ДБ/Анізотропія

Назва

Інноваційні низько-симетричні та наноструктурні кристалічні матеріали із заданою анізотропією для елементів і пристроїв мікро- та наноелектроніки

Зміст проекту

Проблема, на вирішення якої було спрямовано дослідження:

Експериментальні дослідження власних та індукованих оптичних ефектів в низько-симетричних твердотільних і рідкокристалічних матеріалах та заповнених ними нанопористих структурах спрямовані на розв’язання важливої науково-технічної проблеми матеріалознавства і нанофізики, а саме: підвищення ефективності використання таких структур як перспективних робочих елементів електро-, п’єзо- чи акусто-оптичних пристроїв для інфокомунікаційних, в тому числі оборонних, систем, а також як оптоелектронних сенсорних елементів мікро- та наноелектроніки.

Об'єкт і предмет дослідження:

Об’єктом дослідження даної роботи є інноваційні низько-симетричні твердотільні і рідкокристалічні матеріали та заповнені ними нанопористі структури. Предметом дослідження даної роботи є власні та індуковані (електро-, п’єзо- чи акусто-) оптичні ефекти у відповідних матеріалах та виготовлених нанокристалічних структурах із заданою анізотропією.

Мета і основні завдання дослідження:

Основна мета проекту полягає в розробці наукових та технологічних основ моделювання, виготовлення і дослідження інноваційних низько-симетричних та наноструктурних кристалічних матеріалів із заданою геометрією кристалізації (тобто із заданою анізотропією) внесеного матеріалу та оцінці перспектив їх прикладних застосувань в різноманітних оптоелектронних пристроях для мікро- та наноелектроніки. При цьому передбачається використання великого нерозкритого ресурсу просторової анізотропії індукованих оптичних властивостей такого матеріалу. Основні завдання проекту полягали в наступному: 1) провести необхідні експериментальні дослідження індукованих (електро-, п’єзо- чи акусто-) оптичних параметрів для вибраного перспективного кристалічного матеріалу; 2) використовуючи створену нами технологію найефективнішого використання анізотропних матеріалів, знайти відповідну екстремальну геометрію досліджуваного ефекту у цьому матеріалі; 3) на цій основі змоделювати та розробити технологію створення наноструктур із заданою анізотропією, використовуючи нанопористі матриці з оксиду алюмінію та 4) провести власні та індуковані оптичні дослідження виготовлених наноструктур, заповнених твердотільним матеріалом в екстремальній геометрії його індукованого оптичного ефекту, на предмет їх можливого практичного використання.

Головні результати

1. Було вдосконалено створену авторами інформаційну технологію найефективнішого і стабільнішого використання анізотропних матеріалів та проведено її апробацію на прикладі кристалів групи Ba(NO3)2, KDP та інших низько-симетричних кристалічних матеріалів.
2. Було вдосконалено програмне забезпечення для 3D аналізу просторової анізотропії і пошуку екстремального значення індукованих оптичних ефектів та проведено його апробацію на прикладі досліджених кристалів.
3. Було модернізовано розвинуті авторами раніше методики для визначення ненульових компонент тензорів електро- та п’єзооптичного ефектів і параметра акустооптичної якості в кристалах різних класів симетрії; Вперше було створено методичне забезпечення для експериментальних вимірювань наноструктур із заданою анізотропією.
4. Було створено нанокристалічні структури шляхом заповнення пор нанопористих матриць водорозчинними кристалічними матеріалами.

