В состав отдела входят лаборатории:
Лаборатория гетерофазных оптических процессов, заведующий- к.ф.-м.н В.И. Пустовой.
Лаборатория физики рельефной поверхности, заведующий- д.ф.м.-н А.В.Раков.
Лаборатория поверхностных явлений, заведующий- к.ф.-м.н К.Н. Ельцов.
Лаборатории рентгеновская диагностика, заведующий- д.ф.м.-н. В.К Чевокин.
Лаборатория лазерной биофизики, заведующий– к.ф.-м.н. В.В.Савранский
Лаборатория электрофизических исследований, заведующий- д.ф.м.-н. С.А Баренгольц.
Лаборатории прикладной волоконной оптики, заведующий- к.ф.-м.н Г.Л. Даниелян.
Лаборатория технологии наноструктур, заведующий-к.ф.-м.н. Никитин А.П.
Лаборатория медицинской лазерной техники, заведующий-к.ф.-м.н. Зубов Б.В.
1. Пустовой Владимир Иванович (председатель), к.ф.-м.н., зав.отдела ЛФ, зав.лаб.
2. Андрюшечкин Борис Владимирович, к.ф.-м.н.
3. Баренгольц Сергей Александрович, д.ф.-м.н., зав.лаб.
4. Быков Владимир Павлович, д.ф.-м.н.
5. Бордо Владимир Георгиевич, д.ф.-м.н.
6. Даниелян Георгий Львович, к.ф.м.н., зав.лаб.
7. Ельцов Константин Николаевич, д.ф.-м.н., зав.лаб.
8. Зубов Борис Викторович, к.ф.-м.н., зав.лаб.
9. Новиков Юрий Алексеевич, д.ф.-м.н.
10. Раков Александр Васильевич, д.ф.-м.н., зав.лаб.
11. Савранский Валерий Васильевич, к.ф.-м.н., зав.лаб.
12. Чевокин Виктор Константинович, д.ф.-м.н., зав.лаб.
13. Караванский Владимир Андреевич, (секретарь), к.ф.-м.н.
Основные направления и результаты исследований
Получение и исследование свойств полупроводниковых и металлических наночастиц и нанообъектов.
Кремниевые наночастицы получаются при лазерном пиролизе моносилана (SiH4) и методом абляции из монокристаллического образца кремния в жидкости. Различные режимы реакции позволяют получать кристаллические наночастицы размером от единиц до 50 нанометров. Уменьшение размеров также возможно при окислении частиц до нужных размеров (2- 8 нм).
Фотография зоны реакции излучения C02 лазера со струей газа SiH4.
Коллоидные системы различных наночастиц получаются абляцией металлов и полупроводников в жидких средах (абляция Au, Ag, SiO, GeO в воде, этаноле, ацетоне, изопропиловом спирте).
Образцы пористых наноструктур получаются химическим и элетрохимическим травлением полупроводников и металлов (пористый Si, Ge, GaP, GaAs, Al2O3);
Для характеристики полученных нанокремниевых частиц и структур исследуются их структурные, оптические и нелинейно-оптические свойства.
Используемые методики:
- Измерение спектров поглощения и люминесценции (Specord UV-VIS)
- Измерение спектров Рамановского рассеяния (ДФС-24)
- Методика Z-сканирования, измерение действительной и мнимой части нелинейной диэлектрической восприимчивости второго и третьего порядка.
- Методика вырожденного четырехволнового смешения для исследования временных характеристик.
- Методика накачка-зондирование для измерения временных характеристик и недиагональных элементов тензора нелинейной диэлектрической восприимчивости и третьего порядка
- Сканирующая зондовая микроскопия (Solver – 47)
- Электронная микроскопия, рентгеновская дифракция;
CEM фотография кремниевых наночастиц полученных пиролизом газа моносилана излучением CO2 лазера
Полученные нанокомпозитные материалы на основе полупроводниковых или металлических наночастиц проявляют сильные нелинейнооптические свойства. Так для нанокристаллов кремния (диаметр частиц 12-40 нанометров) диспергированных в глицерин с фактором заполнения 2*10-4 и 3*10-3 , получены коэффициенты нелинейного поглощения b1 = 2*10-7 cm/W и b2 = 3,6*10-6 cm/W соответственно. А коэффициент нелинейного оптического поглощения монослоя нанокристаллов кремния на поверхности тонкой серебряной пленки составляет гигантскую величину b = 2*10-3 см/Вт. Такое поведение делает данную структуру перспективной в нелинейно-оптических приборах на поверхностных плазменных волнах. Полученные кремниевые наночастицы малого размера (меньше 10 нм), проявляют люминесцентные свойства. Длина волны люминесценции зависит от размера частицы.
