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 22-22-20126
Названиесверхширокодиапазонные поглощающие покрытия на основе нанометровых проводящих пленок
РуководительСтаростенко Владимир Викторович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского", Республика Крым
Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые словамоделирование твердотельных и вакуумных приборов СВЧ, воздействие СВЧ на биообъекты, материалы и функциональную базу твердотельной электроники
Код ГРНТИ29.19.22
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проводящие нанометровые пленки (толщиной от 2 до 15 нм) имеют отличительные физические свойства в сравнении с
проводящими пленками толщиной более 50 нм, полупроводниковыми или диэлектрическими пленками. Эти отличия
заключаются не только в удельной проводимости, но в большей степени в структуре таких пленок. Проведенные нами
исследования показывают, что при толщинах пленок от 2 до 15 нм имеет место резонансное поглощение
электромагнитного излучения. Данные исследования проведены для пленок из меди, алюминия, нихрома и титана в
диапазоне частот от 2,9 ГГц до 25,5 ГГц. Обычно свойства поглощающих покрытий основаны на частотной
интерференции или частотном резонансе покрытий. В случае нанометровых проводящих пленок резонанс обусловлен
преобразованием энергии электромагнитных волн в энергию акустических волн и определяется толщиной пленок -
пространственный резонанс. С явлением пространственного резонанса в оптике столкнулись еще в конце 19-го века,
т.е., с учетом этих результатов и проведенных нами исследований, поглощение нанометровых пленок не зависит или
мало зависит от частоты. При пространственном резонансе поглощение в проводящих пленках достигает 20%
падающей мощности электромагнитного излучения. При проведении экспериментальных исследований
использовались металлодиэлектрические структуры (МДС), проводящие пленки напылялись на подложки из ситалла или
боросиликатного стекла. Практическое использование пространственного резонанса в проводящих нанометровых
пленках возможно при нанесении пленок на гибкие подложки (полиэтилен и т.д.) и создание многослойных структур. В настоящее время отсутствует теория преобразования энергии электромагнитного излучения в акустические волны в
проводящих нанометровых пленках. Это связано со многими факторами, в первую очередь со структурой
поверхностей, которые определяются способами нанесения пленок (магнетронное, ионное или другие способы
напыления). Создание теории позволит прогнозировать свойства поглощающих проводящих пленок и структур на их
основе.
Современные микросхемы используют пленки для соединений активных полупроводниковых приборов, кроме того
проводящие пленки являются основой контактов как полупроводниковых приборов, так и микросхем. В микросхемах
контактные площадки наиболее слабый элемент, определяющий их работоспособность. Проведенные исследования
показывают особенности пробоя в неоднородных проводящих пленках при их работе в напряженных токовых и
тепловых режимах. В настоящее время также отсутствует теория пробоя в неоднородных проводящих и нанометровых
пленках.
Подобных экспериментальных и теоретических исследований для пленочных субмикронных и нанометровых структур
с учетом их неоднородности как по геометрии, так и по электрофизическим характеристикам и с учетом
пространственного резонанса ни в России, ни за рубежом не проводилось
Ожидаемые результаты
по результатам экспериментальных исследований поглощающих свойств проводящих нанометровых пленок в
метровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн определить возможность создания частотно
независящих поглощающих покрытий;
по результатам экспериментальных исследований определить возможности использования гибких материалов в
качестве подложек при напылении на них проводящих пленок, исследовать характеристики многослойных
поглощающих пленок, отработать технологию многослойных поглощающих покрытий;
провести экспериментальные исследования пробойных явлений в неоднородных проводящих пленках, сделать
рекомендации по контактным группам в микросхемах и по защите при воздействии мощных электромагнитных полей;
создать модели преобразования энергии электромагнитного излучения в акустическую энергию с использованием
волнового уравнений, уравнения теплопроводности, уравнений механики и акустики; разработать модели преобразования энергий в кинетическом приближении, с учетом квазиупорядоченности структуры нанометровых
проводящих пленок и фононных колебаниях в этих структурах; теоретически обосновать частотную зависимость или
независимость поглощения нанометровых пленок при преобразовании энергий;
разработать модели пробоя в неоднородных пленках с учетом ударных волн давления при воздействующих полях,
превышающих определенный уровень.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Отказоустойчивость радиоэлектронных изделий при воздействии на них электромагнитного излучения связана не только с резистивными свойствами сверхтонких металлических дорожек, через которые можно ограничить ток, но также и с общим антенным механизмом. Микро- и наноразмерные элементы в составе интегральных схем, совместно с выводами на внешние контакты, представляют собой разветвлённую 3D антенну. Внешняя электромагнитная волна может не только навести помехи, но и привести к деградационным явлениям непосредственно в самих микросхемах. Ключевым вопросом при этом остаётся конкретное значения полей, при которых происходит сбой в работе микросхем, а также их критические значения, при которых происходит полный отказ устройства.