Оригінальність та інноваційні аспекти

• Модернізовано експериментальні установки і відповідні методи для вимірювань електро-, п’єзо- та пружно-оптичних ефектів в об'ємних кристалічних матеріалах всіх класів симетрії та вперше на створених наноструктурах із заданою анізотропією. Вперше проведено комплексні дослідження всіх необхідних параметрів вибраних анізотропних матеріалів, тобто виміряно всі компоненти електро-, п’єзо- або пружно-оптичних тензорів для вибраних об’ємних кристалічних матеріалів. Представлені та модернізовані методики є придатними для кристалічних матеріалів всіх класів симетрії і дозволяють визначити як величину, так і знак всіх електро-, п’єзо- чи пружно-оптичних коефіцієнтів, на відміну від інших відомих методик, де знаки цих коефіцієнтів не визначаються.
• Вдосконалено програмне забезпечення для 3D аналізу просторової анізотропії індукованих оптичних ефектів та визначення їх глобальних максимумів в низькосиметричних об’ємних і наноструктурних кристалічних матеріалах. Це дає можливість врахувати діючий в експерименті та при всіх розрахунках обернений п’єзоелектричний ефект при вивчені електрооптичної взаємодії, а також закон збереження імпульсу при акустоптичній взаємодії, що не враховувалися раніше.
• Вперше побудовано екстремальні поверхні індукованих оптичних ефектів та знайдені оптимальні геометрії електро-, п’єзо- та акустооптичної взаємодій для вибраних матеріалів. При цьому використовувалося модернізоване програмне забезпечення, що дає більш точніші та фізично правильніші результати, в порівняні із отриманими раніше. Було обґрунтовано перспективи суттєвого поліпшення характеристик кристалічних матеріалів як активних елементів оптоелектронних пристроїв.
• Було продемонстровано ефективність інженерії наноматеріалів і адаптовано доступні технології для управління ростом наноструктур із заданою анізотропією. На основі розроблених технологій заповнення мезопор нанопористих мембран було розроблено технологію та експериментально підтверджено створення нанопористих структур із заданою анізотропією, що також є новизною цього проекту. Вперше було інтерпретовані експериментальні дані для індукованих оптичних ефектів в окремих наноструктурах різної геометрії і теоретично проаналізовані для того, щоб знайти кристалографічні орієнтації з найвищою величиною цих ефектів.

За матеріалами проекту були зроблені усні та стендові доповіді на міжнародних конференціях

• Andrushchak A. Spatial anisotropy of induced optical effects in anisotropic materials for optoelectronic devices: hidden reserves for enhancing their performаnce // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science - Proceedings of the 13th International Conference, TCSET'2016, February 23 – 26, 2016, Lviv-Slavsko (Ukraine). – P. 354–356. https://ieeexplore.ieee.org/document/7452057
• Buryy O., Andrushchak A., Rusek A., Ubizskii S. Most efficient geometries of the electro-optic effect in crystalline materials of different symmetry // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science - Proceedings of the 13th International Conference, TCSET'2016, February 23 – 26, 2016, Lviv-Slavsko (Ukraine). – P. 379–383. https://ieeexplore.ieee.org/document/7452064
• Andrushchak A., Buryy O., Mytsyk B., Andrushchak N., Demyanyshyn N., Chaban K., Rusek A., Kityk A. Information Technology for Most Efficient Application of Bulk and Nаnocrystalline Materials as Sensitive Elements for Optoelectronic Devices // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science - Proceedings of the 13th International Conference, TCSET'2016, February 23 – 26, 2016, Lviv-Slavsko (Ukraine). – P. 395–398. https://ieeexplore.ieee.org/document/7452068
• Andrushchak N.A., Kityk A.V., Andrushchak A.S. Perspective of Design of Crystalline Nanocomposites with Tailored Anisotropy as Active Elements in Optoelectronics, in Proceedings of International research and practice conference: Nanotechnology and Nanomaterials (NANO-2016), August 24-27, 2016, Lviv (Ukraine). – P. 24. http://www.iop.kiev.ua/~nano2016/abstracts/andrushchak.pdf
• Andrushchak A.S., Buryy O. A., Andrushchak N.A., Yaremko O.M., Rusek A., Kityk A.V. Global maxima of linear electro-optic effect for selected widely used crystalline materials, International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL), 2016, Conference Proceedings, – September 12-15, 2016, Odesa (Ukraine). – P. 176-178. https://ieeexplore.ieee.org/document/7851417
• Buryy O., Andruschchak N., Demyanyshyn N., Andruschchak A., Mytsyk B. The Acousto-Optic Effect Maxima in SrB4O7 Crystals, 13th International Conference on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM), 2016, Conference Proceedings, – September 12-15, 2016, Odesa (Ukraine). – P. 65-66. https://ieeexplore.ieee.org/document/7851232
• Andrushchak N.A., Buryy O.A., Adamiv V.T., Teslyuk I.M., Andrushchak A.S., Kityk A.V. Development of Crystalline Nanocomposites with KDP crystals as Nanofiller, in Proceedings of the International Conference “Nanomaterials: Applications and Properties”. – September 14-19, 2016, Lviv (Ukraine). – Vol. 5, No.2, 02NNSA10 (3pp). https://ieeexplore.ieee.org/document/7757311
• Andrushchak N., Matviychuk Ya., Andrushchak A. Application of a Principle of Mathematical Models Reduction for Optimal Vector of Induced Optical Effects in Crystalline Materials for Optoelectronics, in Proceedings of 14th International Conference The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics (CADSM 2017), 21-25 February, 2017, Polyana-Svalyava (Zakarpattya), UKRAINE. – P. 70-73. https://ieeexplore.ieee.org/document/7916087
• Andrushchak N., Goering P., Andrushchak A. Nanoengineering of Anisotropic Materials for Creating the Active Optical Cells with Increased Energy Efficiency, 2018 14th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET’2018), February 20-24, Lviv-Slavske (Ukraine). – P. 484-487. https://ieeexplore.ieee.org/document/8336246

