнок CaSi₂ для использования в качестве прозрачных миниатюрных нагревателей в задачах испарения воды и удаления льда; (6) интеграции технологий получения тонких плёнок CaSi₂ и VO₂ для создания двухслойных гетероструктур CaSi₂/VO₂ с электротермическим переключением оптического пропускания в среднем инфракрасном диапазоне. В рамках первого направления методом фемтосекундной лазерной абляции с плосковершинным пучком (515 нм, 180 фс, 50 кГц) найдены оптимальные параметры перфорации плёнок CaSi₂ толщиной 100 нм: флюенс 0,5 Дж/см², 5 импульсов на квадрат, степень перфорации 80%. При этом оптическое пропускание в видимом диапазоне (500–1500 нм) возросло в 3 раза, достигнув 90%, а в ближнем и среднем ИК-диапазоне (1500–5000 нм) – с 50–60% до 80–90%. Поверхностное сопротивление увеличилось незначительно – с 15 до 19 Ом/□ (прирост всего 27%). Добротность как прозрачного проводящего материала возросла с 0,29 до 0,9 Ом⁻¹, что соответствует трёхкратному увеличению. По итогам решения задач второго и третьего направлений методами спектроскопии комбинационного рассеяния подтверждено сохранение кристалличности CaSi₂ после лазерной перфорации: все четыре характеристические фононные моды сохраняются, полная ширина на половине высоты не изменилась, отсутствуют признаки окисления или образования паразитных фаз. Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии установлено, что лазерная обработка формирует регулярную сетчатую структуру с квадратными отверстиями 20×20 мкм, чёткими краями и шероховатостью боковых стенок менее 10 нм. Высота ободков по краям отверстий составляет всего 120 нм (в 1,2 раза превышает исходную толщину плёнки), что указывает на незначительный радиальный массоперенос и высокое качество лазерной обработки. В ходе реализации четвёртого направления исследованы электрические свойства гетероперехода Si/CaSi₂ в зависимости от типа и уровня легирования кремния. Установлено, что на p-Si формируется барьер Шоттки с высоким контактным сопротивлением (десятки Ом·см²), тогда как на n-Si даже в области умеренного легирования формируется устойчивый омический контакт с сопротивлением на уровне нескольких мОм·см². На основе этого результата созданы кремниевые фотодетекторы с верхним прозрачным электродом из сплошных и перфорированных плёнок CaSi₂. Показано, что использование CaSi₂ обеспечивает преимущество в амплитуде фотоотклика по сравнению с эталонным контактом из Au:Sb, а перфорация приводит к ещё большему росту фотоотклика за счёт снижения оптических потерь. Пятое направление было посвящено тестированию нагревательной способности перфорированных плёнок CaSi₂. Установлено, что при приложении постоянного напряжения 8 В (1,3 Вт) перфорированный нагреватель достигает температуры 150°C. Время отклика при 6 В составляет 40 секунд, что вдвое быстрее, чем у известных зарубежных аналогов на основе лазерно-перфорированных сетчатых электродов из серебра и меди. Нагреватель демонстрирует высокую однородность распределения температуры, отсутствие гистерезиса (отклонение не более 1,5°C) и выдерживает 100 циклов нагрева до 100°C без признаков деградации. Удельная эффективная мощность для нагрева на 1°C составляет 8,7 мВт/°C. В тестах по испарению воды и удалению льда перфорированные электроды показали результаты, сопоставимые со сплошными покрытиями (время испарения капли воды – 52 с против 45 с, удаление льда – 65 с против 58 с), при этом обладая существенно более высокой оптической прозрачностью (90% против 20–30% в видимом диапазоне). Это делает перфорированные электроды предпочтительным выбором для применений, требующих совмещения нагрева и оптического доступа. Наконец, в рамках шестого направления комбинацией методов твердофазной эпитаксии (для роста CaSi₂) и высокомощного импульсного магнетронного распыления (для роста VO₂) изготовлены двухслойные гетероструктуры CaSi₂/VO₂ с промежуточным слоем Al₂O₃ толщиной 5 нм. Установлено, что приложение постоянного напряжения 2 В (300 мВт) к слою CaSi₂ приводит к падению оптического пропускания на длине волны 2,2 мкм с 62% до 7%, что соответствует глубине модуляции 79,7% и коэффициенту экстинкции 8 дБ (ослабление сигнала в 8,9 раз). Удельная мощность переключения составила 6 мВт/мм², время нарастания и спада – 75 и 75 мс соответственно, что обеспечивает работу на частоте модуляции до 3 Гц. Модуляция является линейной с ростом напряжения, позволяя аналоговое управление уровнем пропускания. Кроме того, обнаружен эффект электростатического легирования VO₂ из CaSi₂ через ультратонкий слой Al₂O₃, проявляющийся в снижении температуры фазового перехода и уширении гистерезиса. Варьирование толщины Al₂O₃ от 0 до 30 нм позволяет в широких пределах настраивать параметры перехода, что открывает дополнительные возможности для адаптации устройства под конкретные применения.