- Московский государственный технический

АННОТАЦИЯ
к научно-техническому отчету
о выполнении 1 этапа Соглашения № 14.B37.21.1282 от 21 сентября 2012 г.
по НИР «Экспериментальное и теоретическое исследование
неустойчивостей и нелинейных явлений в плазме носителей графена,
пылевой плазме и растворах электролитов»
Руководитель: Юрченко С.О.
1.
Цель проекта
1.1. Формулировка задачи / проблемы, на решение которой направлен
реализованный проект (2-3 предложения).
Настоящий проект решает ряд задач в области физики плазмы и систем
с сильными корреляциями. Основной задачей данного проекта является
разработка новых моделей описания неравновесных процессов, протекающих
в различных плазменных системах, которые представлены плазмой
носителей графена, пылевой (комплексной) плазмой и плазмой растворов
электролитов.
1.2. Формулировка цели реализованного проекта, места и роли
результатов проекта в решении задачи / проблемы, сформулированной в п.
1.1 (2-3 предложения).
Целью настоящего исследования является установление новых
закономерностей эволюции нелинейных возмущений и исследование
неустойчивостей в различных плазменных системах: в плазме носителей
графена во внешних электрических и магнитных полях, в плазменных
кристаллах; экспериментальное исследование терагерцовых (ТГц) спектров
водных растворов электролитов.
В рамках работы условно выделены два направления:
1) Разработка гидродинамической модели плазмы носителей графена.
Использование полученной модели для изучения возможности
использования графена в качестве элементной базы для приборов.
2) Разработка новых методов описания конденсированных сред на
основе результатов изучения плазменных кристаллов и растворов
электролитов. Разработка новых методов поиска ТГц спектральных
характеристик конденсированных сред при помощи метода
молекулярной динамики.
2.
Основные результаты проекта
2.1. Краткое описание основных полученных результатов (основные
теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные,
обнаруженные взаимосвязи и закономерности, характеристики созданной
научной продукции)/ Указание основных характеристик созданной научной
продукции (при наличии научной продукции).
В ходе выполнения первого этапа работ решался ряд задач как
теоретического, так и экспериментального характера.
Разработаны гидродинамические модели электрон-дырочной плазмы
носителей графена и предложены схемы элементов ТГц оптотехники,
которые могут быть рассчитаны с использованием оригинальных физических
и математических моделей.
В статье [1] была разработана гидродинамическая модель носителей
графена. Разработанная гидродинамическая модель позволяет описывать
стационарные и динамические свойства систем носителей графена с учетом
особенностей энергетического спектра электронов и дырок. Благодаря
линейности энергетического спектра носителей в графене влияние
электрического поля и гидродинамического давления на скорость волны
существенно отличается от аналогичных показателей двумерной электроннодырочной плазмы с параболическим энергетическим спектром носителей.
Полученная модель была использована для описания графеновых
структур с металлическим затвором – устройств ТГц оптотехники,
построенных на основе данных структур. Были предложены оригинальные
схемы элементов ТГц оптотехники на основе графена и разработаны их
физико-математические модели. Основные характеристики данных
элементов
рассчитывались
с
использованием
предложенной
гидродинамической модели электронно-дырочной плазмы носителей
графена.
В работе [2] рассматривается принципиальная схема построения
модулятора электромагнитного излучения на основе двухслойной
графеновой структуры. Модуляция потока электромагнитного излучения в
данном устройстве осуществляется с помощью управляемого эффекта
блокирования Паули. Показано, что возмущение плазменных колебаний в
двухслойной графеновой структуре, обусловленное взаимодействием с ней
электромагнитной волны, способно существенной повысить глубину
модуляции электромагнитного излучения, причем плазменным частотам
рассматриваемой графеновой структуры соответствуют именно ТГц частоты
электромагнитной волны. Таким образом, эффективность модуляции будет
наиболее высокой при работе именно с электромагнитными волнами ТГц
области спектра.
Предложена концепция ТГц неохлаждаемого болометра на основе
графеновых p-I-n структур [3]. Разработана физико-математическая модель
данного устройства, используемая для вычисления зависимости темнового
тока и чувствительности болометров к напряжению смещения и энергии
ТГц-фотонов. Определены основные технические характеристики болометра
на графене [4]. Показано, что предлагаемые ТГц неохлаждаемые болометры
заметно превосходят неохлаждаемые электронные ТГц болометры на основе
традиционных полупроводниковых гетероструктур.
