Проект направлен на создание новых тонкопленочных материалов с заданными свойствами для устройств преобразования электромагнитного излучения УФ, видимого и ИК диапазонов. Основная цель состоит в получении детальной информации об особенностях формирования энергетической структуры, природы и динамики возбужденных состояний, механизмах миграции и диссипации энергии в тонких пленках с квантовыми точками. Актуальность задачи определяется возможностью создания нового поколения функциональных структур с повышенной эффективностью и быстродействием для устройств фотоники, оптоэлектроники, альтернативной энергетики и других систем преобразования излучений.
Решение поставленной проблемы предполагает целый ряд комплексных исследований оксидных тонкопленочных систем, включая плазменный синтез, моделирование энергетической структуры и свойств, изучение механизмов электронно-оптических явлений, закономерностей электронно-колебательных взаимодействий, безызлучательного переноса энергии с учетом размерных факторов и интерфейсных эффектов "наноточка-матрица" и "пленка-подложка". В качестве объектов исследования выбраны наноструктурированные и аморфные тонкопленочные модификации оксидов редкоземельных (РЗЭ) и типичных элементов (Gd, Y, Si, Al, Mg) на диэлектрических и полупроводниковых подложках. Квантовые точки в тонкопленочных структурах будут формироваться посредством ионной имплантации и дополнительного термического отжига.
Особенность методического подхода, который будет реализован в работе, состоит в системном применении комплекса экспериментально-теоретических методов в рамках схемы «энергетическая структура - механизмы электронных процессов "возбуждение-релаксация" - радиационно-оптические свойства – прототип функционального устройства». С использованием расчетных методов теории функционала плотности и экспериментальных методов рентгеновской, оптической, фотоэлектронной, ЭПР, ИК и КР-спектроскопии в тонкопленочных системах, содержащих оптически активные дефекты, нанокластеры и квантовые точки, будут определены параметры локальной атомной структуры, особенности дефектообразования, энергетические и кинетические характеристики возбужденных состояний, специфика донорно-акцепторных взаимодействий, закономерности даун- и ап-конверсионной трансформации энергии.
Анализ полученных данных обеспечит необходимое понимание механизмов электронно-оптических явлений в тонкопленочных системах с квантовыми точками, что позволит направленно модифицировать дефектную структуру и другие параметры исследуемых материалов применительно к проблеме конверсии излучений. На завершающей стадии проекта предполагается предложить прототип новых конверсионных УФ и ИК преобразователей с повышенной эффективностью, провести первичные испытания и сформулировать конкретные рекомендации по дальнейшему улучшению характеристик.
Ожидаемые результаты.
1) Будут оптимизированы режимы получения наноструктурированных и аморфных пленок оксидов РЗЭ (Gd, Y) и типичных элементов (Si, Mg, Al) с полупроводниковыми квантовыми точками. Будет получена детальная информация о микроструктуре, электронном строении и дефектности полученных нанокомпозитов в зависимости от их структурно-фазового состояния, размерных факторов.
2)На основе экспериментальных данных, теоретических расчетов и компьютерного моделирования будут определены энергетические и кинетические параметры возбужденных состояний квантовых точек в ионно-имплантированных тонкопленочных оксидных матрицах, а также их зависимость от степени континуального беспорядка и точечных дефектов матрицы. Спектральные свойства фотоактивных дефектов, кластеров и нанокристаллов будут охарактеризованы качественно и количественно.
3) Будут выявлены закономерности и механизмы конверсии излучения УФ и ИК диапазонов в тонкопленочных системах с учетом размерного фактора, влияния типа подложки и интерфейсных эффектов. Будут определены количественные характеристики конверсии (квантовая и энергетическая эффективности, кинетические параметры).
4) На основе полученной информации об энергетической структуре и электронно-оптических свойствах тонкопленочных систем с квантовыми точками будут сформулированы конкретные рекомендации (оптимизация условий синтеза, установление режимов облучения и терморадиационной обработки, требования к фазовому составу и дефектности вмещающей матрицы, выбор ионов-имплантатов) для разработки нового поколения устройств преобразования энергии.
5) Будут изучены особенности радиационной, фото- и термической деградации материалов, определены пути повышения их стабильности в экстремальных условиях: при воздействии корпускулярных, электромагнитных и термических нагрузок.
6) По результатам исследований будут представлены доклады на Международных конференциях (2-3 в год) и опубликованы статьи в ведущих научных журналах, индексируемых в Scopus и WoS. Разработки новых функциональных материалов и устройств (например, для конверсии солнечного излучения), а также способы их аттестации и контроля будут заявлены для патентования.
7) Экспериментальные и теоретические методики, развиваемые в рамках настоящего проекта, предполагается использовать для изучения фундаментальных свойств других классов наноматериалов применительно к задачам фотоники, оптоэлектроники, альтернативной энергетики. Новые оригинальные приемы получения и радиационно-термической обработки тонких пленок с квантовыми точками могут быть интегрированы в реальные производственные технологии материалов с заданными свойствами.
