Эксπир
Регистрация / Вход

Исследование особенностей распространения электромагнитных волн в микро- и наноструктурированных слоистых средах, композитах и коллоидах

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3259
Организация
ИФ СО РАН
Руководитель работ
Шабанов Василий Филиппович
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Внебюджетные средства
0,7 млн

В результате выполнения каждой работы должен быть создан необходимый научно-технический задел, обеспечивающий переход к проведению опытно-конструкторских работ с целью последующей коммерциализации

Этапы проекта

1
25.06.2007 - 20.11.2007
В процессе работы проведены теоретические и экспериментальные исследования особенностей распространения электромагнитных волн в микро- и наноструктурированных полимерно-жидкокристаллических композитах, металл-органических коллоидах, мультислойных средах, фотоннокристаллических материалах. Исследованы магнитоупругое основное состояние, спектр магнитоупругих волн и частоты ферромагнитного резонанса в многослойных структурах ферромагнетик–немагнитный диэлектрик; магнитной восприимчивости сверхрешеток с одно- и трехмерными неоднородностями; изучены процессы самоорганизации рандомизированных микро- и наноразмерных доменных структур и нелинейных ФК на основе тетрабората стронция; рассмотрены особенности прохождения оптического излучения через мультислойный нелинейный ФК материал с поглощающей подложкой; развита теоретическая модель расчета спектра пропускания мультислойного ФК с дефектом структуры при учете затухания световой волны; предложен и реализован новый метод управления ориентационной структурой капель нематического ЖК посредством ионной модификации межфазной границы; исследован эффект сужения спектральной ширины дефектных мод в ФК, обусловленный электромагнитно-индуцированной прозрачностью; изучена локальная геометрия агрегатов наночастиц с произвольной пространственной структурой и ее влияния на их электродинамические свойства; исследован аналог эффекта Брэгга-Вульфа на двумерных ФК микрополосковых структурах; разработаны электрически перестраиваемые резонансные рефлекторы и частотно-селективные устройства на основе микрополосковых ФК
3. Результаты:
Впервые исследовано теоретически периодическое магнитоупругое основное состояние, которое возникает благодаря магнитоупругому и термоупругому взаимодействиям между слоями мультислойной структуры ферромагнетик – немагнитный диэлектрик. Показано, что это состояние существенно влияет как на квазистатические (коэрцитивную силу, поле магнитного насыщения), так и на динамические (частота ферромагнитного резонанса, скорость упругих волн, параметр магнитоупругой связи и др.) характеристики сверхрешеток. Предсказано явление частичного восстановление зонного спектра сверхрешетки, разрушенного под действием одномерных неоднородностей, при добавлении в систему трехмерных неоднородностей, кросс-коррелированных с одномерными неоднородностями.
Исследована нелинейная дифракция на нелинейной фотоннокристаллической структуре в в двух образцах несегнетоэлектрического кристалла тетрабората стронция на частоте второй гармоники Nd:YAG лазера. Полученные результаты позволяют охарактеризовать фотоннокристаллическую структуру. Данная структура состоит из чередующихся противоположно ориентированных доменов, имеющих форму параллелепипедов с макроскопической длиной в направлении оси с и сильно рандомизированной толщиной в направлении оси а. Доменные стенки перпендикулярны оси а. Факт образования доменной структуры, а также форма и ориентация доменов воспроизводятся от одного ростового эксперимента к другому, в то время как толщина отдельных доменов принимает спектр значений. Границы спектра в обоих исследованных образцах эффективных ширин доменов лежат в примерно одинаковых пределах от 180 нм до 8 мкм, в то время как вид спектра нелинейной дифракции как функции длины вектора обратной решетки претерпевает заметные изменения от одного образца к другому.
Методом трансфер-матрицы, модифицированным для описания нелинейных эффектов, исследовано влияние керровской нелинейности на прохождение лазерного излучения в одномерном фотонном кристалле. Рассматриваемый кристалл представляет собой многослойную тонкопленочную среду с таким пространственным распределением показателя преломления, которое позволяет устранить в спектре пропускания боковые полосы с каждой стороны фотонной запрещенное зоны и в значительной степени усилить крутизну кривой пропускания. Изучен спектр пропускания такой фотонно-кристаллической структуры для двух противоположных направлений распространения лазерного излучения. Анизотропия нелинейного пропускания наиболее ярко проявилась вблизи края запрещенной зоны фотонного кристалла, лежащей в ближней ИК-области. Предложенная структура, обладая сильной анизотропией пропускания и достаточно низким отражением в прямом направлении, может функционировать как оптический диод, являющийся аналогом электронного диода.
Предложена и развита модель теоретического расчета спектра пропускания многослойного одномерного фотонного кристалла (ФК) с учетом затухания распространяющихся волн. Рассчитаны спектры пропускания ФК с дефектом из жидкого кристалла в нематической и изотропной фазах 5ЦБ при температурах 33.9°C и 34.1°C, соответственно. Также рассчитаны угловые зависимости спектральных положений максимумов дефектных мод и границ запрещенной зоны для TM поляризации. Сравнение анализ показывает хорошее согласие теоретических данных с экспериментальными результатами.
