Функциональные оптические материалы для ГГц и ТГц диапазонов на основе нано и микропористых сред.

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 22-72-10033

НазваниеФункциональные оптические материалы для ГГц и ТГц диапазонов на основе нано и микропористых сред.

Руководитель Катыба Глеб Михайлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Терагерцовое излучение, нанопористый диоксид кремния, профилированные кристаллы сапфира, пористая карбидокремниевая керамика, широкополосная диэлектрическая спектроскопия, электродинамический отклик, элементная база оптики.

Код ГРНТИ29.31.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последнее время все большее внимание уделяется фундаментальным и прикладным исследованиям, направленным на поиск и применение новых функциональных материалов с управляемыми (наперед заданными) оптическими свойствами. Разработка таких материалов особенно актуальна для оптики ГГц и ТГц диапазонов, для которых номенклатура эффективных оптических материалов и технологий их получения и обработки остается весьма ограниченной. Широко применяемые оптические материалы, такие как высокорезистивный кремний (HRFZ-Si) с показателем преломления, при 1 ТГц, n=3.42, сапфир (n=3.07), кристаллический кварц (n≈2.11), германий с (n=4), полиметилпентен (n=1.46), полиэтилен высокой плотности (n=1.54) и др., позволяют использовать лишь ограниченный набор оптических постоянных. Тем более отсутствует возможность плавного изменения оптических характеристик элементов на основе таких материалов. Для сравнения, при конструировании оптических устройств и их элементов в ИК и видимом диапазонах список материалов, методов их получения и обработки намного богаче [см. например Handbook of Laser Science and Technology Supplement 2: Optical Materials, 2020, CRC Press, e-book, p.848]. Перспективным представляется подход к созданию новых оптических материалов, который связан с использованием нанопористых и нанокомпозитных сред, оптические характеристики которых могут изменяться в широких пределах за счет управления пористостью и составом. В оригинальной статье научной группы [Opt Mat Exp 10(9), 2100, 2020] впервые показана возможность применения нанопористых субмикронных глобул из аморфного диоксида кремния (SiO2), образующих опаловую матрицу, в качестве функциональных материалов ТГц оптики. Была продемонстрирована принципиальная возможность использования данного материала для создания на его основе оптических элементов с возможностью управления показателем преломления за отжига при различных температурах [Opt. Exp. 29(9), 13764-13777, 2021]. В ходе выполнения настоящего проекта РНФ научной группой будет рассмотрено несколько типов нанокомпозитных материалов, перспективных для применения в ГГц и ТГц диапазонах. Цель проекта – разработка и характеризация новых функциональных оптических материалов с управляемым электродинамическим откликом для ГГц-ТГц диапазонов на основе микро и наноструктурированных диэлектрических сред различной природы: нанопористых опаловых матриц, профилированных кристаллов сапфира и карбидокремниевой керамики. Для достижения сформулированной цели в проекте будет решен комплекс фундаментальных и прикладных задач по трем направлениям исследований. НАПРАВЛЕНИЕ I – Исследование возможности управления эффективным электродинамическим откликом материалов на основе опаловых матриц из наноглобул SiO2. Будут разработаны подходы к наполнению опаловых матриц диэлектрическими наночастицами с высоким показателем преломления (к примеру, частицами TiO2, PbTe, GeTe и другими соединениями с высоким показателем преломления в ГГц-ТГц диапазонах). Наполнение металлическими (плазмонными) наночастицами позволит увеличить диэлектрическую проницаемость материала в низкочастотной области спектра, вдали от спектрального положения плазмонных резонансов. Разработанные нанокомпозиты будут охарактеризованны в широком спектральном диапазоне методами ГГц и ТГц спектроскопии. Будет проведено сравнение экспериментальных данных и численного моделирования. НАПРАВЛЕНИЕ II – Разработка и характеризация микропористых сред на основе профилированных кристаллов сапфира. Будет осуществляться управляемое внедрение дефектов для локального измерения показателя преломления профилированного сапфира и/или создание таких сред на основе массивов сапфировых волокон различной конфигурации. В качестве примера можно упомянуть т.н. «оптические флэт-бенды» (optical flat-band) [Advances in Physics: X, 6(1), 1878057б 2021], которые представляют собой материал с периодической модуляцией показателя преломления в двух измерениях, и, соответственно, обладает по крайней мере двумя запрещёнными зонами в спектре (причём по крайней мере одна из них полностью плоская), что позволяет реализовать бездисперсионный режим передачи излучения на частоте, соответствующей спектральному положению запрещённой зоны. При распространении излучения в направлении, параллельном оптической оси единичного сапфирового волокна будет реализован именно такой режим передачи излучения. НАПРАВЛЕНИЕ III – Изучение оптических характеристик пористых керамик на основе карбида кремния (SiC) в ГГц-ТГц диапазоне и разработка оптических элементов на их основе. Ранее было показано, что монокристаллический высокоомный SiC может представлять интерес в качестве материальной платформы для ТГц оптотехники из-за малых потерь и высокого показателя преломления [Opt Exp 24(3), 2590-2595 (2016)]. Такие кристаллические среды обладают существенными недостатками (чувствительность диэлектрических характеристик к наличию дефектов и примесей, сложность обработки и изготовления оптических элементов сложной формы). В настоящем проекте предлагается оценить перспективность использования в качестве материала для ТГц оптики пористую SiC керамику, которая может быть получена различными методиками [Tech Phys. 62(12), 1869-1876 (2017)]. Таким образом, предлагаемый проект позволит систематически изучить свойства наноструктурированных диэлектрических сред различной природы в ГГц-ТГц диапазоне и оценить перспективность их использования в качестве функциональных оптических материалов с управляемым электродинамическим откликом. Проект будет выполняться отдельной научной группой под руководством к.