Экспериментальные и теоретические исследования спектральных
характеристик водных растворов электролитов в процессе фазового перехода
нашли отражение в предварительных публикациях результатов. Измерены
спектральные зависимости амплитудных коэффициентов отражения воды в
процессе фазового перехода "жидкость-кристалл" [5]. Спектральные
характеристики в процессе фазового перехода претерпевают существенные
скачкообразные изменения, что говорит о возможности использования ТГц
спектроскопии в качестве инструмента для идентификации фазового
перехода и анализа вращательно-колебательных молекулярных движений в
таких системах. Эти исследования будут продолжены на следующих этапах.
Начаты работы по построению нового способа описания
неупорядоченных состояний [6] в пылевой плазме, что необходимо для
качественного описания и интерпретации результатов вычислительных
экспериментов. Идеи, представленные в работе [6], были проверены на
основе серии численных моделирований, результаты которых отображены в
статьях [7,8,9]. В данных работах были рассмотрены различные фазовые
переходы в двухмерных и трехмерных системах Леннарда-Джонса. Работа
[7] была посвящена изучению влияния тепловых и сдвиговых воздействий на
двумерную систему. Было выполнено построение фазовой диаграммы
разрушения данной системы, а также качественное сравнения влияния
сдвиговых и тепловых воздействий на степень упорядоченности и дальние
корреляции в системе.
Работы [8] и [9] были посвящены поиску новых экспериментальных
зависимостей, вид которых необходим для дальнейшего развития
предложенного метода. Было установлено, что использование нового метода
приводит к результатам, которые находятся в полном согласии с
результатами, полученными методами молекулярной динамики. Проведена
серия моделирований плазменных кристаллов методами молекулярной
динамики. В частности, рассмотрен фазовый переход типа "кристаллкристалл". Результаты важны для дальнейшего развития предложенного
метода, а по новым материалам готовится серия статей для публикации в
ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях.
Дальнейшие исследования будут связаны как с разработкой новых
технических решений элементов ТГц оптотехники на основе графена, так с
экспериментальным и теоретическим исследованием фазовых переходов в
сильнокоррелированных системах. Планируется проведение численного
моделирование водных растворов электролитов методами молекулярной
динамики с целью установления связи между результатами экспериментов и
численного моделирования. Моделирование плазменных систем в графене
будет проведено в приложении к анализу эффективности использования
графена для разработки элементной базы ТГц оптотехники.
1. Svitsov D., Vyurkov V., Yurchenko S., Otsuji T., Ryzhii V. Hydrodynamic
model for electron-hole plasma in grapheme // J. Appl. Phys. 111, 083715
(2012); doi: 10.1063/1.4705382;
2. Ryzhii V., Otsuji T., Ryzhii V., Leiman V. G., Yurchenko S. O. Effect of
plasma resonances on dynamic characteristics of double grapheme-layer
optical modulator // J. Appl. Phys. 112, 104507 (2012); doi:
10.1063/1.4766814;
3. Ryzhii V., Otsuji T., Ryzhii M., Ryabova N., Yurchenko S. O., Mitin V.,
Shur M. S. Graphene terahertz uncooled bolometer // Jour. of Phys. D:
Applied Physics, Accepted. Provisionally scheduled for January 2013;
4. Рыжий В.И., Рябова Н. Л., Юрченко С. О., Отцуджи Т., Рыжий М. В.
Терагерцовые болометры на основе графеновых p-I-n структур:
концепция, модель и характеристики // Вестник МГТУ им. Н. Э.
Баумана. Серия «Приборостроение». Спецвыпуск «Современные
проблемы оптотехники», (2012), стр. 177-186;
5. Зайцев К. И., Фокина И. Н., Федоров А. К., Юрченко С. О. Анализ
спектральных характеристик воды и льда в процессе фазового перехода
// Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Естественные науки».
Спецвыпуск «Моделирование и исследование физических и
технических систем», (2012), стр. 113-119;
6. Structure of the nanobubble clusters of dissolved air in liquid media / N.
Bunkin, S. Yurchenko, N. Suyazov, A. Shkirin // Journal of Biological
Physics, Vol. 38 (2012), P.121-152.
7. Юрченко С. О., Крючков Н. П. Компьютерное моделирование
переходов «порядок-беспорядок» при тепловом и сдвиговом
воздействии // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия
«Машиностроение».
Спецвыпуск
«Прогрессивные
материалы,
конструкции и технологии ракетно-космического машиностроения»,
(2012), стр 193-201;
8. Юрченко С. О., Крючков Н. П. Неупорядоченные состояния и функции
парного распределения расстояний в Леннард-Джонсовской системе //
Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Естественные науки».