Строгий подход к описанию взаимодействия электромагнитного излучения с проводящей реальной средой, каковой являются современные микро- и наноразмерные элементы требует учета многих видов неоднородностей, вносимых её дефектами. Поэтому более детализированная картина наноразмерной структуры должна опираться на комплексный подход статистических и детерминированных методов, в основе которых лежит квантовое представление твердотельной среды взаимодействия.
Отрицательным аспектом в использовании неоднозначно упорядоченных материалов в современной радиотехнике является нестабильность их свойств, а точнее, сложная предсказуемость и трудная управляемость их электрофизическими характеристиками в процессе получения. Электропроводность здесь является базовым параметром, от которого зависят мощностные, частотные и многие другие характеристики радиоэлектронного прибора. Именно поэтому предпринята попытка описания проводимости наноупорядоченных, в том числе и аморфных, структур с точки зрения квантового подхода, опираясь при этом на формализм уравнения Шредингера.
Для повышения достоверности моделирования в качестве прототипа теоретической модели слоистонеоднородных проводящих структур (СНПС) взята типичная структура, полученная с помощью измерительной установки сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), оснащённая оптической головкой с разрешающей способностью по высоте 0,8 нм. Материал плёнки — алюминий, подложка из ситалла, перед напылением подложка подвергалась плазменной шлифовке – убирались неоднородности высотой более 10 нм. Аналогичный вид имели СНПС с плёнками из меди, нихрома и титана с подложками из различных видов стекла.
Теоретическая модель проводящей плёнки, с учетом реальной структуры, размещённой на поверхности диэлектрической подложки, представлена как слоистая двумерно-периодическая (в поперечном сечении) решётка с периодами вдоль соответствующих осей. Элементарную ячейку проводящей плёнки описывает двумерная функция. Проводящие островки аппроксимировались цилиндрами разных радиусов и высот, причём, высота цилиндров соответствовала толщине проводящей плёнки. Для каждой стадии изменения проводящего слоя на подложке рассчитаны оптические коэффициенты.
Данные алгоритмы также использовались в численных методах, примененных для расчёта дифракционной картины электромагнитного поля на металлодиэлектрических структурах. Описанный алгоритм применен в разработанной численной модели для определения кинетических коэффициентов для электронов проводимости в тонких пленках. Данная численная модель оформлена в виде отдельного программного продукта "Воздействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на слоисто-неоднородные пленочные структуры", на который получено свидетельство о регистрации программ для ЭВМ.
Кроме того, в ходе выполнения работы было разработаны несколько установок по воздействию электромагнитного излучения (ЭМИ) на проводящие и диэлектрические структуры в волноводном тракте и в открытом пространстве.
Особенности схемных решений для исследований предельных радиофизических взаимодействий, приводящих к необратимым деградационным процессам в наноструктурированных и наноразмерных структурах, обусловлены в первую очередь значительными мощностями падающего излучения. Экспериментальная сложность создания и работы больших установок, обеспечивающих предельные режимы, была решена выбором импульсного режима излучения. Такой подход имеет ряд преимуществ, главные из которых это возможность точного задания и подсчёт излучаемой мощности магнетрона, а также возможность получать большие значения мощности электромагнитных волн при малых величинах питающего напряжения, которое можно переопределить равенством с волновым сопротивлением.
С применением разработанных установок получены экспериментальные данные по стойкости СНПС в зависимости от времени воздействия, мощности воздействия для разных материалов подложек и пленок, хорошо согласующиеся с результатами численного моделирования по разработанной численной модели.