Исследованы пленки капсулированного полимером нематического жидкого кристалла, допированного ионным сурфактантом. Обнаружен эффект модификации поверхностного сцепления на границе раздела «полимер – жидкий кристалл» под действием электрического поля, обусловленный локальным увеличением концентрации поверхностно-активных ионов. Модификация граничных условий приводит к трансформации ориентационной структуры капель нематика, проявляющейся в существенном изменении их текстурных картин и эффективности светорассеяния на межфазных границах. Рассмотрена монополярная конфигурация директора, реализующаяся в процессе ориентационно-структурных превращений, и приведена ее характерная текстура. Возможность формирования монополярной структуры обоснована теоретически посредством компьютерного моделирования поля директора в капле нематика с граничными условиями, соответствующими экспериментальным.
Исследован спектр пропускания одномерного фотонного кристалла с дефектом из материала, поддерживающего электромагнитно индуцированную прозрачность (ЭИП), с учетом пространственной неоднородности поля. Показано, что при определенном выборе параметров фотонного кристалла ЭИП может приводить к расщеплению дефектной моды на три компоненты, центральная из которых имеет значительному более узкую ширину по сравнению с обычной (нерезонансной) модой. За счет эффекта локализации мод интенсивность поля, необходимая для достижения прозрачности, может быть существенно меньше, чем в обычных условиях.
Показано, что наиболее важной и универсальной характеристикой фрактальных агрегатов металлических наночастиц с плазмонным поглощением, лежащей в основе их уникальных электродинамических свойств, является локальная анизотропия окружения частиц в таких агрегатах. Отмечается, что именно эта морфологическая особенность, а не фрактальное распределение частиц в агрегатах как таковое играет доминирующую роль в проявлении эффектов усиления локального поля. При этом фрактальные агрегаты обладают способностью усиливать локальные электромагнитные поля лишь по причине присущей им локальной анизотропии; макроскопические характеристики агрегатов не оказывают заметного влияния на их электродинамические взаимодействия с внешним полем. Введена количественная характеристика локальной анизотропии. Установлена статистическая взаимосвязь между фактором локальной анизотропии и фрактальной размерностью агрегатов (D) в диапазоне 1.6 < D < 2.8. Обнаружена независимость локальной анизотропии от фрактальной размерности в широком диапазоне значений 1.6 < D < 2.5, за исключением диапазона D > 2.5, соответствующего агрегатам с плотной упаковкой частиц, в котором фактор локальной анизотропии стремится к нулю. Обнаружена сильная корреляция в пространственном расположении в агрегатах частиц с максимальным значением локальной анизотропии окружения и напряженности локального электромагнитного поля на примере наноагрегатов серебра для видимого диапазона спектра; обнаружена поляризационная зависимость этой корреляции. Обращается внимание на возможность использования характеристик локальной анизотропии для разработки оптических экспресс-методов определения степени дефектности коллоидных кристаллов. Обсуждаются экспериментальные результаты, свидетельствующие в пользу взаимообусловленности электродинамических характеристик фрактальных агрегатов связанных наночастиц и локального окружения частиц в таких агрегатах. Предложен и реализован один из возможных способов управления локальной структурой неупорядоченных агрегатов наночастиц серебра, помещенных в полимерную матрицу, путем значительного уменьшения ее объема. Предложен и обоснован непрямой метод регистрации процесса изменения локальной структуры с помощью спектров плазмонного поглощения. Исследуется локальная анизотропия окружения частиц рыхлых агрегатов в процессе их сжатия. Обсуждаются различия спектров поглощения наноагрегатов серебра в гидрозолях с разной концентрацией водорастворимого полимера в дисперсионной среде, определяющей свойства локальной структуры агрегатов при формировании в них фрагментов с квазиупорядоченным расположением частиц и при отсутствии таких фрагментов.
Рассмотрены микрополосковые конструкции двумерных фотонных кристаллов размерностью mn (где m и n принимают значения от 2 до 6), построенных на основе взаимодействующих микрополосковых резонаторов, полосковые проводники которых имеют форму прямоугольной рамки. Разработаны модели двумерных микрополосковых структур для их численного анализа в квазистатическом приближении, которое дает хорошее согласие с экспериментом. Изучены особенности распространения электромагнитных волн через такие структуры при нормальном и наклонном падении. Обнаружены и исследованы эффекты, связанные с дифракцией Брэгга-Вульфа при наклонном падении электромагнитной волны. На основе рассмотренных двумерных фотонных кристаллов показана возможность построения частотно-селективных сверхвысокочастотных устройств с высокими характеристиками: электрически перестраиваемых фильтров, резонансных рефлекторов, полосно-пропускающих фильтров и полосовых зеркал.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Клеточные технологии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
15,6 млн
Количество заявок
16
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Технологии биоинженерии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
10,8 млн
Количество заявок
14
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
4,8 млн
Количество заявок
9
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
18 млн
Количество заявок
40
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
8,4 млн
Количество заявок
6