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 19-79-00203

НазваниеРазработка системы контроля процесса плазмохимического осаждения на основе оптической спектроскопии и методов машинного обучения для управляемого создания центров окраски в алмазных микро- и нано-структурах

РуководительИсмагилов Ринат Рамилович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаосаждение из газовой фазы, низкотемпературная плазма, механизм формирования, углеродные материалы, наноструктуры, алмаз, оптическая диагностика плазмы, термометрия плазмы, искусственный интеллект, машинное обучение

Код ГРНТИ29.27.49

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время, благодаря уникальным физико-химическим свойствам, алмазные микро- и наноструктуры с активными квантовыми центрами окраски привлекают значительный научный и технический интерес. Одним из перспективных способов синтеза и модификации таких материалов является плазмохимическое осаждение из газовой фазы. Однако в настоящее время остаются нерешенными задачи, связанные с быстрым экспериментальным определением основных характеристик состояния плазмы и влиянием состояния плазмы на формирование различных углеродных материалов. В частности, по этой причине на сегодняшний день метод плазмохимического осаждения не позволяет, за исключением некоторых разновидностей материалов, достичь высоких показателей повторяемости и контролируемого выхода конечного микро- и нано-структурированного продукта. Это относится, прежде всего, к недавно обнаруженным композитным алмазным пленкам, в состав которых входят перспективные монокристаллы алмаза нитевидной, пирамидальной формы. Понимание механизмов формирования потенциально позволит решить проблему контролируемого получения таких монокристаллов нитевидной формы, а также определить способы управления морфологией, внедрением примесных центров в их структуру в ходе осаждения. В проекте предлагается новое решение этой задачи путем применения разрабатываемой установки по автоматическому сбору эмиссионных спектров излучения плазмы и создания карт (пространственного распределения) основных характеристик плазмы. С целью быстрого анализа спектроскопических данных в проекте будут применены современные методы машинного обучения. В проекте будут получены карты пространственных распределений температур газовых подсистем и свободных электронов плазменного объекта, из которого формируются углеродные материалы. Будут выявлены закономерности и связи между пространственными картами параметров плазмы и получаемыми уникальными материалами. В ходе работы будут создаваться композитные алмазные пленки, в состав которых входят перспективные монокристаллы алмаза нитевидной формы с различными центрами окраски. В ходе осаждения будут записываться спектры и карты пространственного распределения основных характеристик плазмы. Детальный сравнительных анализ таких данных, позволит приоткрыть завесу тайн в сложной молекулярной плазме. Полученные результаты создадут научную основу для создания новых или улучшения известных технологий создания перспективных нано- и микроструктурированных алмазных материалов из газовой фазы.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены новые знания о состоянии газовой CH4+H2 смеси, активированной разрядом постоянного тока. На основе обобщения экспериментальных данных будут выявлены особенности формирования нано- и микро-структурированных углеродных материалов из такой активированной газовой смеси. Будут получены новые данные об их структурно-морфологических, фото- и катодо-люминесцентных свойствах. Будут разработаны новые экспериментальные методики на основе методов машинного обучения для быстрого получения информации о пространственном распределении основных параметров молекулярной плазмы как во всем межэлектродном пространстве, так и вблизи подложки. Полученные результаты создадут научную основу для создания новых или улучшения известных технологий создания перспективных нано- и микроструктурированных алмазных материалов из газовой фазы. Возможность управления морфологией нитевидных монокристаллов алмаза и расположением различных центров окраски позволит создать научную основу для создания, например, различных биосенсоров, сверхчувствительных датчиков магнитного поля, генераторов одиночных фотонов. Последнее, в свою очередь, открывает широкие перспективы для экономического прогресса. Поскольку научно-технический задел, лежащий в основе предлагаемого проекта, соответствует мировому уровню исследований, то, учитывая новизну и актуальность планируемых исследований, ожидается, что предполагаемые результаты выполнения данного проекта также будут иметь аналогичный высокий уровень.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе первого года реализации проекта «Разработка системы контроля процесса плазмохимического осаждения на основе оптической спектроскопии и методов машинного обучения для управляемого создания центров окраски в алмазных микро- и нано-структурах» (рассчитанного на два года), заявленный объем работ был выполнен полностью. В частности, к середине 2020 года были достигнуты следующие результаты: 1. Созданы новые и доработаны существующие экспериментальные стенды для проведения автоматического сбора информации о плазме (эмиссионных спектров) во всем межэлектродном пространстве, включая область вблизи поверхности подложки. 2. Написаны дополнительные программные модули обеспечивающие (а) приемлемую скорость движения сканирующего оптического экрана, (б) сохранение, обработку, включая методами машинного обучения, спектров эмиссии плазмы. 3. Впервые получены экспериментальные карты распределения параметров состояния тлеющего разряда постоянного тока в метан-водородной активированной газовой среде во всем межэлектродном пространстве, включая карты конкретной линии излучения, карты различных температур и их градиентов. 4. Оптимизированы режимы осаждения, позволяющие получать кремниевые, германиевые, азотные и другие центры окраски в иглоподобных монокристаллах алмаза. 5. Накоплены пространственные карты оптических эмиссионных спектров для ключевых состояний плазмы, приводящих к росту алмазных микро- и нано-структур 6. Установлены структурные характеристики и физические свойства полученных материалов. Полученные в рамках первого года реализации проекта результаты полностью соответствуют плану заявки и позволяют утверждать, что работы, запланированные на следующий год, будут выполнены в полном объеме и в срок.

 

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе второго года реализации проекта были получены следующие результаты: 1. Произведена корректировка параметров осаждения углеродных материалов, которая позволила улучшить технологию синтеза различных нано- и микроструктурированных углеродных материалов из газовой фазы. Оптимизация и корректировка параметров синтеза осуществлялась с использованием разработанной в рамках настоящего проекта системы контроля осаждения на основе оптической спектроскопии и методов машинного обучения. 2. Оптимизированы параметры осаждения монокристаллических алмазных игл в промышленной установке HFCVD. 3. Выявлены закономерности и связи между пространственными картами параметров плазмы и получаемыми уникальными материалами. Определена динамика изменения карт состояний плазмы при вариации различных ростовых макропараметров. 4. Проведен анализ и обобщение полученных результатов исследования. Осуществлена верификация жидкостной теоретической модели

 

Публикации

1. Исмагилов Р., А.Б. Логинов, С.А. Малыхин, В.И. Клещ, А.Н. Образцов Анализ низкотемпературной плазмы методом оптической эмиссионной спектроскопии с пространственным сканированием Приборы и техника эксперимента, 4, 1-6 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.31857/S0032816221040170

2. Исмагилов Р., С. Малыхин, Пузырь А., Логинов А., Клещ В., Образцов А. Single-Crystal Diamond Needle Fabrication Using Hot-Filament Chemical Vapor Deposition Materials, 14, 9, 2320 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/ma14092320

3. Логинов А. Б., Исмагилов Р. Р., Бокова-Сирош С. Н., Божьев И. В., Образцова Е. Д., Логинов Б. А., Образцов А. Н. Формирование наноструктурированных пленок MoS2, WS2, MoO2 и гетероструктур на их основе Журнал Технической Физики, - (год публикации - 2021)

4. Исмагилов Р., Логинов А., В.И. Клещ, А.Н. Образцов Optical emission spectroscopy mapping for plasma diagnostics during plasma-enhanced chemical vapor deposition Setcor, - (год публикации - 2021)

5. Исмагилов Р., С. Малыхин, Логинов А., Клещ В., Образцов А. Spatially resolved in-situ plasma thermometry for chemical vapor deposition of carbon nanomaterials Materials Chemistry, - (год публикации - 2021)

Возможность практического использования результатов
Достигнутые научно-технические результаты, а также разработанные инструменты и подходы диагностики низкотемпературной молекулярной плазмы, полученные за два года выполнения проекта, потенциально позволят ответить на открытые вопросы в рассмотренной низкотемпературной плазме, а также в других активированных газовых средах, где наблюдаются электронно-колебательно-вращательные полосы свечения двухатомных молекул. В частности, сканирующая установка по автоматическому сбору эмиссионных спектров и компьютерная программа по быстрой обработке спектров позволяет строить уникальные карты пространственного распределения параметров состояния рассмотренной в работе молекулярной плазмы. Достигнутые результаты потенциально позволят применить разработанные подходы для экспресс-исследований похожих активированных газовых сред. Полученные данные о закономерностях процесса газофазного осаждения могут быть использованы для разработки практических методов получения углеродных материалов с различными структурными характеристиками и свойствами. Кроме этого, практическая ценность работы заключается в создании экспериментальной установки и методики для анализа состава и параметров активированной газовой смеси с помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии, которая потенциально позволит усовершенствовать применяемые технологии осаждения углеродных материалов из газовой фазы.