Публикации
1. Мазинов А.С., Фитаев И.Ш., Болдырев Н.А. Ослабление нормальной составляющей отраженной электромагнитной волны комбинированными радиопоглощающими покрытиями ПИСЬМА В ЖУРНАЛ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, Т. 48. – № 19. – С. 27-30. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.19.53592.19324
2. Старостенко В.В., Григорьев Е.В., Мазинов А.С., Арсеничев С.П., Таран Е.П., Старосек А.В., Фитаев И.Ш. Динамика нагрева металлодиэлектрических структур с нанометровыми проводящими пленками при воздействии СВЧ-полей Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, Т. 14. – № 3. – С. 243-248. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.17725/rensit.2022.14.243
3. Таран Евгений Павлович, Зуев Сергей Александрович Программная модель воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на слоистые пленочные структуры в свободном пространстве -, 2022683429 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ) на метаматериалы, входящие в структуру типа «сэндвич» («метаструктура-проводящая нанопленка») необходимо рассматривать как задачу дифракции падающего ЭМИ на структуре. В результате взаимодействия ЭМИ со структурой типа «сэндвич» образуются отраженная, прошедшая и поглощенная волны. Поскольку объект типа «сэндвич» представляет собой слоистую пленочную структуру с пространственной и омической неоднородностью, то необходимо решать задачу дифракции падающей электромагнитной волны на данной структуре. Особенности дифракции ЭМИ на структуре типа «сэндвич» определяются не только электрофизическими и геометрическими структуры, но и взаимной ориентацией объекта относительно падающей волны (поляризационный фактор).
Построение численной модели дифракции для прямоугольного волновода со структурой типа «сэндвич» проводилось с использованием метода конечных разностей во временной области (КРВО) основано на разбиении моделируемой области элементарными пространственно-неоднородными ячейками (Yee-ячейки). Пространственное распределение компонент электромагнитного поля в элементарной Yee-ячейке.
В процессе выполнения работы предложена модель проводящей пленки с учетом реальной структуры напыления.
Выявлено, что наибольшая плотность тока сосредоточена по середине поверхности МДС перпендикулярно вектору электрической компоненте поля, а также большая плотность тока наблюдается в местах соединения островков. Поэтому при воздействии ЭМИ выгорают проводящие каналы, расположенные ближе к середине МДС.
Случайность направления образованных проводящих каналов создает при их выгорании широкую и ветвистую картину.
В ходе исследований выявлено, что метаструктура позволяет значительно снизить нормальную составляющую отраженной волны, примерно в 6 раз, по сравнению с зеркалом. При наложении на фронтальную поверхность алюминиевой тонкой пленки общая мощность еще падает на 14,71 %, а также боковые лепестки становятся более выраженными и разветвленными. Это указывает нам на способность тонких пленок к поглощению части падающей электромагнитной волны, и, соответственно, такие комбинированные структуры являются эффективнее простых МС на тех же частотах.
Моделирование показало, что общая мощность при использовании диагональной МС с пленкой падает на 22 %, что позволяет нам говорить о том, что данные образцы явно плохо взаимодействую с внешним полем, вследствие своего большого сопротивления. Также совместное использование слоистых структур с нанопленками на данном этапе не показало хорошего результата. Полученные данные позволяют увидеть резкое увеличение общей мощности при внесении в структуру тонких пленок. Это объясняется тем, что добавление более двух слоев компонентов приводит к появлению нежелательных эффектов: дополнительному переизлучению между слоями, и, вследствие, высокому показателю отражения. Самые лучшие результаты показала двухслойная МС «кресты», снижая нормальную составляющую отраженной волны так же, как и МС-1, более, чем в 3 раза. При добавлении дополнительного слоя метаповерхности (который был бы зеркален предыдущему) ослабляющие способности общей поверхности увеличиваются. Это происходит благодаря перераспределению падающих волн между двумя противоположно направленными слоями (происходят схожие процессы, как и в шахматных структурах).
Метаповерхность состояла из трехмерных объектов и задается соответствующий материал для элементов, обладающих проводимостью. Источник электромагнитного излучения располагается в волноводном переходнике перед раскрытием рупора. Так же необходимо ограничить область, в которой будет определено решение системы уравнений. Очевидно, что выбирается сферическая область, в которой находится система, а среда внутри области – воздух, как показано на рисунке. Однако в ходе исследования было выявлено, что для сферической области необходимо в ~3,5 раз больше элементов разбиения, чем использование прямоугольной. На раскрытии рупора задаются граничные условия – полное отражение электрической компоненты от стенок рупора. На границе исследуемой области – полное поглощение электромагнитной волны для предотвращения переотражений внутри системы. Источнику электромагнитной волны задается линейная поляризация.
Были проведены работы по напылению тестовых структур.
В процессе исследований было установлено, что значения КСВН и ослабления при расположении МДС нормально или параллельно оси волновода и параллельно вектору напряженности электрической компоненте поля волны Н10 одинаковы. Выбиралась та ориентация МДС относительно оси волновода, которая была удобна для проведения измерений.
При электротепловом воздействии исследуемый образец помещался в измерительную секцию волноводного тракта и после воздействия СВЧ-излучения температура образца измерялось пирометром «МЕГЕОН 16350» через специальное отверстие. Затем образцу давали остыть до температуры окружающей среды и повторяли измерения с другой мощностью ВЧ-генератора. Поскольку при температурных измерениях возможны значительные погрешности, то проводилось пять циклов экспериментов с последующим усреднением полученных значений.
Для установления связи между дифракционными характеристиками воздействующих волн с металлодиэлектрической структурой и физическими явлениями в проводящих структурах толщиной 1-10 нм можно использовать значение их электропроводность. Это позволит перейти от сложного анализа их морфологии к более простому измерению их сопротивлений.
Исследования дифракционных характеристик позволили установить, какая часть мощности падающей волны, поглощаемая металлодиэлектрической структурой и трансформируемая в тепловую, определяет радиофизические явления в проводящих структурах толщиной 1-10 нм и динамику их протекания.
Исследования дифракционных характеристик при взаимодействии электромагнитных волн с различными типами объектов и материалов в открытом пространстве и СВЧ-диапазоне сопровождается рядом особенностей, которые приводят к сложности определения точных значений дифракционных коэффициентов из-за низкого уровня принимаемого сигнала антенными преобразователями. Это связано с тем, что при зондировании образца отраженная и прошедшая волны рассеиваются во всех направлениях с разной степенью интенсивности. Величина значений измеряемых параметров в основном зависит от частоты излучения, геометрических размеров образца, направленности антенн, отражающей способности предметов около измерительной установки, и т.д. Таким образом при проведении исследований зачастую можно судить лишь о характере изменения параметров отражения, прохождения и поглощении при различных толщинах структурных образований. Исходя из этого, удобно использовать сравнительную методику, при которой измеряются дифракционные коэффициенты как исследуемого сигнала, так и объекта с известными значениями.
Для исследования эффективности рассеивающих покрытий был использован метод бистатического исследования: измерялся уровень отраженного от структуры излучения при изменении положения приемной антенны.
Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты по поглощению электромагнитных волн в промежутке частот 3 – 25,5 ГГц показали, что основным механизмом ослабления являются омические потери, наблюдающиеся при взаимодействии падающей электромагнитной волны с нанометровой проводящей структурой и при толщине пленки 5 – 7 нм поглощение может достигать значений вплоть до 50 %. Поэтому для построения комбинированной ослабляющей поверхности были выбраны алюминиевые структуры толщиной 5 нм.
Работы по заявленному плану полностью выполнены.
Публикации
1. ГРИГОРЬЕВ Е.В., МАЗИНОВ А.С., АРСЕНИЧЕВ С.П., СТАРОСЕК А.В., ФИТАЕВ И.Ш., ТАРАН Е.П., СТАРОСТЕНКО В.В. ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В СТРУКТУРАХ С НАНОМЕТРОВЫМИ ПРОВОДЯЩИМИ ПЛЕНКАМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СВЧ-ПОЛЕЙ СВЧ-ТЕХНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, № 5. С. 134-135 (год публикации - 2023)
2. ГУБАЙДУЛЛИН Р.Г., ГРИГОРЬЕВ В.В., МАЗИНОВ А.С., ПОЛЕТАЕВ Д.А. СРАВНЕНИЕ РАССЕИВАЮЩИХ СВОЙСТВ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ СВЧ-ТЕХНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, № 5. С. 132-133 (год публикации - 2023)
3. Мазинов А. С. А., Падалинский М. М., Болдырев Н. А., Старосек А. В. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАССЕИВАЮЩИХ СВОЙСТВ БЛОЧНЫХ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ В ДИАПАЗОНЕ 16-25 ГГЦ И СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ ИЗВЕСТИЯ САРАТОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. НОВАЯ СЕРИЯ. СЕРИЯ: ФИЗИКА, Т. 23, № 2. – С. 102-111. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18500/1817-3020-2023-23-2-102-111
4. Мазинов А. С. А., Падалинский М. М., Болдырев Н. А., Старосек А. В. Исследование поглощающих свойств компактного поглотителя на основе метаматериала и нанометровой проводящей пленки Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), pp. 304-307 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/RSEMW58451.2023.10202152
5. - продление гранта в рамках региональных конкурсов РНФ сайт физико-технического института кфу, интернет-страница (год публикации - )
6. - кафедре радиофизики и электроники продлили грант в рамках региональных конкурсов РНФ тема "сверхширокодиапазонные поглощающие покрытия на основе нанометровых проводящих пленок" вконтакте, интернет-страница (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано