1 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩЕГО С ВОЛНОВОДНЫМИ ФОТОННЫМИ КРИСТАЛЛАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ НАНОМЕТРОВЫЕ ПРОВОДЯЩИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩЕГО С ВОЛНОВОДНЫМИ ФОТОННЫМИ КРИСТАЛЛАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ НАНОМЕТРОВЫЕ ПРОВОДЯЩИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ в рамках проведения научного исследования по договору о выделении гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования между Министерством образования и науки Российской Федерации, Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского» и Никитовым Сергеем Аполлоновичем

2 Интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало разработку и создание нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы - это структуры состоящие из периодически расположенных слоёв, размеры которых сравнимы с длиной волны распространяющегося в них электромагнитного излучения.

3 В спектре пропускания фотонного кристалла имеется частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны – аналог запрещенной зоны в кристаллах.

4 При наличии нарушений в периодичности слоистой структуры в запрещенной зоне фотонного кристалла могут возникать узкие «окна» прозрачности.

5 В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть реализован как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением, так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой. На основе СВЧ-фотонных кристаллов могут быть реализованы компактные СВЧ-схемы, такие как полосовые фильтры, перестраиваемые резонаторы, выключатели и переключатели, фазовращатели, миниатюрные антенны.

6 Цель работы: исследование особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастного диапазона с одномерными волноводными фотонными кристаллами, содержащими неоднородности в виде нанометровых металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов.

7 Необходимостью измерения параметров нанометровых металлических плёнок, диэлектрических и полупроводниковых структур используемых в микро-, акусто- и оптоэлектронике. Возможностью определения параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, нанометровых металлических пленок по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними СВЧ-излучения. Использованием фотонных кристаллов для расширения диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов, а также для проведения измерений в выбранном частотном диапазоне. Актуальность исследований обусловлена

8 Математическая модель взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Разработана теоретическая модель, описывающая взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ- диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами, в том числе содержащими диэлектрические и проводящие нанометровые слои, и позволяющая рассчитывать коэффициенты отражения и прохождения СВЧ-излучения для таких структур

9 Математическая модель взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Для расчета коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны при её нормальном падении на одномерный фотонный волноводный кристалл использовалась матрица и которая связывает коэффициенты определяющие амплитуды падающих и отраженных волн по обе стороны от границы передачи волны между областями с различными значениями постоянной распространения электромагнитной волны

10 Математическая модель взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Коэффициенты определяющие амплитуды волны, прошедшей через многослойную структуру, и волны, отраженной от нее, связаны с коэффициентом определяющим амплитуду падающей волны, следующим соотношением где T N – матрица передачи слоистой структуры, состоящей из N слоев:

11 Математическая модель взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Постоянные распространения электромагнитной волны в пустом волноводе, волноводе, заполненном диэлектриком, нанометровой металлической пленкой и полупроводником:

12 Математическая модель взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Коэффициенты отражения R и прохождения T электромагнитной волны, взаимодействующей со слоистой структурой, определяются через элементы матрицы передачи T N с помощью соотношений:

13 Результаты компьютерного моделирования взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Частотные зависимости квадрата модуля коэффициента отражения 11-слойного фотонного кристалла «поликор-пенопласт» для различных значений толщины d 6 нарушенного 6-го слоя (слой пенопласта): d 6, мм: 2– 7.0, 3–4.0, 4–3.0, 5–1.0 Кривая 1 соответствуют фотонному кристаллу без нарушений. Компьютерное моделирование спектров отражения волноводных фотонных структур

14 Результаты компьютерного моделирования взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Частотные зависимости квадрата модуля коэффициента отражения 11-слойного фотонного кристалла «поликор- пенопласт» при наличии в нем нарушения в виде уменьшенной до 3 мм (верхний рисунок) и до 5 мм (нижний рисунок) толщины одного из слоёв пенопласта: 1 – шестого, 2 – четвертого и восьмого, 3 – второго и десятого Компьютерное моделирование зависимости спектров отражения волноводных фотонных структур от положения нарушения в структуре фотонного кристалла

