Объединенный ученый совет по нанотехнологиям и информационным технологиям  

 

Приоритетное направление II.6. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости

Программа II.6.3. Комплексная нанодиагностика систем пониженной размерности, нанолитография и нанометрология (координатор чл.-к. РАН А.В. Латышев)
В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова на основе знаний об элементарных структурных процессах на поверхности кристалла разработаны комплекты высокоточных мер вертикальных размеров в диапазоне 0,31–31 нм с погрешностью во всем интервале измерений менее 0,05 нм (рис.1). Разработанный комплект высокоточных мер вертикальных размеров после проведения государственных испытаний внесен в государственный реестр средств измерений. Эта разработка позволила изготовить серию тест-объектов на основе ступенчатых поверхностей кремния для калибровки нанометровых размеров прецизионного оборудования.

Рис.1. Фазовое изображение участка поверхности комплекта с мерой 18,53 нм (слева). Спектр высот меры (справа) демонстрирует множество пиков, соответствующих отдельным атомно-гладким террасам между моноатомными ступенями, - перепад высот между максимальными пиками составил величину 18,53±0,05 нм, что соответствует высоте 59 моноатомных ступеней на поверхности кремния.

Приоритетное направление II.7. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы

Программа II.7.3. Перспективные полупроводниковые материалы наноэлектроники и нанофотоники (координатор чл.-к. РАН А.В. Двуреченский)

В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова предложена и реализована технология создания флуорографена путем обработки графена или многослойных графеновых структур в 5% водном растворе плавиковой кислоты. Обнаружен резкий по времени переход металл – диэлектрик при обработке в течение некоторого времени t_tr (Рис.2). Исследованы изменения в морфологии поверхности в зависимости от времени обработки и показано, что для времен t < t_tr наблюдается формирование непроводящей сетки с рельефом несколько нанометров. Для времен t > t_tr наблюдается формирование гофрированной поверхности с периодом порядка 200-300 нм и высотой 4–10 нм. Увеличение времени обработки приводит к уменьшению периода и увеличению высоты рельефа.

Найдено, что предварительная обработка структур в изопропиловом спирте (линия IPA+HF на Рис.2) подавляет взаимодействие с ионами фтора, приводящее к формированию флуорографена. Это обеспечивает возможности для локального перевода графена в флуорографен и открывает новые интересные перспективы использования функционализации графена в водном растворе плавиковой кислоты для дизайна приборных структур.

Рис.2. Зависимость удельного сопротивления мультиграфена от времени обработки в 5% водном растворе плавиковой кислоты. Толщина мультиграфена приведена на рисунке. Линия IPA+HF соответствует структуре, подвергнутой предварительной обработке в изопропиловом спирте.

Программа II.7.4. Наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение (координатор д.т.н. Н. Н. Коваль)

В
Институте сильноточной электроники разработан способ формирования нано- и субмикрокристаллической (размер кристаллитов 20-300 нм) многофазной структуры несмешиваемых компонентов (например, железо-медь). Метод заключается в жидкофазном легировании поверхности стали продуктами электрического взрыва медной фольги с последующим импульсным плавлением легированного слоя интенсивным импульсным электронным пучком микро- и субмиллисекундной длительности. Характерное изображение структуры поверхностного слоя, формирующегося при таком способе обработки, приведено на рисунке 3. Псевдосплавы Fe–Cu имеют более высокую коррозионную стойкость во влажной атмосфере и в растворах солей, чем литая сталь, обладают повышенной демпфирующей способностью при вибрационном нагружении, самосмазкой в условиях сухого трения, электроэрозионной стойкостью и износостойкостью при работе в качестве электроконтактов. Полученные результаты могут найти применение при модернизации поверхностей ответственных деталей авиакосмической техники, машиностроения и электроэнергетической отрасли.

Программа II.7.5. Функциональные материалы и структуры для приборов твердотельной техники. Электроника, оптика, системы памяти, сенсоры (координатор ак. Ф.А. Кузнецов)

В Институте лазерной физики проведены спектроскопические и генерационные исследования новых активных элементов – композитных кристаллов калий-лютециевых вольфраматов, активированных тулием. Такие композитные структуры представляют собой относительно тонкие кристаллические пленки с РЗМ-ионами, эпитаксиально нарощенные на кристалл (матрицу) с близкими параметрами кристаллической решетки. Основным преимуществом таких структур является возможность существенного увеличения выходной лазерной мощности, поскольку порог разрушения композитных кристаллов значительно выше, чем у монокристаллических тонких слоев, которые широко используются в дисковых лазерах. На композитных кристаллах была получена мощность около 6 Вт в непрерывном режиме, показана возможность повышения выходной мощности до 50 Вт в инфракрасном диапазоне, на длине волны около 2 мкм.

