Лаборатория радиационной физики
Направления и результаты исследований
1. Исследование радиационно-стимулированных процессов в наноструктурных материалах на основе углерода. Ионно-лучевой и ионно-стимулированный синтез металл-углеродных композитов. Влияние легирования, атмосферы термического отжига на структуру, оптические и электрические свойства алмазоподобных (DLC) плёнок углерода.
Установлено, что оптические и электрические свойства плёнок проявляют сильную зависимость от дозы облучения, что обусловлено изменением размеров графитоподобных нанокластеров и, соответственно, их электронной структуры (квантово-размерный эффект). Обнаружено, что доминирующими эффектами являются рост размеров нанокластеров и накопление радиационных дефектов. При этом, последний эффект сдвинут в область более высоких доз облучения по сравнению с однородными по структуре материалами. Впервые установлено, что при облучении тяжёлыми ионами (Хе) возникают специфические особенности: уменьшение концентрации и размеров нанокластеров, что проявляется в уменьшении коэффициента поглощения и увеличении величины оптической щели DLC плёнок при сверхнизких дозах облучения приблизительно 1012-1013 см-2. Обнаружено, что поведение наноструктур на основе углерода при ионной имплантации определяется не только радиационными эффектами, но и физико-химическими процессами, протекание которых зависит от химической природы имплантируемого элемента. Вследствие этого электронная структура углеродных нанокластеров и, соответственно, свойства материала в целом претерпевают существенные изменения. Впервые обнаружены аномальные изменения оптических свойств и спектров комбинационного рассеяния алмазоподобных плёнок при термическом отжиге в атмосфере азота, которые носят обратимый характер. Методом ионной имплантации синтезированы углеродные плёнки с наночастицами меди и исследованы их оптические и электрические свойства.
2. Ионный синтез новых магнитных материалов для индустрии магнитной записи и хранения информации, магнитосенсорной электроники и спинтроники.
С целью синтеза новых металл-полимерных наноструктурированных материалов для технологии магнитной записи с повышенной плотностью и для магнитосенсорной электроники проведены эксперименты по имплантации ионов Fe и Co в вязкие и твёрдые полимерные плёнки (эпоксиды, силаксаны, полиимиды и др.). Исследовано влияние режимов и параметров ионного облучения, а также релаксационного состояния облучаемой полимерной подложки на процесс зарождения и роста в её объёме наноразмерных частиц железа или кобальта. Определены значения величин дозы имплантации, вязкости полимерной подложки и температуры последующего отжига, при которых ионно-синтезированные металл-полимерные композитные материалы проявляют значимые для практического приложения ферромагнитные и магнитотранспортные свойства.
Наши недавние эксперименты в области имплантации магнитных ионов в кристаллические матрицы различных диэлектриков (Al2O3, MgF2 и др.) и широкозонных полупроводников (ТiO2, ZnO и др.) выявили перспективы ионно-лучевой технологии для создания новых материалов с точки зрения использования их в качестве базовых элементов в спинтронике. В частности, на основе формируемой имплантацией композитной системы Co:ТiO2, был получен новый магнитный полупроводник, обладающий на сегодня, по сравнению с известными аналогами, максимальным значением температуры Кюри (~800 К) и проявляющий анизотропные ферромагнитные свойства при комнатной температуре.
3. Разработка физико-химических основ новой наукоёмкой технологии получения драгоценных камней и лазерных материалов методом имплантации ионов-хромофоров в бесцветные кристаллы различных минералов.
Проведён цикл исследований по изучению физических механизмов возникновения центров окраски в исходно-бесцветных кристаллах различных минералов или в их синтетических аналогах при радиационно-химическом воздействии на них пучком высокоэнергетичных ионов-хромофоров. В частности, были выполнены эксперименты по имплантации ионов переходной группы железа (Co, Fe, Mn, Cr) в кристаллические матрицы минералов как силикатного (берилл, кварц, оливин), так и оксидного (корунд, рутил) ряда. Найдены режимы последующей термической обработки имплантированных кристаллов, приводящие к возникновению голубой окраски у корунда (кобальт), светло-зелёной окраски у рутила и оливина (кобальт, хром или железо), золотисто-жёлтой окраски у берилла и кварца (железо), оранжевой окраски у рутила (кобальт), розовато-коричневой или красно-оранжевой окраски у кварца, корунда и рутила (марганец). Комплексом современных физических методов исследовано валентное и фазово-структурное состояние имплантированной примеси и выявлена природа наведённой окраски. Найден ряд общих закономерностей и определены доминирующие механизмы, обуславливающие окраску различных минералов с имплантированной примесью элементов группы железа.
4. Применение ионной имплантации и импульсных лазерных воздействий для синтеза новых металл-композиционных наноматериалов с нелинейно-оптическими свойствами. Исследование наноструктуры, линейных и нелинейных оптических свойств композиционных материалов с металлическими наночастицами, физических механизмов нелинейности.
В основе данного направления и используемых методик лежит процесс облучения соответствующей матрицы ионами или кластерами металлов с заданной энергией, плотностью ионного тока и дозой в сочетании с последующим термическим (равновесным или неравновесным) отжигом, что обеспечивает контролируемый рост наноструктур с оптимизацией размерных параметров и физических свойств. Принципиальной особенностью и преимуществом данных методических походов является возможность формирования наночастиц практически любого металла в различных диэлектрических и полупроводниковых матрицах. В частности, методом ионной имплантации (ионы Cu+, Ag+, Au+) в различные подложки (полимеры, стёкла, оксидные полупроводники) синтезируются наночастицы благородных металлов. Методами оптической фотометрии, Z- и RZ- сканирования исследуются нелинейные-оптические свойства композиционных структур. Полученные материалы обладают гигантскими значениями нелинейной рефракции и нелинейной восприимчивости третьего порядка. Обнаружены эффекты самофокусировки и дефокусировки, эффект одновременного проявления механизмов двухфотонного поглощения и насыщенного поглощения. Параллельно с созданием наноструктурных материалов выполняются фундаментальные исследования при привлечении теоретического моделирования их свойств и сопоставление с экспериментом.
Применяемая ионно-лучевая методика создания оптически активных наноструктур реально может быть интегрирована с современной кремневой планарной технологией производства основных элементов микроэлектроники и СБИС, а также быть использована для разработки новых типов оптических плазмонных сенсорных устройств.
|