Экспериментально исследованы процессы взаимодействия лазерного излучения с коллоидным раствором комплексов наночастиц золота и различных белков в условиях поверхностного плазменного резонанса. Показано, что изменение свойств белка при биохимических реакциях определяется по положению и ширине пика поверхностного плазменного резонанса в спектрах оптического поглощения, что может быть использовано при создании биосенсоров.
Развита теория взаимодействия лазерного излучения с диэлектрическими наносветоводами. Показано, что электромагнитная энергия наиболее эффективно вводится в наносветовод, в условиях когда падающий пучок света возбуждает нормальные радиационные моды.
Сильная нелинейность делает кремниевые наноструктуры перспективными для использования их в устройствах нелинейной и интегральной оптики. Например, в качестве ограничителей мощности и переключателей.
Люминесцентные свойства кремниевых наночастиц малого размера делают их перспективными для использования как люминесцентных меток, чувствительных к окружению в нанометровом масштабе, например в медицине для фотодинамической диагностики и терапии. Их преимущества перед другими существующими материалами определяется, главным образом, абсолютной нетоксичностью кремния, а также возможностью в широких пределах изменять их размер и использовать различные покрытия.
Материалы на основе пористого кремния помимо их нелинейно-оптических свойств весьма перспективны для использования в качестве активного интерфейса в системах SALDI (Surface Assisted Laser Desorbtion Ionization) для регистрации и идентификации адсорбированных веществ;
Лаборатория электрофизических исследований была создана в 1998 году академиком Г.А. Месяцем по инициативе директора Центра естественно-научных исследований ИОФ РАН академика А.М. Прохорова для проведения фундаментальных исследований в области импульсной электрофизики и развития научных связей ЦЕНИ ИОФ РАН с институтами Уральского и Сибирского отделений РАН, специализирующимися в данной области. В настоящее время Месяц Г.А. является научным руководителем лаборатории, а основное направление исследований связано с изучением физических процессов, сопровождающих функционирование электрического разряда в вакууме.
Вакуумный разряд состоит из трех стадий: пробоя, искровой и дуговой. Инициирование вакуумного разряда обусловлено процессами, приводящими к концентрации энергии в микрообъемах катода и образованию источника плазмы, которая распространяется в межэлектродный промежуток. Возникновением этого источника завершается вакуумный пробой, и разряд переходит в искровую стадию. Искровой разряд в вакууме – это сильноточный самостоятельный разряд с падающей вольтамперной характеристикой. Длительность искрового разряда определяется временем заполнения плазмой межэлектродного промежутка, после чего разряд переходит в дуговую стадию.
Многочисленными экспериментами установлено, что свойства искровой и дуговой стадий вакуумного разряда во многом определяются процессами в небольшой, ярко светящейся области на катоде, посредством которой осуществляется перенос тока между катодом и межэлектродным промежутком. Эта область получила название катодного пятна и включает в себя активную часть поверхности катода, нагретую до температур, намного превышающих температуру плавления, и прикатодную плазму, образующуюся в результате испарения активной части.
Значительный прогресс в изучении электрического разряда в вакууме был достигнут благодаря открытию в 1966 году явления взрывной электронной эмиссии, когда было установлено, что ток вакуумной искры – это ток эмиссии, возникающей в результате микроскопических взрывов на поверхности катода. Можно утверждать, что эти работы заставили в корне пересмотреть ряд представлений о механизме вакуумного пробоя, искрового и дугового разряда в вакууме. Детальное исследование явления взрывной электронной эмиссии показало, что единые физические процессы определяют функционирование катодных пятен вакуумной искры и дуги. В результате проведенных исследований было установлено, что плазма катодного факела при ВЭЭ характеризуется теми же параметрами (скорость разлета, зарядовый состав), что и дуговая плазма. Следы поражения катода в обоих случаях оказались идентичны, скорость разлета жидкометаллической фракции, удельная эрозия, катодное падение потенциала, пороговые токи также совпали с измерениями в дуге. Все это позволило сделать вывод о том, что и в случае вакуумной дуги мы имеем дело с явлением взрывной электронной эмиссии.