ф.-м.н. Г.М. Катыбы на уникальной технологической и исследовательской базе ИФТТ РАН в сотрудничестве с научными коллективами из ИОФ РАН, МФТИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты проекта будут опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, представлены на международных научных конференциях, а также найдут свое отражение в квалификационных работах молодых исследователей – магистерских и кандидатских диссертациях. Участие в выполнении проекта молодых ученых, студентов и аспирантов позволит расширить их научный кругозор, поспособствует получению ими бесценного опыта проведения научных исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) Разработана методика изготовления образцов пористых опалоподобных структур (опалов) на основе полых частиц различного диаметра и толщины стенки. Обеспечен cинтез монодисперсносных частиц-ядер из PMMA, отклонения по диаметру составляют не менее 5%. Степень усадки опалоподобной структуры не превышает 20% в продольном направлении при применении разработанной методики. 2) Изготовлены образцы пористых опалов на основе полых частиц диаметра D=430, 500, 700, h=30 нм осажденных в ГПУ решетку. Получены частотные зависимости оптических характеристик изготовленных опаловых структур в ТГц диапазоне (показатель преломления и потери). Эти данные хорошо совпадают с модельной аппроксимацией в рамках теории эффективной среды. Продемонстрирована возможность плавной перестройки оптических характеристик разрабатываемых сред в диапазоне. Возможным является изготовлением на их основе волноводов со ступенчатым показателем преломления и предельно малым диэлектрическим контрастом. 3) Предложено использовать жгут расходящихся сапфировых волокон с металлической оболочкой, уложенных в регулярную решетку для проведения ТГц визуализации со сверхразрешением в диапазоне 0.29-0.39 ТГц, в отличие от полностью диэлектрических жгутов, не будет негативного влияние обмена энергией между соседними волокнами на пространственное разрешение. 4) Разработана физико-математическая модель процесса формирования изображений при помощи массива расходящихся волокон, рассчитана Модуляционно-передаточная Функция таких жгутов. Показана возможность визуализации при помощи таких волокон. Показаны результаты моделирования процесса визуализации мир Фуко. Продемонстрирована возможность проведения сверхразрешающей визуализации при помощи расходящегося жгута волокон с металлическим напылением, причем жгут хорошо работает на длинах волн более чем 900 мкм. 5) Получены результаты экспериментальных измерений функции рассеяния жгутов и их МПФ. Для «металлического» пучка были проведены четыре отдельных эксперимента на длинах волн 800, 860, 922 и 1030 мкм соответственно. Параметр δ рассчитывался при различных длинах волн λ путем аппроксимации полученной функции отклика гауссовой функцией и оценки её размера по критерию FWHM (панель (c)). При увеличении длины волны δ уменьшается для металлического жгута (минимальное значение параметра разрешения δ ≈ 0.28 λ). Другим способом оценки разрешения является использования критерия достижения МПФ некой пороговой величины (например 10% от максимума). Параметр разрешения будет определятся в таком случае формулой δ_exp=1/(2ν_sp), ν_sp – пространственная частота на которой МПФ составляет 10% от максимальной. Полученный параметр δ_exp показан на вставке панели (g), также дано сравнение с расчетом на основе теоретической МПФ. Тем не менее, наблюдается некоторое расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментом, что в основном связано с низким отношением сигнал/шум (≤ 0.1 в наших ТГц измерениях). Однако оба метода оценки разрешения демонстрируют возможность достижения дифракционного предела Аббе. Аналогичные эксперименты были проведены для «диэлектрического» жгута волокон (рабочие длины волн составляли соответственно 785, 862, 911, 980 и 1010 мкм), причем два основных случая приведены на панели (d) (785 мкм) и (e) (980 мкм). Были экспериментально продемонстрированы эффекты обмена энергией между соседними волокнами (панель (е)), что приводит даже к большему увеличению параметра разрешения δ) 6) Проведена оптимизация геометрии ТГц антирезонансного волновода и измерены его потери, минимальные потери составляют около 10 дБ/м. Предложена новая схема нормировки спектров отражения от ТГц эндоскопа в сочетании с плоским сапфировым окном (без использования золотого зеркала). Проведены тестовые измерения для апробации данной методики. 7) Изготовлены 2 образца SiC защитных покрытий для ТГц спектроскопических измерений (слой SiC толщиной 50 и 100 мкм, нанесенный на плоскую полированную пластину из молибдена). Проведены измерения ТГц спектров отражения. 8) Получены частотные зависимости ТГц комплексной диэлектрической проницаемости и проводимости пористой биоморфной SiC керамики на основе березы и дуба. Измерена пористость изготовленых образцов методом гидростатического взвешивания. Проведено исследование структуры SiC керамики методами сканирующей электронной микроскопии. Проведена ЛОВ-спектроскопия «на пропускание». Проведено фитирование динамической проводимости материала керамики моделью Друде.

