Федеральная целевая программа

Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы»

Индустрия наносистем

Тема: Создание научно-технической базы для ВУФ-спектроскопии твердых тел в масштабе коротких времен на современных накопителях и лазерах на свободных электрона

Соглашение 14.616.21.0006
на период 2014 – 2017 гг.

Руководитель проекта: доцент И.А. Каменских

 

Цели и задачи проекта

Задача: создание научно-технической базы для ВУФ-спектроскопии твердых тел в масштабе коротких времен на современных накопителях и лазерах на свободных электронах.

Цели проекта: 

  • модернизация установки Локус на канале накопителя Сибирь-1 в НИЦ “Курчатовский институт”;
  • проведение подготовительных работ для перенесения ее на накопитель Сибирь-2;
  • формирование сообщества потенциальных пользователей станции Локус;
  • воссоздание установки Superlumi с расширенными возможностями для измерений с пикосекундным временным разрешением на канале P66 накопителя PETRA III в немецком центре синхротронного излучения DESY;
  • развитие теоретической базы для анализа данных ВУФ-спектроскопии;
  • интеграция российских исследователей в высокотехнологичную среду европейского исследовательского центра DESY.

 

Ожидаемые результаты проекта

  • Модернизированная станция Локус для ВУФ-спектроскопии на канале синхротронного излучения накопителя НИЦ “Курчатовский институт” , готовая к приему пользователей; начало исследования функциональных материалов на ней: люминофоров для белых светодиодов, сцинтилляторов, сверхпроводников, наноструктурированных материалов; подготовка к перенесению станции Локус на большое накопительное кольцо.
  • Возобновление работы станции Superlumi на канале синхротронного излучения накопителя PETRAIII немецкого центра синхротронного излучения DESY; реализация на ней методики измерений с пикосекундным временным разрешением с использованием временной структуры синхротронного излучения и лазерной системы.
  • Развитие теоретической базы для анализа данных ВУФ-спектроскопии: определение электронной структуры исследуемых веществ; описание структуры возбужденных нанометровых областей, создаваемых поглощением ВУФ-фотонов; оценка длин термализации; определение плотностных эффектов в треках по данным ВУФ-спектроскопии

 

Перспективы практического использования

  • В настоящее время в мире отсутствуют специализированные станции для вакуумной ультрафиолетовой спектроскопии с использованием синхротронного излучения. Опыт станции Superlumi, по результатам работ на которой за 25 лет опубликовано около 1000 статей в ведущих научных журналах, продемонстрировал потенциал ВУФ-спектроскопии и ее востребованность. По нашим оценкам, введения в строй станций Локус и Superlumi ожидают ученые 29 лабораторий ведущих университетов и НИИ России и Европы, которые специализируются на исследовании и создании люминесцирующих материалов и детекторов излучения.
  • Сообщество пользователей станции Superlumi объединяет 29 исследовательских групп из 14 стран Европы, России и СНГ, при этом использование единой экспериментальной базы способствует эффективному научному сотрудничеству, плодотворному обмену научными идеями и развитию экспериментальных методик. Мы надеемся, что возобновление работы данной станции, и также модернизация станции Локус, которые проводятся с учетом пожеланий пользователей, будут служить дальнейшему развитию международного сотрудничества.

 

Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.

Модернизация станции Локус

  • Проведена модернизация вакуумной системы
  • Нанесено новое покрытие входного зеркала
  • Заменены ФЭУ
  • Создано  новое ПО для управления станцией и сбора  экспериментальных данных
  • Начато изготовление новой камеры образцов

 

Электрон-фононное и электрон-электронное взаимодействия в кластерах электронных возбуждений в наноструктурированных системах

В пространственно-однородных системах размеры кластера возбуждений, создаваемых при поглощении ВУФ и мягких рентгеновских фотонов, определяются длинами пробега относительно неупругого электрон-электронного рассеяния, а при более низких энергиях – длиной термализации на фононах. В наноструктурированнных системах на пространственное распределение возбуждений будут существенно влиять  энергетические и пространственные размеры наноструктур, например, квантовых точек, что может приводить к возбуждению одним высокоэнергетичным фотоном нескольких квантовых точек с созданием в каждой из них нескольких возбуждений.

Показано, что квантовые точки могут эффективно возбуждаться за счет потерь энергий быстрых вторичных нетермализованных электронов. На рисунке показана вероятность возбуждения и ионизации наночастицы Si в SiO2 в зависимости от передаваемой энергии.

 

Пикосекундная люминесценция для сверхбыстрых детекторов

Современные приложения физики высоких энергий и медицинской диагностики требуют быстрой регистрации взаимодействия ионизирующего излучения со средой с временами отклика порядка 10 пикосекунд. Классические сцинтилляторы с экситонной или активаторной люминесценцией слишком медленные, даже время разгорания в них составляет более 100 пс, таким образом, делая их непригодными для сверхбыстрой регистрации. По этой причине требуется поиск нетрадиционных видов люминесценции.

Нами предложено исследовать возможность применения внутризонной люминесценции, наблюдаемой в процессе термализации носителей заряда в прозрачных кристаллах. Рассчитаны спектры люминесценции и выход пикосекундной внутризонной люминесценции в упрощенном предположении о структуре зоны проводимости диэлектрического кристалла. Предложены возможные пути увеличения ее выхода.

 

Энергетическое распределение  горячих электронов и дырок, создаваемых  ВУФ-фотонами в диэлектриках

На примере алмаза разработана методика расчета энергетического распределения горячих электронов и дырок, создаваемых поглощением высокоэнергетических квантов, позволяющая проводить моделирование экспериментальных спектров возбуждения люминесценции и интерпретировать наблюдаемые в них особенности, связывая их с параметрами зонной структуры, фононным спектром, длинами термализации, радиусом Онсагера и т.д.

Верхний график: экспериментальные спектры возбуждения люминесценции с временным разрешением: интегральный, (0-40) нс (“быстрый”) и (40-200) нс (“медленный”). Ниже изображена доля дырок (средний график) и электронов (нижний график) с кинетической энергией выше порогов

 

Экспериментальные исследования на УНУ и в ЦКП

  • Проведены исследования структуры диэлектрических сверхрешеток с нанокристаллами кремния в европейском центре синхротронного излучения ESRF, Гренобль, Франция методами GISAXS и GIXRD
  • Проведены исследования спектров возбуждения люминесценции люминофоров для белых светодиодов на основе твердых растворов гранатов на станции Локус НИЦ «Курчатовский институт» и накопителе «MAX IV», Лунд, Швеция
  • На станции ФЭС методом ЭСХА исследованы различные матрицы с нанокристаллами кремния
  • В ЦКП физического факультета МГУ методом ИК поглощения получена и информация о химическом связях в сверхрешетках с нанокристаллами кремния

 

Партнеры проекта

Гамбургский университет, Институт наноструктур и физики твердого тела

Руководители проекта: проф. М. Рюбхаузен и проф. Р. Блик.

Финансовый вклад 1 млн. Евро

 Работы ведутся в тесном сотрудничестве с Немецким центром синхротронного излучения DESY, также финансирующим работы по переносу станции Superlumi на линию P66 накопителя Petra III.