Отчет по базовым программам по нанотехнологиям II.6.3., II.7.3., II.7.4., II.7.5., II.13.5., V.37.3

Приоритетное направление II.6. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости
Приоритетное направление II.7. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы
Приоритетное направление II.13. Современные проблемы ядерной физики, в том числе физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, включая физику нейтрино и астрофизические и космологические аспекты, а также физики атомного ядра, физики ускорителей заряженных частиц и детекторов, создание интенсивных источников нейтронов, мюонов, синхротронного излучения и их применения в науке, технологиях и медицине
Приоритетное направление V.37. Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы

Программа II.6.3. Комплексная нанодиагностика систем пониженной размерности, нанолитография и нанометрология (координатор чл.-к. РАН А.В. Латышев)
Программа II.7.3. Перспективные полупроводниковые материалы наноэлектроники и нанофотоники (координатор чл.-к. РАН А.В. Двуреченский)
Программа II.7.4. Наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение (координатор д.т.н. Н. Н. Коваль)
Программа II.7.5. Функциональные материалы и структуры для приборов твердотельной техники. Электроника, оптика, системы памяти, сенсоры (координатор ак. РАН Ф.А. Кузнецов)
Программа II.13.5. Диагностика био- и наноструктур методами СИ и терагерцового излучения на электронных пучках (координатор д.ф.-м.н. Н.А. Мезенцев)
Программа V.37.3. Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов (координаторы чл.-к. РАН В.И. Бухтияров Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов (координаторы чл.-к. РАН В.И. Бухтияров и чл.-к. РАН Н.З. Ляхов)

Программа II.6.3. Комплексная нанодиагностика систем пониженной размерности, нанолитография и нанометрология координатор чл.-к. РАН А.В. Латышев)
Проект 6.3.1. Методы создания и структурно-химической диагностика на атомарном уровне полупроводниковых систем пониженной размерности (научный руководитель чл.-к. РАН А.В. Латышев Методы создания и структурно-химической диагностика на атомарном уровне полупроводниковых систем пониженной размерности (научный руководитель чл.-к. РАН А.В. Латышев, ИФП СО РАН)
Проект 6.3.2. Нанодиагностика и исследование механизмов молекулярно-лучевой эпитаксии квантово-размерных структур на основе кремния, германия и соединений А3В5, включая нитриды металлов третьей группы (научный руководитель д.ф.-м.н. О.П.Пчеляков Нанодиагностика и исследование механизмов молекулярно-лучевой эпитаксии квантово-размерных структур на основе кремния, германия и соединений А3В5, включая нитриды металлов третьей группы (научный руководитель д.ф.-м.н. О.П.Пчеляков, ИФП СО РАН)
Проект 6.3.3. Оптическая диагностика полупроводниковых квантово-размерных наноструктур с высоким пространственным разрешением (научные руководители к.ф.-м.н. А.И. Торопов, А.М. Гилинский, ИФП СО РАН)
Проект 6.3.4. Мультиспектральный анализ систем пониженной размерности, лазерная нанолитография и нанометрология асферических поверхностей (научный руководитель д.т.н. О.И. Потатуркин, ИАиЭ СО РАН)
Проект 6.3.5. Разработка и исследование бесконтактных прецизионных элементов и систем контроля поверхности с наноразрешением (научный руководитель к.т.н. А. К. Поташников Разработка и исследование бесконтактных прецизионных элементов и систем контроля поверхности с наноразрешением (научный руководитель к.т.н. А. К. Поташников, КТИ НП СО РАН)
Проект 6.3.6. Нанодиагностика высокодисперсных материалов, используемых в качестве адсорбентов, катализаторов, носителей катализаторов (научный руководитель д.ф.-м.н. С.В. Цыбуля, ИК СО РАН)