Приоритетное направление II.13. Современные проблемы ядерной физики, в том числе физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, включая физику нейтрино и астрофизические и космологические аспекты, а также физики атомного ядра, физики ускорителей заряженных частиц и детекторов, создание интенсивных источников нейтронов, мюонов, синхротронного излучения и их применения в науке, технологиях и медицине

Программа II.13.5. Диагностика био- и наноструктур методами СИ и терагерцового излучения на электронных пучках  (координатор  д.ф.-м.н. Н.А. Мезенцев)

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера впервые в мире на пучке синхротронного излучения накопителя ВЭПП-3 реализован метод контроля образования и роста наночастиц конденсированной фазы продуктов химической реакции детонации во время взрыва с наносекундным временным разрешением (Рис.4). Как правило, это наночастицы алмаза и графита. Ранее экспериментальные данные о присутствии конденсированной фазы, как в зоне химической реакции, так и в зоне разлета продуктов детонации, были недоступны из-за отсутствия адекватных экспериментальных методов, что приводило к проблемам построения модели исследуемых физико-химических процессов, и ошибке определения параметров детонации взрывчатых веществ. Эти ошибки затрудняли конструирование устройств спецтехники с использованием новых взрывчатых веществ.

Работа выполнена совместно с ИХТТМ СО РАН и ИГиЛ СО РАН.




Рис.4. Зависимость размеров конденсированных частиц углерода (алмаза) при детонации ТГ50/50, ТАТБ и БТФ (бензотрифуроксана) от времени. Впервые измерены в динамике столь большие размеры частиц (в БТФ) в детонационных процессах.



ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ V.37.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЯ НАНОМАТЕРИАЛЫ
Программа V.37.3. Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов

(координаторы член-корр. РАН В. И. Бухтияров, член-корр. РАН Н. З. Ляхов)

В Институте химии твердого тела и механохимии показана возможность модификации наночастицами благородных металлов инкапсулированных в оболочки аморфного углерода наночастиц серебра с использованием реакции гальванического замещения. Благодаря проницаемости углеродных оболочек для ионов серебра, обработка растворами HAuCl4 и H2PtCl6 сопровождается осаждением на внешней поверхности углеродных капсул наночастиц благородных металлов (рис. 5 ). Наноструктуры на основе благородных металлов типа «ядро-оболочка» являются перспективными материалами для практического применения, например, в каталитических реакциях, а медицине для адресной доставки лекарственных средств. Можно ожидать, что эффект осаждения Au и Pt на углеродной поверхности капсул будет характерен не только для инкапсулированных частиц серебра, но и для других металлов. Обнаруженный факт открывает широкие перспективы направленного получения и конструирования композиционных наноматериалов различного состава.

Рис. 5 Схема, иллюстрирующая образование наночастиц платины или золота при обработке инкапсулированных углеродом частиц серебра.

IV. Информатика и информационные технологии

 

Приоритетное направление IV.29. Системы автоматизации, CALS-технологии, математические модели и методы исследования сложных управляющих систем и процессов

Программа IV.29.1. Теоретические основы и методы информационных и вычислительных технологий проектирования и принятия решений (координаторы ак. Ю.И. Шокин, чл.-к. РАН В.В. Шайдуров)
В Институте автоматики и электрометрии разработана имитационная модель поведения плотных автомобильных потоков на сети дорог для реалистичной визуализации дорожной обстановки в автомобильных тренажерах. Предложенные алгоритмические решения обеспечивают стабильность, предсказуемость и управляемость в широком диапазоне параметров. Для функционирования модели вводятся контрольные точки для регистрации и коррекции параметров моделируемого автомобильного потока согласно заданным условиям. Тестирование показало адаптивность модели к задаваемым условиям на дороге при плотном автомобильном потоке (до 80 автомобилей в области видимости) и возможность визуализации в реальном времени (Рис. 6). Модель может использоваться в системах планирования и организации дорожного движения в качестве легко конфигурируемого тестового инструмента.