15 Результаты компьютерного моделирования взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Диэлектрическая пластина с нанесенным на неё нанометровым металлическим слоем

16 Результаты компьютерного моделирования взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Спектры отражения фотонного кристалла для различных значений толщины h металлического слоя при размещении фотонного кристалла перед измеряемой структурой. h, нм: 2 – 0, 3 – 4, 4 – 20, 5 – 50, 6 – 200 Кривая 1 без измеряемой структуры Компьютерное моделирование зависимости спектров отражения волноводных фотонных структур, содержащих проводящие слои

17 Результаты компьютерного моделирования взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Зависимости коэффициента отражения фотонного кристалла от толщины металлического слоя при размещении фотонного кристалла перед измеряемой структурой на различных частотах Верхний рисунок: фотонный кристалл «пенопласт – поликор =9.6» f, ГГц: 1 – ,2 – 10.36, 3 – 10.35, 4 – 10.34, 5 – 10.33,6 –10.32 Нижний рисунок: фотонный кристалл «пенопласт – керамика = 100» f, ГГц: 1– 8.995, 2 – 9.01, 3 – 9.02, 4 – 9.03, 5 – 9.04, 6 – 9.05 Компьютерное моделирование зависимости спектров отражения волноводных фотонных структур, содержащих проводящие слои

18 Результаты экспериментального исследования взаимодействия СВЧ- излучения с одномерными волноводными фотонными структурами Фотография экспериментальной установки

19 Результаты экспериментального исследования взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами Измеренные частотные зависимости квадрата модуля коэффициента отражения фотонного кристалла для различных значений толщины d 6 нарушенного 6-го слоя (слой пенопласта): Кривая 1 соответствуют фотонному кристаллу без нарушений. d 6, мм: , ,

20 Результаты экспериментального исследования взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами Измеренные частотные зависимости квадрата модуля коэффициента отражения 11-слойной структуры фотонного кристалла для различных значений диэлектрической проницаемости e 7-го слоя при толщине нарушенного 6-го слоя d 6 =4 mm, отн.ед.: 1 – 1, 2 – 3, 3 – 4.3, 4 – 4.7, 5 – 9.6

21 Результаты экспериментального исследования взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами, содержащими проводящие нанослои Измеренные частотные коэф- фициента отражения фотон-ного кристалла c нарушением в виде 6-го слоя меньшей толщины (4 мм) для различных значений толщины h нанометрового металлического слоя при размещении образца после фотонного кристалла: Кривая 1 соответствуют фотонному кристаллу без исследуемого образца. h, нм: 2 – 0, 3 – 21, 4 – 76, 5 – 144.

22 Результаты экспериментального исследования взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами, содержащими проводящие нанослои Измеренные частотные зави-симости коэффициента отра-жения фотонного кристалла с нарушением в виде 6-го слоя меньшей толщины (4 мм) для различных значений толщины h нанометрового металличес-кого слоя при размещении образца перед фотонным кристаллом: Кривая 1 соответствуют фотонному кристаллу без исследуемого образца. h, нм: 2 – 0, 3 – 12, 4 – 18, 5 – 21.