Спецвыпуск «Необратимые процессы в природе и технике», (2012),
стр. 13-20;
9. Юрченко С. О., Крючков Н. П. Изменения функции распределения
расстояний между частицами Леннард-Джонсона в двумерной системе
при плавлении // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия
«Естественные науки». Спецвыпуск «Исследование и моделирование
физических и технических систем», (2012), стр. 262-270.
2.2. Описание новизны научных результатов.
Все перечисленные научные результаты обладают высокой степенью
новизны, о чем свидетельствует ряд публикаций в зарубежных
высокорейтинговых журналах: Journal of Applied Physics, Journal of Physics D:
Applied Physics, Journal of Biological Physics.
2.3.Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового
уровня.
Предложенная гидродинамическая модель плазмы носителей графена,
концепции модулятора ТГц излучения и ТГц-болометра являются
пионерскими и не имеют аналогов. Результаты, посвященные разработке
нового метода описания неупорядоченных состояний плазменных
кристаллов, обсуждались на семинарах Научного центра волновых
исследований ИОФ РАН им. А.М. Прохорова, получили высокую оценку и
готовятся к ряду публикаций.
3.
Назначение и область применения результатов проекта
3.1. Описание областей применения полученных результатов (области
науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых
могут или уже используются полученные результаты или созданная на их
основе инновационная продукция).
Разработанная в ходе выполнения первого этапа работы
гидродинамическая модель электронно-дырочной плазмы носителей графена
в настоящий момент активно используемтся для создания физикоматематических моделей источников, детекторов и модуляторов ТГц
излучения на основе графена (для анализа возможности построения
графеновых устройств, для расчета теоретических технических
характеристик устройств).
Разработанные концепции модулятора и болометрического детектора
ТГц излучения на основе графена имеют высокие расчетные технические
показатели, существенно превосходящие существующие зарубежные
аналоги, что позволяет рассчитывать на практическую реализацию данных
элементов. ТГц устройства на основе графена чрезвычайно важны как для
прикладных
областей
ТГц
науки:
обеспечение
безопасности
жизнедеятельности, медицинская диагностика, неразрушающий контроль
конструкционных материалов, контроль качества фармацевтической
продукции, - так и для задач фундаментальных исследований, требующих
использование ТГц спектроскопии.
Задача разработка новых методов описания конденсированных
состояний, чрезвычайно важна, Это обусловлено тем, что процессы,
протекающие в конденсированных средах, в особенности в жидкостях,
играют крайне важную роль в современных инженерно-технических задачах.
Однако законченной теории описания подобных состояний все еще не
создано. Таким образом, помимо несомненной
фундаментальной
значимости, эта задача в перспективе может привести к существенному
положительному эффекту при прикладном использовании процессов
протекающих в конденсированных средах.
Исследования спектральных характеристик воды в ходе фазовых
превращений, математическое моделирование фазовых переходов в
различных средах необходимы для разработки новейших способов описания
конденсированных структур.
Основные результаты будут внедрены в специальные и учебные курсы
для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана.
4.
Перспективы развития исследований
Краткая информация о перспективах развития выполненного в ходе
выполнения проекта исследования.
1) Информация о том, насколько участие в ФЦП способствовало
формированию новых исследовательских партнерств. Участвует ли
научный коллектив в проектах по 7-й рамочной Программе Евросоюза (с
указанием названия проектов и перечня партнеров по ним).
Участие МГТУ им. Н. Э. Баумана в ФЦП способствовало
формированию большого числа исследовательских партнерств.
В рамках решения задачи описание физики плазмы носителей графена,
при создании концептов элементов ТГц оптотехники коллектив
исполнителей работы взаимодействовал с рядом российских и зарубежных
исследователей: Свинцовым Д. А., Вьюрковым В. В. и Лейманом В. Г.
(Московского физико-технического университета, г. Долгопрудный, Россия);
Волков А. А., Лебедев С. П., Спектор И. Е., (Институт общей физики имени
А. М. Прохорова РАН), Отцуджи Т. (Otsuji T., Research Institute for Electrical
communication, Tohoku University, Komada, Sendai, Japan); Митиным В (Mitin
V, Department of Electrical Engineering, University of Buffalo, Buffalo, NY,
USA); Шур М. С. (Shur M. S., Department Electrical, Electronics, and System
Engineering, rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, USA); Рыжий М. В.
(Ryzhii M. V., Computational Nanoelectronics Laboratory, University of Aizu,
Aizu-Wakamatsu, Japan).
В рамках решения задачи описания конденсированных состояний,
жидкостей
и
фазовых
переходов
были
установлены
важные
исследовательские партнерства с такими учеными как: проф. Н. Бункин
(ИОФ РАН им. А.М. Прохорова), проф. М. Анисимова (Университет
Мэриленд, США), проф. А. Ивлева (Институт внеземной физики им. М.