На основе явления взрывной электронной эмиссии, Г.А. Месяцем были сформулированы основные положения эктонной модели катодного пятна вакуумной дуги. Согласно этой модели, механизм генерации плазмы в разрядный промежуток обусловлен микровзрывами участка катода под действием тока эмиссии высокой плотности, а катодное пятно состоит из отдельных ячеек, испускающих порцию электронов, названную эктоном. Функционирование эктона сопровождается разрушением участка поверхности катода, образованием на его месте кратера, появлением струй жидкого металла и капель, а так же потоков ионов и электронов. Длительность эктонного процесса – единицы-десятки наносекунд. Именно открытие взрывной электронной эмиссии и развитие эктонной модели вакуумного дугового разряда в более поздних работах позволило выйти на принципиально новый уровень исследований вакуумного дугового разряда. Эктонная модель в последнее время нашла дополнительное подтверждение прямым наблюдением ячеек катодного пятна, время жизни которых находится в наносекундном диапазоне.
Динамика изменения внутренней структуры катодного пятна на медном катоде при токе 30А после 300 мкс с момента инициирования дуги. Время экспозиции - 20 нс на фрагмент.
Экспериментальное оборудование для исследования
эктонных процессов в вакуумном разряде.
Наряду с изучением физики катодного пятна в лаборатории ведутся работы по исследованию плазменных и электродинамических процессов в вакуумных диодах, разработке методов коллективного ускорения ионов в искровой стадии, исследованию быстропротекающих процессов в газовых разрядах и униполярных дугах; модификации конструкционных материалов ионными пучками.
Исследования физических процессов при вакуумном разряде проводятся в тесном сотрудничестве с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН, Институтом электрофизики УрО РАН, Институтом сильноточной электроники, Объединенном институтом ядерных исследований. На рисунке представлено экспериментальное оборудование лаборатории физической электроники ИЭФ УрО РАН для исследования эктонных процессов в вакуумном разряде.
Наиболее важные результаты, полученные за последние годы
- На основе анализа эктонных процессов предложена модель генерации ионного потока в вакуумных дугах.
- Показано, что ионизационный состав и скорости направленного движения ионов формируются в результате взрывообразного разрушения микроучастков катода за счет джоулева разогрева высокой плотностью тока. При функционировании эктона вещество катода за короткие времена (~ 1 нс) последовательно проходит конденсированное состояние, стадии неидеальной и идеальной плазмы. Под действием градиента электронного давления ионы катодной плазмы уже на расстояниях в несколько микрон приобретают направленные скорости на уровне 106 см/с. При этом ионизационные процессы также сосредоточены в узкой области порядка микрона вблизи катода, и в дальнейшем ионизационный состав плазмы не меняется.
Распределение параметров дуговой плазмы при
эктонных процессах в вакуумной дуге.
Рост тока дуги вплоть до килоампера сопровождается простым увеличением количества одновременно функционирующих эктонов, что объясняет экспериментальные данные о слабой зависимости параметров ионного потока от тока вакуумной дуги.
- На основе концепции глубокой нестационарной ямы предложена модель коллективного ускорения ионов в искровой стадии вакуумного разряда. Предлагаемая модель относится к классу электростатических моделей, в которых ионы ускоряются электрическим полем пространственного заряда электронного пучка. В частности, собственным электрическим полем виртуального катода, когда создаются условия для его возникновения на фронте катодного факела в вакуумном диоде. Показана принципиальная возможность образования глубокой потенциальной ямы при возникновении виртуального катода во взрывоэмиссионном диоде. Проведен анализ различных режимов токоотбора из плазмы катодного факела. Установлена связь токовых всплесков с появлением больших потенциалов на фронте плазмы и коллективным ускорением ионов. Предложенная модель находится в хорошем согласии с экспериментальными результатами.
- С позиций эктонной модели катодного пятна дано объяснение физическому эффекту, состоящему в появлении плотных плазменных образований вблизи катода. Показано, что их возникновение связано с взаимодействием жидкометаллических капель и плазменных струй, испускаемых катодньми пятнами. В начальной стадии разлета за счет высокой концентрации электронов и ионов в струе плазмы аккумулируется высокая плотность энергии. Из-за большой разницы в скоростях разлета плазмы и капель возникает ситуация, когда в каплю попадает струя катодной плазмы. По аналогии с выстрелом охотника по летящей птице, явление названо «хантинг-эффектом».
- Предложен новый метод получения высокоэнергетичных ионных пучков с использованием искрового разряда в вакууме. Показано, что ускорение ионов происходит при наличии в межэлектродном промежутке плазменного облака. Развитие в этой плазме сильной электронной неустойчивости при прохождении катодного электронного пучка приводит к росту ее потенциала до значений, превышающих приложенную разность потенциалов. Появление аномально-ускоренных ионов межэлектродной плазмы сопровождается всплеском тока в диоде.
- С позиций эктонной модели рассмотрен баланс энергии на электродах при функционировании электрического дугового разряда в вакууме. При горении слаботочного разряда и малых межэлектродных расстояниях на катоде выделяется примерно треть энергии и, соответственно, две трети на аноде. Показано, что энергетический баланс практически целиком определяется процессами в непосредственной близости от катода в области катодного потенциала. Значительную долю энергии (до 40%), выделяемой на аноде вакуумной дуги составляет кинетическая энергия ионов, движущихся по направлению от катода к аноду.
- Предложена феноменологическая модель неустойчивой стадии вакуумного искрового разряда. Установлено, что всплески тока в диоде связаны с проникновением внешнего электрического поля в плазму разряда и ростом ее потенциала до значений, сравнимых с приложенным напряжением.
- На основе эктонной модели катодного пятна вакуумной дуги дано объяснение явлению самопроизвольного погасания вакуумной дуги. Установлена связь средней продолжительности горения дуги с параметрами эктонных процессов.
Основные направления исследований
- Создание эталонов рельефа поверхности твердого тела.
- Исследование влияния микро- и нанорельефа поверхности на физические процессы и явления, происходящие на поверхности твердого тела.
- Разработка методов измерения линейных размеров элементов рельефа в растровых электронных (РЭМ) и атомно-силовых (АСМ) микроскопах.
- Разработка методов калибровки РЭМ и АСМ.
Применение исследований
- Микро- и нанотехнологии.
- Метрология линейных измерений размеров элементов рельефа в нанодиапазоне.
- Калибровка растровых электронных и атомно-силовых микроскопов.
- Системы сканирования и позиционирования микро- и нанодиапазонов.
Создание эталонов рельефа поверхности твердого тела
Для решения проблем, стоящих перед лабораторией, были созданы рельефные поверхности с известной формой и размерами рельефа:
- Одиночные канавки в кремнии с параллельными стенками.
- Шаговые структуры на поверхности кремния в виде набора трапециевидных выступов и канавок.
Одиночные канавки в кремнии с параллельными стенками. Расстояние между стенками может составлять от 50 до 500 нм, а глубина - 100 нм - 20 мкм. Отклонение от параллельности по всей глубине не превышает 1 нм. Погрешность измерения ширины канавки составляет 0,3 – 1,0 нм. На рисунке приведено изображение в растровом электронном микроскопе скола одиночной канавки шириной 150,7 нм и глубиной 850 нм.
Изображение в растровом электронном микроскопе скола одиночной канавки шириной 150,7 нм и глубиной 850 нм
Шаговые структуры на поверхности кремния в виде набора трапециевидных выступов и канавок представляют собой набор канавок в монокремнии, боковые стенки которых являются кристаллографическими плоскостями {111} кремния, верх выступов и дно канавок между ними – кристаллографическими плоскостями {100} кремния (см. схему на рисунке). Размер шага составляет 2000 нм. Размеры верхних оснований выступов могут быть в диапазоне 10 – 500 нм. Погрешности аттестации размеров элементов шаговых структур (шага структуры, размеров верхних и нижних оснований выступов и канавок и глубины рельефа) составляют 1 нм.
На рисунке приведено изображение в АСМ шаговой структуры на поверхности монокремния, состоящей из трапециевидных выступов, размеры верхних оснований которых составляют 30 нм
Разработанная технология изготовления таких структур позволяет изготавливать их с разными размерами верхних оснований выступов в диапазоне 10 – 500 нм и высот рельефа в диапазоне 100 - 1500 нм.
  
(а) (б) (в)
На рисунке приведены изображения в РЭМ сколов элементов шаговых структур с разными высотами и ширинами выступов.
  
(а) (б) (в)
На рисунке. приведены изображения в АСМ отдельных элементов шаговых структур с разными ширинами и высотами выступов. Размеры верхних оснований выступов на рис.4 и 5 составляют 520, 110 и 30 нм соответственно для рисунков (а), (б) и (в).