23 Результаты экспериментального исследования взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами Экспериментальные (точки) и рассчитанные (линии) спектры отражения электромагнитной волны от исследуемой структуры: «волноводный фотонный кристалл – пленки тантала на поликоровой подложке»: электропроводность пленки, Ом -1 м -1 : слева – справа– Исследование нанометровых металлических пленок с различной электропроводностью, нанесенных на диэлектрические подложки

24 Экспериментальные (точки) и рассчитанные (сплошные кривые) спектры отражения от исследуемой структуры: 1 – в системе «волноводный фотонный кристалл – пленка NiCr – полупроводниковая подложка», 2 – в системе «волноводный фотонный кристалл – полупроводниковая подложка – пленка NiCr». слева h мет =10 нм; справа h мет =110 нм. Экспериментальное исследование нанометровых слоев металла в структурах металл–полупроводник Результаты измерения структур металл-полупроводник на СВЧ с использованием одномерных фотонных структур

25 Основные результаты и выводы 1.Проведен анализ современного состояния исследований электродинамических свойств СВЧ-фотонных кристаллов с включениями в виде наноструктур и нанокомпозитов и их применения для создания функциональных устройств СВЧ- электроники. 2.Проведено описание компьютерной модели, методика и результаты экспериментальных исследований частотных зависимостей коэффициентов отражения и прохождения СВЧ- излучения, взаимодействующего с волноводными фотонными кристаллами, содержащими нанометровые проводящие включения. 3.Экспериментально исследованы особенности взаимодействия СВЧ-излучения с одномерными волноводными фотонными структурами в трехсантиметровом диапазоне длин волн. 4.Экспериментально исследованы спектры отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона одномерных волноводных фотонных структур, содержащих нарушения в виде измененной толщины и диэлектрической проницаемости отдельных слоёв, а также одномерных волноводных фотонных структур, размещенных перед структурой типа «нанометровая металлическая плёнка – полупроводниковая или диэлектрическая подложка».

26 Результаты исследований использованы в учебном процессе Практикум по спецкурсу «Измерение параметров полупроводников и диэлектриков на СВЧ» по направлению подготовки «Электроника и наноэлектроника» При создании компьютерного комплекса для измерения толщины микро- и нанометровых пленок.

27 Основные результаты исследований изложены в следующих публикациях: Материалы исследований доложены на международных конференциях 1.D.A. Usanov, Al.V. Skripal, An.V. Skripal, A.V. Abramov, A.S. Bogolubov, M.Y. Kulikov, D.V. Ponomarev. Photonic Structures in the Microwave Band and Their Appli-cations // Proc. of 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON Vilnius, Lithuania, June 14-16, – V.2. P. 686–694. ISBN D.A. Usanov, Al.V. Skripal, An.V. Skripal, A.V. Abramov, A.S. Bogolubov, A. Bakouie. Measurement of Thickness and Electrophysical Parameters of Nanometer Films by means of Optical and Microwave Methods // Proc. of 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON Vilnius, Lithuania, June 14-16, – V.2. P. 395–398. ISBN Д. А. Усанов, А. В. Скрипаль, А. В. Романов. Комплексная диэлектрическая проницаемость композитов на основе диэлектрических матриц с включениями из углеродных нанотрубок. // Материалы 20-ой Международной Крымской конферен-ции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2010). Сева-стополь, сентября 2010 г.: Материалы конференции. Севастополь: «Вебер», 2010, Т. 2, С

28 Основные результаты исследований изложены в следующих публикациях: Направлена в печать работа: Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль и др. «Ближнеполевая СВЧ-микроскопия нанометровых слоев металла на диэлектрических подложках» Материалы исследований направлены в качестве доклада на Европейскую неделю СВЧ: 14th European Microwave Week 2011,

29 Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициентов отражения и прохождения СВЧ-излучения, взаимодействующего с микрополосковыми фотонными кристаллами, содержащими нанокомпозиты на основе диэлектрических матриц с включениями в виде углеродных нанотрубок. Теоретическое обоснование и экспериментальная реализация метода измерения параметров слоистых наноструктур, входящих в состав волноводных фотонных кристаллов в качестве нарушений, на основе решения обратной задачи по результатам измерения характеристик взаимодействия СВЧ-излучения с исследуемыми наноструктурами. Использование методов ближнеполевой СВЧ-микроскопии для контроля нанометровых слоёв металла на диэлектрических подложках. Основные направления исследований на 2011 год:

30 Благодарю за внимание.