CЭМ-изображение концентрических двумерных отрицательных островков (а) и зависимость диаметра d островка от времени t при различных температурах (б).
На основе экспериментальных (in situ) исследований кинетики разрастания концентрических двумерных отрицательных островков разработан способ создания на поверхности кремния (111) широких (130 мкм) атомно-гладких террас. С помощью ионно-лучевого травления низкоэнергетичными ионами аргона и последующего термического отжига в сверхвысоком вакууме на поверхности подложки кремния (111) формировались концентрические ступени, ограничивающие отрицательные двумерные островки (рис.1а). Измерена зависимость скорости перемещения концентрических ступеней от температуры в условиях нагрева кристалла постоянным электрическим током.
Формирование широких атомно-гладких террас на поверхности кремния (111)
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН

Разработка оптической схемы и автоматизированных узлов конфокальной системы сбора многоспектральной информации в схеме с параллельными зондирующими лучами
В.П. Бессмельцев
Разработана оптическая система многоканального (625 пучков) освещения и параллельного приема мультиспектрального излучения флюоресценции для микрочипов параллельной ДНК секвенции с использованием метода детектирования сигналов от одиночных молекул. Спроектирован, создан и экспериментально испытан макет конфокальной системы сбора многоспектральной информации в схеме с параллельными зондирующими лучами.
Освещающая матрица пучков (25х25) с размером каждого не более 0.8 мкм после фильтрации на диафрагме формируется на трех длинах волн (488, 532, 638 нм) в плоскости высокоапертурного объектива. Освещаемая зона секвенирования микрочипа имеет размеры 120х120 мкм. 25х25 микрореакторов (наноколодцев) размером 100 нм в диаметре и 100 нм глубиной сформированы в алюминиевой пленке на кварцевой подложке с шагом 5х5 мкм.

Институт автоматики и электрометрии СО РАН
«Терагерцовый спектрометр с субпикосекундным разрешением
на базе фемтосекундного волоконного лазера»
Разработан и создан малогабаритный терагерцовый (ТГц) спектрометр на базе фемтосекундного волоконного лазера с применением методов оптической генерации (эффект оптического выпрямления в кристаллах ZnTe и фотоэффект Дембера в полупроводнике InAs) и поляризационно-оптической регистрации (электрооптический эффект Поккельса в кристаллах ZnTe) ТГц излучения.
Спектральный диапазон, ТГц – 0,2÷2,5
Спектральное разрешение, ГГц – 10
Динамический диапазон по напряженности ТГц поля, до – 500
Длительность ТГц импульсов, пс – 50÷100
ТГц спектрометр предназначен для:
- исследования полупроводниковых материалов и структур, в т.ч. систем
пониженной размерности, без нарушения их функционирования;
изучения внутренней структуры и идентификации сложных биологи-
ческих молекул (аминокислот, полипептидов, белков, ДНК и РНК);
- неинвазивной диагностики, в т.ч. в медицине;
- обнаружения веществ.
ТГц спектрометр на пропускание
Трансформация ТГц фононного поглощения
Предложена методика расчета комплексного показателя преломления материалов по их ТГц спектрам.
Экспериментально определены спектральные зависимости показателей преломления и коэффициентов поглощения кристаллов германата свинца Pb5Ge3O11 (PGO) и бета-бората бария β-BaB2O4 (β-BBO).
Выявлены закономерности трансформации ТГц фононного поглощения в кристаллах PGO в зависимости от температуры.
Передаточная функция ТГц спектрометра
(в атмосфере)
PGO

Разработка установки низкотемпературной микро-фотолюминесценции
А.М.Гилинский, А.И. Торопов
Разработана конструкция оптической схемы установки, обеспечивающая проведение низкотемпературных измерений с высоким пространственным разрешением и высокой эффективностью сбора люминесцентного излучения исследуемого образца. Особенностью разработанной конструкции является возможность использования поляризационно-чувствительной регистрации, необходимой при проведении исследования спин-зависимых эффектов в нанообъектах. Разработанная схема предусматривает использование световода для подачи люминесцентного излучения в спектрометр, используемый для анализа спектра люминесценции. Создана криостатная система, обеспечивающая визуализацию исследуемого образца при его охлаждении до гелиевых температур с возможностью прецизионного перемещения образца.