Такие структуры являются эталонами рельефа в нанодиапазоне, т.к. границы структур задаются природными параметрами (кристаллографическим плоскостями и углами между ними). Качество созданных структур столь высоко, что эти структуры признаны в качестве государственных стандартов (ГОСТ Р 8.628-2007 и ГОСТ Р 8.629-2007).
Исследование влияния микро- и нанорельефа поверхности на физические процессы и явления, происходящие на поверхности твердого тела
Исследования влияния рельефа поверхности на физические процессы привело к открытию нового механизма вторичной электронной эмиссии, названного “эффектом стряхивания” поверхностных электронов. Этот механизм обладает уникальным свойством – испускание вторичных электронов из поверхностных состояний происходит только при движении первичных электронов из вакуума в твердое тело. При движении первичных электронов из твердого тела в вакуум испускания вторичных электронов из поверхностных состояний не происходит. Вклад этого механизма в полный эффект испускания вторичных электронов может достигать 30 – 70% (для кремния). Особенно сильно влияние эффекта стряхивания на рельефных поверхностях. В этом случае вклад эффекта стряхивания может достигать 100%.
Используя эти исследования были созданы модели формирования изображения рельефных поверхностей в растровом электронном микроскопе, которые позволили разработать методы калибровки РЭМ с помощью прямоугольных и трапециевидных рельефных структур и методы измерения линейных размеров нанометрового диапазона на РЭМ. Оригинальность и высокое качество созданных методов калибровки РЭМ привело к созданию на их основе государственного стандарта (ГОСТ З 8.631-2007).
Исследования взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с рельефной поверхностью и формирования изображения в АСМ позволило разработать методы калибровки АСМ по всем трем координатам и измерения на них линейных размеров рельефных элементов в нанодиапазоне. Оригинальность и высокое качество созданных методов калибровки АСМ привело к созданию на их основе государственного стандарта (ГОСТ Р 8.630-2007).
За создание рельефных поверхностей нанодиапазона с контролируемым рельефом, исследования их свойств, разработку методов калибровки РЭМ и АСМ и разработку методов измерения линейных размеров в нанодиапазоне заведующему лабораторией А.В.Ракову и главному научному сотруднику Ю.А.Новикову присуждена Премия Правительства Российской Федерации 2003 года в области науки и техники.
Наиболее важные достижения лаборатории
- Созданы эталоны рельефа поверхности твердого тела, основанные на природных параметрах твердого тела.
- Обнаружен и исследован новый механизм вторичной электронной эмиссии – эффект стряхивания поверхностных электронов.
- Разработана модель формирования изображения рельефной поверхности твердого тела в растровом электронном микроскопе с учетом эффекта стряхивания.
- Разработаны методы калибровки растровых электронных микроскопов (определение увеличения и размера электронного зонда по двум координатам) для работы в нанодиапазоне.
- Разработаны методы измерения линейных размеров нанодиапазона на растровых электронных микроскопах.
- Разработаны методы калибровки атомно-силовых микроскопов (определение цены деления по всем трем координатам, линейности и ортогональности сканирования и радиуса острия кантилевера) для работы в нанодиапазоне.
- Все созданные структуры и методы доведены до внедрения, в том числе до принятия государственных стандартов.
Основные направления и результаты исследований
- Исследование и разработка специальных волоконно-оптических световодов для передачи лазерного излучения в различных средах.
- Разработка и исследование сенсоров спектрального контроля различных сред.
- Разработка волоконно- оптических многоканальных жгутов для дистанционного контроля спектров и оптических сигналов для различных сред и спектральных диапазонов (от 0.2 до 18мкм)
- Разработка и исследование волокно- оптических и оптоэлектронных прецизионных сенсоров угловых перемещений.
- Разработка методов спектроскопического контроля воздействия лазерного и мощного излучения СИД для различных задач биомедицины
- В лаборатории разработаны сенсоры- миниспектометры с волоконным входом для диапазона 180-1080 нм с разрешением 2-4,5 нм, ориентированные на широкий класс задач научных исследований, специальные волоконные зонды для дистанционного контроля спектров, различные миниатюрные преобразователи «угол-код» позиционного типа с уникальными массогабаритными характеристиками и точностью до 5 угловых секунд.
- Сотрудники лаборатории принимают участие в международных научных проектах и проектах РФФИ.
Участие в проектах МНТЦ по ИК поликристаллическим волокнам
Участие в проектах РФФИ по созданию средств спектрального контроля клеточных структу
|
