Federal Targeted Programme

"FTP France"

Stage 1

Research report

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 12.02.2018 г. № 14.587.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии:

    • Проведен обзор современной научной литературы в области фотоники гибридных наноструктур и корректировка общего направления исследований.
    • Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
    • Выбраны направления исследований, оценено современное состояние науки в конкретной области; разработаны возможные направления исследований; разработаны возможные пути решения отдельных задач; обоснован выбор оптимального направления исследований.
    • Проведено численное моделирование взаимодействия излучения видимого диапазона частот с единичными гибридными полыми наноструктурами в рамках теории Ми.
    • Экспериментально исследованы процессы рассеяния излучения видимого диапазона частот на единичных гибридных полых наноструктурах.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств:

    • Проведен обзор современной научной и методической литературы в области синтеза гибридных наноструктур, раскрывающей научно-техническую проблему, а также скорректированы направления исследований.
    • Произведен запуск фабрикационного оборудования и проведены исследования современными методами синтеза гибридных наночастиц.
    • Экспериментально исследованы гибридные полые наноструктуры методами электронной микроскопии с высоким разрешением до 0.1 нм.
    • Изготовлен экспериментальный образец французской стороной: гибридные кристаллические наночастицы на основе двух металлов.
    • Экспериментально исследованы гибридные кристаллические наночастицы на основе двух металлов методами электронной микроскопии с высоким разрешением до 0.1 нм.
  1. Выполнен обзор современной научной литературы в области фотоники гибридных наноструктур. Проанализировано 300 источников, включая научные публикации в реферируемых отечественных и зарубежных изданиях, тезисы докладов, диссертации и учебные пособия. Отобрано 34 источника, наиболее близких по содержанию проекта. Результаты обзора свидетельствуют об актуальности исследования и ряде нерешенных проблем в области.
  2. Проведено патентное исследование по теме "Гибридные фотонные наноустройства" в отечественных и международных базах данных. Из 30 патентов, отвечающих требованиям к патентным исследованиям по проекту, отобрано 7 наиболее соответствующих патентов, посвященных конкурирующим технологиям. Установлено, что предлагаемая в проекте технология изготовления гибридных фотонных наноструктур полностью соответствует требованиям новизны, актуальности и уникальности.
  3. Выполнен выбор направления исследований, основываясь на обзоре современной научной литературе и патентном поиске.
  4. Выполнено численное моделирование в коммерческом пакете COMSOL взаимодействия излучения видимого диапазона длин волн 400-800 нм с единичными полыми (диаметр 600 нм, толщина стенок 50 нм) гибридными наноструктурами сферической формы в рамках теории Ми. Определен спектральный и модовый состав излучения, вступающего в резонанс с наноструктурами. Результаты исследования являются уникальными.
  5. Выполнено экспериментальное исследование рассеяния излучения видимого диапазона длин волн 400-800 нм на единичных полых (диаметр 600 нм, толщина стенок 50 нм) гибридных наноструктурах сферической формы на коммерческой установке конфокальной микроспектроскопии HoribaLabRam. Подтвержден спектральный состав излучения, вступающего в резонанс с наноструктурами. Подготовлена соответствующая техническая документация «Программа и методика исследований процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на единичных гибридных полых наноструктурах»
  1. Развит сверх быстрый (150 фс) универсальный метод лазерной печати (1050 нм, 80 МГц) полых гибридных наноструктур с размерами от 100 до 600 нм, обладающих эффектом рассеяния излучения видимого диапазона.
  2. Экспериментальные и расчетные работы отражают новизну, уникальность полученных данных, пригодных для публикации и получения патентов на полезную модель – а именно быстрый и универсальный способ печати полых гибридных наноструктур для задач фотоники.
  3. Согласно пункту 3 Технического задания, полученные результаты полностью соответствуют требованиям к выполняемому проекту, а именно - выполнен обзор современной научно-технической и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему настоящего проекта, в том числе обзор научных информационных источников как статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах - не менее 20 научно-информационных источников за период 2010 – 2017 гг; выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96; выполнено теоретическое исследование взаимодействия излучения видимого диапазона частот с единичными гибридными наночастицами в рамках теории Ми; выполнены экспериментальные исследования процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах; выполнены экспериментальные исследования нелинейно-оптических процессов в оптическом диапазоне частот в гибридных наночастицах и наноструктурах; подготовлены программа и методики исследований процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах, отражающие пошагово процедуры оптического эксперимента и содержащие подробную информацию о приборах; подготовлены протоколы исследований процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах.
  4. На данный момент более быстрого, универсального и дешевого способа изготовления полых гибридных наноструктур для задач фотоники не существует. Распространенные методы как пиролиз и карбонизация уступают по всем технологическим параметрам.

В качестве областей применения услуг и продукции можно отметить область компактных оптических устройств обработки и хранения информации, а также сферу плазмонных устройств для управления светом, усиления сигналов и катализа, высокотемпературной химии для синтеза легких углеводородов, доставки лекарств за счет полости и наличия ионов металлов в структуре, для источников когерентного излучения удвоенных частот.

Полученные результаты будут иметь серьезное влияние на развитие научно-технических и технологических направлений в области материаловедения – создания новых сложны фотонных структур и их фактическое использование, что может оказать влияние на структуры производства оптических чипов и сенсоров. Также результаты, полученные на стыке наук научными коллективами из двух стран, обеспечат дальнейшие исследования в рамках международного сотрудничества, обеспечат эффект популяризации науки и развитие материально-технической и информационной инфраструктуры.

Сверх быстрое и эффективное управление света светом на наномасштабе однозначно внесет существенный вклад в развитие компактных оптических устройств обработки и хранения информации. По этой причине можно наблюдать столь бурное развитие плазмонных нанотехнологий. Однако те качественные структурные изменения, которые планируется осуществить в рамках настоящего проекта, помогут приблизиться к этой идее и параллельно открыть новые области применения, такие как: плазмонные устройствах для управления светом, усиления сигналов и катализа, высокотемпературной химии для синтеза легких углеводородов, доставки лекарств за счет полости и наличия ионов металлов в структуре, для источников когерентного излучения удвоенных частот. Также отдельно стоит отметить важность получаемых результатов для программы обучения магистров и аспирантов Университета ИТМО.

Опубликована статья A. Nominé, S.A. Sapchenko, J. Ghanbaja, S. Bruyère, A.S. Zalogina, P. Trofimov, A.A. Krasilin, V.A. Milichko “Nanometer scale metal -organic framework nanoparticles for optical application”.