Планка, Мюнхен, Германия). Несомненно, исследования в этой кооперации
будут развиваться.
Благодаря развитому партнерству в июне 2013 года в МГТУ им. Н.Э.
Баумана состоится второй Российско-Японско-Американский симпозиум по
проблемам разработки и использования приборов на основе графене, где
будет широко представлено приложение плазмоники графеновых структур
для ТГц элементной базы.
2) Краткая информация о проектах научного коллектива по
аналогичной тематике.
Научные коллектив данной работы участвует в выполнении ряда
исследований как фундаментального, так и прикладного характера. Помимо
данной работы, исследования по тематике ТГц оптотехники финансируются
Российским Фондом Фундаментальных Исследований в рамках проектов,
выполняемых ведущими молодежными коллективами страны (№ 12-0833112–мол_а_вед, № 12-08-31104–мол_а), Министерством образования и
науки Российской Федерации (№ 14.В37.21.0898) – проект, выполняемый под
руководством приглашенного ученого из Японии, чл.-корр. РАН, проф.
Рыжия В.И.
3) Информация о том, сотрудничество с какими странами и
исследовательскими центрами может способствовать наибольшей отдаче
для развития в России технологий в области исследования, а также для
выхода российской продукции на региональные и глобальные рынки.
Для развития ТГц оптотехники в России, для разработки новой
эффективной ТГц элементной базы наиболее перспективным представляется
сотрудничество с Университетом Тохоку (Япония), Университетом Баффало
(США), что объясняется большим опытом работы данных организация в
рассматриваемой области науки.
5.
Опыт закрепления молодых исследователей – участников
проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких
технологий
Ряд студентов и аспирантов МГТУ им. Н. Э. Баумана, принимающих
участие в выполнении данной работы, приняты на работу в МГТУ им. Н. Э.
Баумана, а именно:
Зайцев Кирилл Игоревич, 29.05.1989 года рождения, окончивший МГТУ
им Н. Э. Баумана летом 2012 года; зачислен в очную аспирантуру МГТУ им.
Н. Э. Баумана; принят на работу в должности младшего научного сотрудника
НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана;
Фокина Ирина Николаевна, 03.10.1988 года рождения, окончившая МГТУ
им Н. Э. Баумана летом 2012 года; зачислена в очную аспирантуру МГТУ им.
Н. Э. Баумана; принята на работу в должности младшего научного сотрудник
НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана;
Гавдуш Арсений Алексеевич, 07.03.1993 года рождения, являющийся
студентом третьего курса МГТУ им. Н. Э. Баумана (группы ФН4-51 кафедры
ФН4 «Физика» факультета ФН «Фундаментальные науки»), принят на работу
в должности инженера НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н. Э.
Баумана;
Крючков Никита Павлович, 21.01.1992 года рождения, являющийся
студентом четвертого курса МГТУ им. Н. Э. Баумана (группы ФН4-71
кафедры ФН4 «Физика» факультета ФН «Фундаментальные науки»); принят
на работу в должности инженера НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им.
Н. Э. Баумана;
Федоров Алексей Константинович, 01.11.1993 года рождения,
являющийся студентом четвертого курса МГТУ им. Н. Э. Баумана (группы
ИУ10-71 кафедры ИУ10 «Защита информации» факультета ИУ
«Информатика и системы управления»), принят на работу в должности
инженера НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана;
Лазарев Владимир Алексеевич, 17.07.1986 года рождения, закончил
аспирантуру МГТУ им. Н. Э. Баумана, подготовил диссертацию на соискание
ученого звания кандидата технических наук и представил ее в
диссертационный совет Д.212.141.19; принят на работу в должности
младшего научного сотрудника в НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им.
Н. Э. Баумана;
Леонов Станислав Олегович, 27.07.1986 года рождения, закончил
аспирантуру Института геохимии и аналитической химии им. В. И.
Вернадского, Москва, подготовил диссертацию на соискание ученого звания
кандидата технических наук и представил ее в диссертационный совет Д
002.017.03; принят на работу в должности младшего научного сотрудника в
НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана;
Шелестов Дмитрий Александрович, 07.03.1988 года рождения, является
аспирантом МГТУ им. Н. Э. Баумана второго года обучения; принят на
работу в должности младшего научного сотрудника НОЦ «Фотоника и ИКтехника», МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Помимо перечисленных членов коллектива исполнителей, являющихся
работниками МГТУ им. Н. Э. Баумана, в работе принимали участие студенты
МГТУ им. Н. Э. Баумана: