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 19-79-10208
НазваниеФото-термо-химический синтез наночастиц и наноструктур с прогнозируемыми плазмонными свойствами
Руководитель Сергеев Максим Михайлович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург
Конкурс №41 - Конкурс 2019 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 наночастицы, термодиффузия, фотохимические реакции, лазерное излучение, лазерная абляция, пористое стекло, золь-гель пленка, теория эффективной среды, плазмонный резонанс, теория Ми, приближение Максвелла-Гарнетта, приближение Бруггемана
Код ГРНТИ29.31.27, 29.33.47, 29.33.51
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку научных основ прогнозирования и коррекции оптических свойств композитных материалов с наночастицами и наноструктурами в процессе их лазерного синтеза. Разработка и совершенствование методов синтеза наночастиц и наноструктур с плазмонными свойствами все чаще приобретает ключевое значение для создания новых оптических материалов в виде элементов фотоники, микроаналитики, фотовольтаики и оптоэлектроники, квантовых вычислительных систем, оптической памяти и т.д. Особое внимание уделяется методам поэлементного изготовления сложных интегральных систем в виде химико-биологических сенсоров, лабораторий на чипе (lab-on-chip), устройств солнечной энергетики, где важным становится локализация изменения свойств наночастиц, заключенных в общую матрицу (или расположенных на единой подложке). Применение лазерных технологий при изготовлении подобных элементов представляет наибольший интерес. В настоящее время накоплен достаточный опыт по лазерному синтезу наночастиц и их организации в структуры, например, в виде наноантенн и метаматериалов, о чем свидетельствует огромное количество публикаций в высокорейтинговых журналах за последние годы. Однако, для большинства методов лазерного синтеза наночастиц и наноструктур в композитных материалах отсутствует возможность управления и коррекции их оптических свойств в локализованном пространстве в процессе лазерного воздействия. Для прямой лазерной записи наноструктур с явно выраженными плазмонными свойствами отсутствие прогнозирования оптических свойств композита становится весьма критичным, что существенно ограничивает возможности применения лазерных технологий. Именно поэтому в настоящее время чрезвычайно актуален поиск различных подходов к решению данной научной проблемы.
Для решения научной проблемы предполагается выполнить следующие задачи: провести исследование фотохимических и фототермических процессов зарождения, роста и разложения наночастиц благородных металлов, заключенных в пористые пленки и стекла, прозрачные в видимом диапазоне длин волн; исследовать термохимические процессы лазерного синтеза наночастац благородных металлов из парогазовой фазы, формирующихся в результате испарения-конденсации; выявить возможности управления характеристиками наночастиц с помощью лазерного воздействия; разработать модель для прогнозирования оптических свойств композитов, изменяющихся в процессе лазерного воздействия, в основу работы которой будут заложены фото-термо-химические механизмы синтеза наночастиц и наноструктур с плазмонными свойствами.
Научная новизна проекта заключается в предложении нового решения по прогнозированию оптических свойств наноструктур, которое будет основано на комплексном подходе к теоретическому описанию и экспериментальному обоснованию механизмов зарождения, роста и разрушения наночастиц в композитах. Знания, полученные в ходе выполнения проекта, будут применены для реализации технологического процесса с возможностью коррекции плазмонных свойств наночастиц и, следовательно, оптических свойств композита в целом. В будущем возможность подобного прогнозирования откроет новые перспективы для разработки алгоритмов машинного обучения в технологиях лазерной записи метаповерхностей и функциональных материалов, элементов для устройств фотоники и микроаналитики, когда условия лазерной обработки будут корректироваться в процессе их создания в автономном режиме без участия оператора. Для этого будут необходимы модельные представления, связывающие условия лазерной обработки с оптическими характеристиками самого композита, которые могут быть интегрированы в программную среду с возможностью реализации обратной связи. Актуальность разработки подобных киберфизических систем (Cyber-Physical Systems) различного уровня и назначения сложно переоценить в современном мире. Подобные системы, создавая тесную связь и координацию между вычислительными (выходные параметры в виде результатов моделирования) и физическими ресурсами (входные параметры в виде экспериментальных данных), обеспечивают гармоничную работу автоматизированных систем. В таких системах реализуется непрерывный цикл обмена данными в виде прямой-обратной связи, где изменения физической системы начинают оказывать влияния на вычисления модели и наоборот. Таким образом, киберфизическая система прямой лазерной записи наноструктур с полной автоматизацией процесса может стать перспективным развитием результатов проведенных в проекте исследований.
Стоит отметить, что модельных представлений, комплексно связывающих механизмы фото-термо-химического синтеза наночастиц и их свойства с оптическими характеристиками композита и условиями лазерного облучения, до сих пор не существует. Разрозненные и несвязанные между собой теории и модели, описывающие фотохимический синтез наночастиц, оптические свойства композита с наночастицами, поглощение лазерного излучение и нагревание материала, не позволяют в полной мере объяснить результаты многих экспериментов. В настоящее время над возможностью прогнозирования плазмонных свойств наночастиц, изменяющих свои свойства под действием лазерного излучения, активно работают научные коллективы по всему миру. В том числе, решением данной проблемы заняты сотрудники лаборатории Юбера Кюрьена французского национального центра научных исследований Университета Жанна Монне (F. Vocanson, N. Destouches и T.E. Itina), с которыми ведется сотрудничество авторов настоящего проекта. Авторами проекта проведены многочисленные исследования по лазерному формированию наночастиц в пористых стеклах и пленках, полученных золь-гель методом, а также по лазерному синтезу наночастиц с плазмонными свойствами в результате абляции драгоценных и цветных металлов с последующим формированием покрытий на обработанной поверхности. Кроме того, участие в проекте профессора Итиной Т.Е., работающей в университете ИТМО в рамках программы привлечения ведущих мировых ученых в Российские учреждения высшего образования, позволит создать новую самостоятельную группу из коллектива молодых научных сотрудников, способных участвовать в международных коллаборациях и решать научные задачи мирового уровня.
Результаты исследований, полученные в рамках проекта, будут иметь мировой уровень, поскольку изучение механизмов синтеза металлических наночастиц и нанокристаллов, обладающих явно выраженными плазмонными свойствами, периодических наноструктур в виде метаматериалов и многослойных пленок с нанообъектами являются весьма актуальными направлениями. Моделирование процессов синтеза наночастиц и наноструктур найдет свое применение в проектировании и создании наноструктур различной архитектуры в виде элементов фотоники, в установлении связей между условиями изготовления наноструктур и их свойствами.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