Программа II.7.3. Перспективные полупроводниковые материалы наноэлектроники и нанофотоники (координатор чл.-к. РАН А.В. Двуреченский)
Проект 7.3.1. Плотные и разреженные ансамбли квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах (научный руководитель чл.-к. РАН А.В. Двуреченский Плотные и разреженные ансамбли квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах (научный руководитель чл.-к. РАН А.В. Двуреченский, ИФП СО РАН)
Проект 7.3.2. Эпитаксиальные слои халькогенидов свинца на кремнии для тепловизионных устройств нового типа (научный руководитель д.ф.-м.н. А.Э. Климов, ИФП СО РАН)
Проект 7.3.3. Исследование оптических свойств нанокристаллов и нанопористых материалов в условиях плазмонного резонанса (научные руководители д.ф.-м.н. А.Г.Милёхин, к.х.н. О.И.Семенова, ИФП СО РАН)
Проект 7.3.4. Создание и исследование новых полупроводниковых и графеновых наноструктур, материалов и метаматериалов для фотоники, плазмоники и электроники (научный руководитель д.ф.-м.н. В.Я.Принц, ИФП СО РАН)
Проект 7.3.5. Исследование особенностей транспорта в низкоразмерных квантовых системах, включая спиновый транспорт (научный руководитель д.ф.-м.н. В.Е. Архинчеев, ОФП БНЦ СО РАН)

Эффект переключения проводимости многослойных (n < 10) графеновых пленок при адсорбции аммиака
И.В.Антонова, С.В.Мутилин, В.А.Селезнев, Р.А.Соотс, В.Я.Принц
Переключение проводимости в графеновой пленке толщиной 3 нм в атмосфере аммиака
Зависимость величины эффекта от толщины пленок (или количества слоев графена)
Обнаружен эффект переключения проводимости на 6-7 порядков. Предложена модель процессов, объясняющая данный эффект. Модель основана на формировании р-п-переходов на границах блоков в графене при легировании аммиаком. Эффект перспективен для применения в наноэлектронике и фотонике.

Анизотропное обменное взаимодействие в структурах с Ge/Si квантовыми точками
А.Ф. Зиновьева, А.В. Ненашев, А.В. Двуреченский
Выявлен вклад анизотропного обменного взаимодействия в процессы спиновой релаксации в двумерных массивах Ge/Si квантовых точек.
Найдены условия и пространственная конфигурация квантовых точек, для которых анизотропное обменное взаимодействие не дает вклада в декогеренцию спиновых состояний.
Такая конфигурация квантовых точек может быть применена для построения элементной базы квантовых логических операций.

Зарождение и самоорганизация дислокаций в трёхмерных островках, формируемых в процессе гетероэпитаксии Ge/Si(100)
В.А. Зиновьев, Ж.В. Смагина, П. А. Кучинская, В.А. Армбристер,
A. Marzegalli, F. Boioli, R. Gatti, F. Montalenti, L. Miglio
Показано, что рельеф границы раздела трёхмерных GeSi островков, содержащих дислокации, с подложкой Si(100) представляет собой упорядоченную структуру в виде концентрических колец, отражающих зарождение в островке каждой новой дислокации. Период кольцевой структуры характеризует среднее расстояние, на которое успевает вырасти боковая граница островка между двумя последовательными актами зарождения дислокаций в островке. Центральная часть, «плато», указанной структуры соответствует размеру основания когерентного островка непосредственно перед зарождением в нём первой дислокации.

Программа II.7.4. Наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение (координатор д.т.н. Н. Н. Коваль)
Проект 7.4.1. Научные основы разработки электронно-ионно-плазменного оборудования для создания наноструктурных слоев и покрытий (научный руководитель д.т.н. Н. Н. Коваль Научные основы разработки электронно-ионно-плазменного оборудования для создания наноструктурных слоев и покрытий (научный руководитель д.т.н. Н. Н. Коваль, ИСЭ СО РАН)
Проект 7.4.2. Исследование закономерностей и механизмов электронно-ионно-плазменного формирования наноструктурных слоев и покрытий (научный руководитель д.ф-м. н. Ю. Ф. Иванов, ИСЭ СО РАН)
Проект 7.4.3. Процессы образования поверхностных наноструктурных слоев и покрытий боридов и карбидов при интенсивном воздействии электронным пучком (научный руководитель д.т.н. Н.Н.Смирнягина, ОФП БНЦ СО РАН)

Профили микротвердости стали 45
(ES = 20 Дж/см2; τ = 50 мкс; f = 0,3 Гц)
Осуществлено электровзрывное легирование (ЭВЛ) медью и последующая электронно-пучковая обработка (в широком интервале параметров пучка электронов) поверхности стали 45. Показано, что электровзрывное легирование стали медью сопровождается формированием поверхностного слоя толщиной до 20 мкм с повышенными значениями микротвердости. Последующая обработка стали электронным пучком приводит к увеличению микротвердости поверхностного слоя образца (в ~2 раза, по отношению к стали, подвергнутой ЭВЛ, и в ~6 раз, по отношению к стали исходного состояния). При этом толщина упрочненного слоя практически не изменяется и составляет 20…25 мкм. Показано, что увеличение твердости поверхностного слоя стали обусловлено формированием нанокристаллической многофазной структуры
Поверхность стали 45 после электровзрывного легирования (а) и после обработки электронным пучком (б, в). Сканирующая электронная микроскопия
1- исх.; 2- 5; 3- 10; 4 – 15; 5 – 25; 6 - 50 имп.
Структура поверхностного слоя стали 45 после легирования медью и облучения электронным пучком.
Просвечивающая электронная микроскопия
Формирование нанокристаллической многофазной структуры на поверхности стали 45 при электровзрывном легировании медью и последующей электронно-пучковой обработки
Институт сильноточной электроники СО РАН

Программа II.7.5. Функциональные материалы и структуры для приборов твердотельной техники. Электроника, оптика, системы памяти, сенсоры (координатор ак. Ф.А. Кузнецов)
Проект 7.5.1. Развитие методов создания функциональных материалов и структур на их основе. Определение областей их применения (научный руководитель ак. Ф.А. Кузнецов Развитие методов создания функциональных материалов и структур на их основе. Определение областей их применения (научный руководитель ак. Ф.А. Кузнецов, ИНХ СО РАН)
Проект 7.5.2. Электронная структура и свойства углеродсодержащих наноматериалов (научный руководитель д.ф.-м.н. А.В. Окотруб Электронная структура и свойства углеродсодержащих наноматериалов (научный руководитель д.ф.-м.н. А.В. Окотруб, ИНХ СО РАН)
Проект 7.5.3. Экспериментальные и теоретические исследования новых функциональных материалов и структур (научный руководитель д.ф.-м.н. В.Г. Мартынец Экспериментальные и теоретические исследования новых функциональных материалов и структур (научный руководитель д.ф.-м.н. В.Г. Мартынец, ИНХ СО РАН)
Проект 7.5.4. Физико-химические основы разработки и оптимизации процессов получения фаз переменного состава в системах халькогенидных соединений РЗЭ и переходных металлов, как перспективных функциональных материалов (научный руководитель д.х.н. В.В. Баковец Физико-химические основы разработки и оптимизации процессов получения фаз переменного состава в системах халькогенидных соединений РЗЭ и переходных металлов, как перспективных функциональных материалов (научный руководитель д.х.н. В.В. Баковец, ИНХ СО РАН)
Проект 7.5.5. Лазерные и сцинтилляционные кристаллические материалы: поиск, совершенствование методов и технологий выращивания (научный руководитель ак. Ф.А. Кузнецов Лазерные и сцинтилляционные кристаллические материалы: поиск, совершенствование методов и технологий выращивания (научный руководитель ак. Ф.А. Кузнецов, ИНХ СО РАН)
Проект 7.5.6. Направленный синтез активных диэлектриков и люминофоров на основе сложнооксидных соединений Mo (VI), W(VI) и B (научные руководители д.х.н. Ж.Г. Базарова, д.х.н. Е.Г. Хайкина, БИП СО РАН)
Проект 7.5.7. Перспективные монокристаллы для фотоники и детектирования ионизирующего излучения (научный руководитель д.т.н. А.Е. Кох, ИГМ СО РАН)
Проект 7.5.8. Условия кристаллизиции и реальная структура фаз высокого давления (научные руководители чл.-к. РАН В.С. Шацкий, ИГМ СО РАН Условия кристаллизиции и реальная структура фаз высокого давления (научные руководители чл.-к. РАН В.С. Шацкий, ИГМ СО РАН, д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянов, ИГМ СО РАН)
Проект 7.5.9. Кристаллические материалы для твердотельных детекторов, солнечных элементов и оптики: синтез, рост и свойства (научный руководительд.ф.-м.н. А.И. Непомнящих, ИГХ СО РАН)
Проект 7.5.10. Теплофизические процессы при получении пленок, слитков, поли- и монокристаллов (научный руководитель д.ф.-м.н. В.С. Бердников, ИТ СО РАН)
Проект 7.5.11. Фундаментальные основы создания высокоэффективных лазерных систем на основе анизотропных кристаллов калий-редкоземельных вольфрамов (научный руководитель к.ф.-м.н. С.М. Ватник, ИЛФ СО РАН)
Количество человек, работающих по программе: 239

Выращивание большеразмерных кристаллов ZnWO4
Показана возможность масштабирования режимов, найденных на лабораторной установке, для роста кристаллов ZWO Ø85 мм x 200 мм весом более 7 кг.
Кристаллы для использования в проектах по исследованию темной материи переданы в :
● Institute for Nuclear Res., Kyev
● Max Plank Institute (Germany)
● INFN (Italy)

Рост слитков мультикристаллического кремния
C
A
Созданы основы проектирования промышленного массового производства кремния для нужд солнечной энергетики

Программа II.13.5. Диагностика био- и наноструктур методами СИ и терагерцового излучения на электронных пучках (координатор д.ф.-м.н. Н.А. Мезенцев)
Проект 13.5.1. Проведение исследований на базе источников СИ ВЭПП-3 и ВЭПП-4 (научный руководитель д.ф.-м.н. Н.А. Мезенцев, ИЯФ СО РАН)
Проект 13.5.2. Фундаментальные исследования с терагерцовым излучением на Новосибирском ЛСЭ (научный руководитель д.ф.-м.н. Б. А. Князев, ИЯФ СО РАН)
Проект 13.5.3. Установление структуры низкопроцентных катализаторов с использованием синхротронного излучения (научный руководитель д.ф.-м.н. Д.И. Кочубей, ИК СО РАН)

Фундаментальные исследования с терагерцовым излучением на Новосибирском ЛСЭ
В 2010 году была завершена сборка и проведен запуск второй очереди Новосибирского лазера на свободных электронах (далее ЛСЭ). В настоящее время для пользователей ЛСЭ имеются два источника терагерцового излучения. Первая очередь лазера, запущенная в 2004 году генерирует импульсно-периодическое излучение мощностью до 400 Вт, перестраиваемое в диапазоне 120 – 240 мкм. Вторая очередь, лазерный резонатор на втором треке, генерирует в настоящее время в отладочном режиме излучение в диапазоне 50 – 70 мкм. Ожидается, что в скором времени для пользователей будет доступно излучение в диапазоне 20 – 120 мкм.
Поскольку новосибирский ЛСЭ имеет мощность на четыре порядка величины превышающую мощность самых интенсивных из существующих в мире источников терагерцового излучения, в 2010 году были проведены исследования и получены результаты, не имеющие аналогов в мире.
Характеристики лазерного пучка:
Монохроматическое излучение, перестраиваемое в диапазоне 20 – 240 мкм
Относительная ширина спектральной линии: (0.3 – 1)%
Расхождение пучка: 4.10-3 радиан
Угол линейной поляризации: не менее 99.6%
Непрерывная последовательность импульсов со средней мощностью 200 Вт
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Разработка технологии изготовления металлических сеточных структур для частотной и пространственной селекции мощного излучения терагерцового лазера на свободных электронах
В данной работе разработана методика изготовления методами LIGA-технологии свободновисящих металлических сеточных структур с заранее рассчитанными геометрическими параметрами и с размерами элементов в несколько десятков микрометров. Изготовлены тестовые образцы медных сеточных структур диаметром 40 мм и толщиной 75 мкм.

Программа V.37.3. Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов (координаторы чл.-к. РАН В.И. БухтияровПрограмма V.37.3. Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов (координаторы чл.-к. РАН В.И. Бухтияров и чл.-к. РАН Н.З. Ляхов)
Проект 37.3.1. Научные основы разработки биокомпозитов и систем медицинского назначения на основе ультрадисперсных, наноразмерных и наноструктурных материалов (научные руководители д.ф.-м.н. С. Г.Псахье, д.ф.-м.н. Ю.П.Шаркеев, ИФПМ СО РАН)
Проект 37.3.2. Разработка методов направленного синтеза новых многофункциональных гибридных наноструктурированных материалов на основе оригинальных гетероциклических полимеров с комплексом ценных свойств (научный руководитель ак. д.х.н. Г. Ф. Мячина ИрИХ СО РАН)
Проект 37.3.3. Синтез и исследование наноразмерных и наноструктурированных оксидных материалов и гетерогенных катализатьров на их основе (научный руководитель д.х.н. А.С. Иванова, ИК СО РАН)
Проект 37.3.4. Синтез и исследование особенностей физикохимических свойств наноразмерных металлических каталитически активных 1D – 3D частиц в структуре микропористых оксидов, углеродных материалов и цеолитов (научный руководитель д.х.н. З.Р. Исмагилов, ИК СО РАН)
Проект 37.3.5. Целенаправленный синтез, модифицирование и исследование адсорбционных и каталитических свойств новых наноструктуриро-ванных материалов: композитов «соль в матрице», керметов, металла-люминофосфатов, мезопористых мезофазных силикатов (научные руководители д.х.н. Аристов Ю.И., к.х.н. М.С. Мельгунов ИК СО РАН)
Проект 37.3.6. Направленный синтез наноматериалов с контролируемой морфологией (научный руководитель д.х.н. Н.Ф.Уваров, ИХТТМ СО РАН)

Синтез и исследование адсорбционных и каталитических свойств модифицированных мезопористых мезофазных силикатов
Разработан метод синтеза магнитоотделяемых катализаторов и адсорбентов с морфологией «непористое ядро – мезопористая оболочка». Для этого использован подход, включающий стадии приготовления изолированных наночастиц мангемита, покрытие этих частиц непористым слоем SiO2 и далее мезопористым слоем силикатной мезофазы.
Показано, что синтезированные материалы не имеют такого монодисперсного состава частиц, как подобные материалы без магнитных ядер.
Силикатные материалы с морфологией «непористое ядро – мезопористая оболочка» а) без и б) с магнитыми ядрами
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Синтез и исследование адсорбционных
и каталитических свойств керметов
Разработана методика изготовления керметов с мезопористыми компонентами и их прекурсорами, включающая смешение порошкообразных продуктов, загрузку их в пресс-форму, виброуплотнение, гидротермальную обработку, сушку и прокаливание. Образец кермета, изготовленного из порошкообразного алюминия марки АСД-1 и прекурсора мезопористого оксида алюминия – аморфного продукта ЦТА.
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

В 2010 году по тематике программы опубликовано:
4 монографии
290 статей
23 патента,
Более 320 докладов