Публікації

В рамках виконаного проекту надруковано науково-технічні статті:

1. Buryy O., Demyanyshyn N., Mytsyk B., Andrushchak A. Optimizing of the piezo-optic interaction geometry in SrB4O7 crystals // Optica Applicata.– 2016. –V. 46, No.3. – P. 447-459. http://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-ae22113d-73c6-4177-bdf7-b8452f4027df
2. Buryy O., Andrushchak N., Ratych A., Demyanyshyn N., Mytsyk B., Andrushchak A. Global maxima for the acousto-optic effect in SrB4O7 crystals // Applied Optics.– 2017. –V. 56, No.7. – P.1839-1845. https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-56-7-1839
3. Andrushchak A., Buryy O., Andrushchak N., Hotra Z., Sushynskyi O., Singh G., Janyani V., Kityk I. General Method of Extreme Surfaces for Geometry Optimization of the Linear Electro-Optic Effect on Example of LiNbO3:MgO Crystal // Applied Optics.– 2017. –V. 56, No.22. – P. 6255-6262. https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-56-22-6255
4. Andrushchak A.S., Buryy O.A., Demyanyshyn N.M., Hotra Z.Yu., Mytsyk B.G. Global Maxima of the Acousto-Optic Effect in CaWO4 Crystals // Acta Physica Polonica A.– 2018. –V. 133, No. 4. – P.928-932. http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/PDF/133/app133z4p39.pdf
5. Andrushchak N., Kulyk B., Goring P., Andrushchak A., Sahraoui B. Study of Second Harmonic Generation in KDP/Al2O3 Crystalline Nanocomposite // Acta Physica Polonica A.– 2018. –V.133, No. 4. – P.856-859. http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/PDF/133/app133z4p22.pdf
6. Buryy О.А., Andrushchak N.A., Demyanyshyn N.M., Andrushchak А.S. Study of peculiarities of acousto-optical interaction optimization in optically isotropic crystalline material on the example of GaP cubic crystal // Applied Optics
7. Бурий О.А., Андрущак Н.А., Яремко О.М., Убізський С.Б. Оптимізація геометрії лінійного електрооптичного ефекту в кристалах LiNbO3:MgO // Вісник Національного університету „Львівська політехніка”, серія „Радіоелектроніка та телекомунікації”. – 2016. – № 849 – C. 285-291. http://ena.lp.edu.ua:8080/handle/ntb/36345
8. Дем’янишин Н.М., Андрущак А.С., Бурий О.А., Мицик Б.Г. Реалізація можливостей ефективнішого використання кристалічних матеріалів на основі нетривіальної кутової геометрії екстремумів п’єзооптичного ефекту // Вісник Національного університету „Львівська політехніка”, серія „Радіоелектроніка та телекомунікації”. – 2018. – № 909. – С. 70–78.
9. Андрущак А.С., Бурий О.А., Андрущак Н.А. Спосіб пошуку глобального максимуму електрооптичного ефекту в анізотропних матеріалах для виготовлення чутливого елемента електрооптичної комірки. Патент України на корисну модель №134377 від 10.05.2019, Бюл. №9, МПК G01N 21/41 (Заявка на корисну модель за №u 2018 12747 від 21.12.2018).

Монографії

1. Андрущак А.С., Бурий О.А., Андрущак Н.А., Дем’янишин Н.М. Просторова анізотропія індукованих оптичних ефектів у кристалічних матеріалах Том 1. – Львів: Простір-М, 2019. – 196 с.

Захищені дисертацій на здобуття наукового ступеня

1. Дем’янишин Н.М. Фотопружність низькосиметричних кристалів. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. – Інститут фізичної оптики імені О.Г. Влоха Міністерства освіти і науки України, Львів, 2018.

© Науково-Навчальний Центр Інноваційних Технологій та НаноІнженерії

Адреса: Україна, Львів, вул. Кн. Романа, 5/620

Тел/Факс: +38(032)258-30-82, email: anatolii.s.andrushchak@lpnu.ua