Рис.6. Пример виртуальной сцены дорожной ситуации (слева – плотный автомобильный поток у пункта оплаты въезда на мост, справа – разреженный при свободном проезде)

Приоритетное направление IV.31. Проблемы создания глобальных и интегрированных информационно-телекоммуникационных систем и сетей. Развитие технологий GRID

Программа IV.31.1. Фундаментальные основы и прикладные аспекты вычислительных и информационных технологий, в том числе технологий на базе GRID, в интегрированных информационно-телекоммуникационных системах и сетях (координаторы: ак. Ю.И. Шокин, ак. И.В. Бычков)
В Институте вычислительных технологий разработаны модели и эффективные алгоритмы кластеризации русскоязычных текстовых документов научной тематики, основанные на использовании в процессе координатного индексирования текстов составных ключевых термов (Рис. 7а). Предложена технология извлечения фактографической информации из научных документов произвольной структуры (Рис. 7б). Разработан алгоритм автоматизированного извлечения из текста документа географических названий, отражающих его содержание. Для задачи кластеризации множества документов научной тематики разработан алгоритм кластеризации, который может параллельно выполняться на нескольких вычислительных узлах.

Рис.7а, Распределение документов по результирующим кластерам (20 кластеров)

Рис. 7б. Внешний вид навигационной системы

Программа IV.31.2. Новые ГИС и веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия (координаторы: ак. Ю.И. Шокин, ак. И.В. Бычков)

В Институте динамики систем и теории управления разработан и реализован программный комплекс Transalg, основное предназначение которого состоит в преобразовании процедурных описаний дискретных функций в системы булевых уравнений (Рис. 8). Новизна данного подхода заключается в использовании специализированного проблемно-ориентированного языка ТА для исходного представления алгоритмов. В отличие от известных результатов по булевому моделированию, данный подход предоставляет единый способ описания широкого класса дискретных систем булевыми уравнениями. В комплексе Transalg поддерживается вывод итогового кода алгоритма в различных форматах. Программный комплекс успешно применен к исследованию некоторых криптографических функций и дискретно-автоматных отображений, моделирующих динамику генных сетей.

Рис.8. Схема работы программного комплекса Transalg

В Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева разработан подход к созданию технологии интеллектуальной поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности, включающий методику совместного использования онтологического, когнитивного и событийного моделирования и методику когнитивного моделирования. Подход основан на концепции интеллектуальной информационной среды, поддерживающей пространство знаний и интегрирующей инструментальные средства для анализа прецедентов чрезвычайных ситуаций. Подход использован для создания информационных систем, которые применяются Правительством Иркутской области.

Приоритетное направление IV.32. Архитектура, системные решения, программное обеспечение и информационная безопасность информационно-вычислительных комплексов и сетей новых поколений. Системное программирование



Программа IV.32.1. Архитектура, информационная безопасность, системные решения и программное обеспечение информационно-вычислительных систем новых поколений (координаторы: чл.-к. РАН В.Г. Хорошевский, чл.-к. РАН В.В. Шайдуров)
В Институте вычислительных технологий и Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова проведено численное моделирование структур твёрдотельных базовых элементов квантового компьютера, ориентированных на работу с электронными спиновыми состояниями квантовых точек Ge/Si. Для моделирования полей упругих деформаций использовался метод сопряжённых градиентов и атомистическая модель на основе потенциала Китинга. Рассчитаны пространственные распределения плотности энергии деформации и потенциальной энергии электронов для разных долин, формирующих дно зоны проводимости кремния.

На рис. 9 представлено распределение плотности энергии деформации для двухслойной системы, содержащей четыре германиевых пирамидки разных размеров. Расстояние между основаниями пирамидок на нижнем слое равно 20 атомарным слоям, а на верхнем слое – 60 атомарным слоям.

На рис. 10 представлено распределение потенциальной энергии электрона в кремнии для долин для структуры, которую можно рассматривать как возможный прототип последовательного восьмиразрядного квантового регистра. Здесь период вдоль вертикального направления (ось z) равен 32-м атомарным слоям. Наибольшая глубина потенциальной ямы составляет -132.69 мэВ.

Рис. 9. Распределение плотности энергии деформации в центральном сечении двухслойной системы, содержащей четыре пирамидки разных размеров

Рис. 10. Распределение потенциальной энергии электрона в кремнии для долин

в центральном сечении кластера с восемью пирамидками
В Институте вычислительных технологий выполнено математическое моделирование импульсного волоконного лазера на основе кольцевого резонатора и насыщающегося поглотителя. Расчеты проводились для длин пассивного световода, лежащих в интервале от 10 м до 2 км. В этом интервале установлено существование устойчивых одноимпульсных режимов генерации, энергия которых линейно растет с увеличением длины пассивного световода. При этом длительность импульсов с увеличением длины пассивного волокна возрастает на три порядка (от нескольких пикосекунд до нескольких наносекунд).