Публикации

1. Катыба Г.М., Лебедев С.П., Кучерявенко А.С., Долганова И.Н., Черномырдин Н.В., Бурданова М.Г., Спектор И.Е., Скоробогатый М., Курлов В.Н., Зайцев К.И. Terahertz refractometry of hard-to-access objects using the sapphire endoscope suitable for harsh environments Applied Physics Letters, 124, 243703 (2024) (год публикации - 2024)
10.1063/5.0207898

2. Радивон А.В., Катыба Г.М., Рагинов Н.И., Черных А.В., Езерский А.С., Циплакова Е.Г., Раков И.И., Пауков М.И., Старченко В.В., Арсенин А.В., Спектор И.Е., Зайцев К.И., Красников Д.В., Петров Н.В., Насибулин А.Г., Волков В.С., Бурданова М.Г. Enhancing the capabilities of generating THz vortices by utilizing advanced spiral zone plates based on carbon nanotubes IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 407-407 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624555

3. Катыба Г.М., Лебедев С.П., Кучерявенко А.С., Долганова И.Н., Каледин А.В., Зотов А.К., Бурданова М.Г., Зайцев К.И., Курлов В.Н. Sapphire THz waveguides for sensing and endoscopy applications IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 551-551 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624354

4. Радивон А.В., Катыба Г.М., Рагинов Н.И.. Черных А.В., Езерский А.С., Циплакова Е.Г., Раков И.И., Пауков М.И., Старченко В.В., Арсенин А.В., Спектор И.Е., Зайцев К.И., Красников Д.В., Петров Н.В., Насибулин А.Г., Волков В., Бурданова М.Г. Expanding THz Vortex Generation Functionality with Advanced Spiral Zone Plates Based on Single‐Walled Carbon Nanotube Films Advanced Optical Materials, 2024, 12, 2303282 (год публикации - 2024)
10.1002/adom.202303282

5. Катыба Г.М., Кучерявенко А.С., Каледин А.В., Зотов А.К., Долганова И.Н., Зайцев К.И., Курлов В.Н. ПРИБОРЫ И ИНСТРУМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ПРОФИЛИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ САПФИРА ДЛЯ ТГЦ ЭНДОСКОПИИ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации: Труды XVII Международной научно-технической конференции, Суздаль, 23–26 сентября 2024. IEDN: AATSVA. М.: НТЦ УП РАН, 2024., Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации: Труды XVII Международной научно-технической конференции, Суздаль, 23–26 сентября 2024 (год публикации - 2024)
10.25210/armimp-2024

Возможность практического использования результатов
Разработанные ТГц оптические материалы могут быть внедрены на практике в экономику реальных отраслей России. Прототипы элементов на основе углеродных нанотрубок могут быть применены для разработки гибкой оптоэлектроники для 6G технологий, высокопористые опалы с малым показателем преломления станут основой элементов интегральной фотоники (переключателей и разветвителей пучка, планарных волноводов) с околонулевой дисперсией. Более того, развиты методы дистанционных ТГц эндоскопических измерений, который могут быть кране полезны для решения задач медицинской диагностики и контроля качества материалов (см. ниже).