ДБ/Нанокомпозит

Назва

Моделювання і створення нового класу кристалічних нанокомпозитів із контрольованою кристалізацією та їх дослідження в оптичному та субтерагерцовому діапазонах хвиль.

Зміст проекту

Проблема, на вирішення якої було спрямовано дослідження:

Моделювання структури та створення технології спрямованої кристалізації твердотільних матеріалів в мезопорах нанопористих матриць спрямовані на розв’язання важливої науково-технічної проблеми матеріалознавства і нанофізики, а саме: виготовлення нового класу кристалічних нанокомпозитів із контрольованою кристалізацією з метою підвищення ефективності їх практичного використання як перспективних робочих елементів електро-, акусто- чи нелінійно оптичних пристроїв для інфокомунікаційних, в тому числі оборонних, систем, а також як оптоелектронних чутливих елементів мікро- та наноелектроніки.

Об'єкт і предмет дослідження:

Об’єкт дослідження – нанопористі матриці із різною геометрією та структурою пор, а також анізотропні матеріали із різною геометрією кристалізації в цих мезопорах. Предмет науково-технічної (експериментальної) розробки – моделювання, рефракційні та індуковані властивості нанопористих матриць та виготовлених на їх основі кристалічних нанокомпозитів із контрольованою кристалізацією.

Мета і основні завдання дослідження:

Мета роботи – провести моделювання та створити новий клас кристалічних нанокомпозитів із контрольованою геометрією кристалізації та здійснити експериментальні вимірювання рефракційних та індукованих властивостей виготовлених наноструктур для оцінки перспектив їх практичного використання у широкому діапазоні довжин хвиль. Основні завдання наукової роботи: 1) змоделювати та вибрати структуру і геометрію пор нанопоростих матриць як “господаря” кристалічних нанокомпозитів; 2) провести модернізацію інтерферометричних (на базі інтерферометрів Майкельсона та Маха-Цендера) установок для рефракційних вимірювань в оптичному та квазі-оптичному діапазонах; 3) здійснити комплекс експериментальних рефракційних вимірювань вибраних нанопористих матриць у видимому та субтерагерцовому діапазонах хвиль; 4) змоделювати та вибрати напрями кристалізації (глобальні максимуми анізотропії) для досліджуваного кристалічного матеріалу (наприклад, кристалів групи ADP) як “гостя” при створенні кристалічного нанокомпозиту із контрольованою геометрією кристалізації; 5) розробити технологію контрольованого росту нанокристалітів в порах вибраних приймаючих матриць із знайденою необхідною геометрією та структурою мезопор; 6) оцінити просторову анізотропію рефракційних та індукованих оптичних властивостей як самих нанопористих структур, так і виготовлених на їх базі кристалічних нанокомпозитів із контрольованою геометрією кристалізації та оцінити перспективи їх можливого практичного застосування у широкому діапазоні довжин хвиль. 7) оцінити можливості практичного використання виготовлених лабораторних прототипів нового класу кристалічних нанокомпозитів із контрольованою кристалізацією на прикладі ADP та KDP як нанозаповнювачів.

Головні результати

1. На першому етапі було проведено аналіз літературних джерел та способів дослідження нанопористих матриць. Крім того, було створено план, згідно якого було проведено модернізацію експериментальних установок. Також, було проведено літературний огляд щодо способів та програмних засобів моделювання геометрії структур нанопористих матеріалів. Були розглянуті алгоритми та математичні моделі формування кристалічних структур та проведено порівняльний аналіз формування кристалічних та нанопористих структур. На основі проаналізованих даних було спроектовано математичну модель та реалізовано програмними засобами структуру нанопористої матриці із анодованого оксиду алюмінію, в якій проектування та аналіз відбувається на основі вхідних параметрів про структуру та геометричні розміри пор. За результатами проведеної оцінки було вдосконалено установки: а) для вимірювань показників заломлення у видимому діапазоні довжин хвиль, б) для вимірювання показника заломлення у субТГц (міліметровому) діапазоні хвиль та в) модифіковано програмну частину процесу автоматизованого керування експериментом.
2. На другому етапі було розвинуто методологію виготовлення нового класу кристалічних нанокомпозитів із контрольованою кристалізацією. Для цього було проведено порівняльний аналіз існуючих технологій вирощування нанокристалітів, швидкості їх кристалізацій та дотримання відповідних умов росту. На основі цих даних було сформовано набір правил та рекомендацій, які можуть бути використанні для виготовлення відповідних кристалічних нанокомпозитів на основі вибраних нанопористих матриць. Крім того, був запропонований набір кристалічних матеріалів для їх вирощення в порах нанопористих матриць та оцінені можливості для створення на їх основі кристалічних нанокомпозитів із контрольованою кристалізацією. Було також розроблено алгоритмічну модель для аналізу процесів взаємодії в нанопористих структурах, що дало можливість вивести основні рівняння та розрахувати ефективний показник заломлення спроектованих кристалічних нанокомпозитів. Для цього було описано алгоритми формування регулярних мікрорівневих коміркових моделей структури композитів на основі використання кривих Без’є, наведено відповідні числові моделі та методи їх візуалізації. Крім того, з використанням технології паралельних обчислень OpenCL було проведено вдосконалення методики існуючого програмного забезпечення для 3D аналізу просторової анізотропії та пошуку глобального максимуму індукованих оптичних ефектів. В результаті швидкість проведення аналізу для вибраного матеріалу при однакових заданих умовах було зменшено з 12 год. до 20 хв. На основі результатів проведеного рентгеноструктурного аналізу створених нанокомпозитів та результатів досліджень нелінійно оптичних властивостей кристалічних матеріалів як заповнювачів нанопористих матриць та створених на їх основі нанокомпозитів, було показано наявність утворення нанокристалітів в порах досліджуваних Al2O3 наноматриць. Нелінійно оптичний ефект в кристалічних нанокомпозитах було досліджено на основі генерації другої гармоніки за допомогою методу смуг Мейкера, використовуючи пікосекундні імпульси лазерного випромінювання на довжині хвилі 1064 нм. Поляризаційно-залежний ефект генерації другої гармоніки спостерігався в основному за рахунок анізотропії макроскопічної структури нанокомпозиту KDP/Al2O3. Крім того, було проведено атомно-силову та звичайну мікроскопію створених нанокомпозитів. За результатами проведеної мікроскопії було отримано інформацію про морфологію поверхні створених наноструктур. Якість поверхні зразків є досить низькою і як результат необхідне якісне полірування поверхні для проведення подальших вимірювань, оскільки виготовлені наноструктури не придатні в такому вигляді для експериментальних вимірювань та розробки пристроїв для оптичного діапазону довжин хвиль. Також було проведено вимірювання спектрів пропускання створених кристалічних наноструктур. Із аналізу спектрів видно, що пропускання чистих наноструктур Al2O3 в діапазоні довжин хвиль 0,3-3 мкм неочікуванно зростає зі зменшенням діаметра нанопор. Крім того, наявність в нанопорах кристалітів приводить до значного збільшення пропускання створених структур Al2O3+ADP та Al2O3+KDP. Результати проведених рефракційних вимірювань у видимому діапазоні не дали прогнозованого результату на існуючому обладнанні, оскільки створенні наноструктури не є достатньо оптично-прозорими і мають значне розсіювання лазерного випромінювання, яке проходить через них. Крім того, було проведено експериментальні дослідження в субтерагерцовому діапазоні (на частоті 33ГГц). В даному діапазоні чутливість приладів не дозволяє отримати якісну інтерференційну картину і відповідно визначити ефективний показник заломлення нанокомпозитів.
3. На третьому етапі, на вирощених нанокомпозитах було проведено дослідження оптичних властивостей структур. Для цього на спектрофотометрі Shimadzu UV-3600 було знято спектри пропускання та відбивання матриць Al2O3 із нанокристалітами ADP, вирощеними в нанопорах. Також, на спектрофотометрі Carry 5000 були зняті спектри пропускання з врахуванням дифузного розсіяння і спектри дифузного розсіяння. З приведених експериментальних досліджень випливає, що пропускання і розсіяння зразків матриць Al2O3 з кристалами ADP в нанопорах і без них в значній мірі залежать від властивостей матриць Al2O3 і технології їх виготовлення. Проте з аналізу результатів можна говорити про можливості використання отриманих структур із нанокристалітами ADP як фільтрів для відповідного частотного діапазону, зокрема для 0.8-2.6 мкм.

Оригінальність та інноваційні аспекти

• У порівнянні із існуючими методами росту водорозчинних нанокристалітів та твердих нанокристалітів в нанопористих матрицях, у запропонованому нами методі вирощування нанокристалітів із розчину було розроблено спосіб забезпечення контрольованого росту нанокомпозитів в нанопорах матриць, за рахунок проведення ростових маніпуляцій шляхом позиціонування нанопористих матриць під наперед заданим кутом у спеціально розробленому тримачі. Таке позиціонування у поєднанні з визначеним напрямком кристалізації, дозволяє здешевити апаратну частину пристрою для вирощування нанокомпозитів та в перспективі може забезпечити формування нанокристалітів заданої кристалізації в нанопорах досліджуваних матриць.
• Крім того, нами було показано можливість моделювання та ефективнішого вибору напрямів кристалізації (тобто глобального максимуму анізотропії) для електрооптичного ефекту в досліджуваному кристалічному матеріалі при його використанні як “гостя” для створення нанокомпозиту із контрольованою геометрією кристалізації, що дає можливість значно покращити ефективність використання створеного нового класу кристалічних нанокомпозитів.
• Розроблена нами алгоритмічна модель для аналізу та вивчення можливих взаємодій в нанопористих структурах, а саме для пошуку ефективного показника заломлення спроектованих кристалічних нанокомпозитів на основі використання кривих Без’є, володіє рядом переваг у порівнянні з існуючими аналогічними підходами, а саме: (1) розроблена нами модель дозволяє візуально показувати розподіл випромінювання, що проходить через систему наноматриця+нанокристаліти, (2) проводити моделювання для визначення ефективного показника заломлення наноструктур у відповідності до діаметру пор наноматриці, різних нанозаповнювачів та прогнозованої нерівномірності пор.

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

• N. Andrushchak, D. Vynnyk, A. Andrushchak, V. Haiduchok, Y. Zhydachevskyy, M. Kushlyk, “Optical Properties of Nanoporous Al2O3 Matrices with Ammonium Dihydrogen Phosphate Crystals in Nanopores,” 2018 IEEE 8th International Conference on Nanomaterials: Applications & Properties, NAP 2018, September 9-14, Zatoka (Ukraine).
• N. Andrushchak, P. Goering, A. Andrushchak, “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). – pp. 484-487.
• I. Kityk, A. El-Naggar, A. Albassam, N. Andrushchak, D. Kulwas, P. Czaja, B. Sahraoui, “Coherent Laser Induced Synthesis of Rare Earth Doped Nanocrystallites of 50PbO–25Bi2O3–20Ga2O3–5BaO,” 2018 14th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering, (TCSET’2018), February 20-24, Lviv-Slavske (Ukraine). – pp. 488-491.
• N. Andrushchak, Y. Matviychuk, A. Andrushchak, “Application of a principle of mathematical models reduction for optimal vector of induced optical effects in crystalline materials for optoelectronics,” Proceedings of the 2017 14th International Conference The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics, CADSM 2017, February 21-25, Polyana (Ukraine). – pp. 70-73.
• N. Jaworski, N. Andrushchak, “A method of nanoporous anodic aluminum oxide structure modeling based on Bezier curves generation,” 2017 14th International Conference The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics, CADSM 2017, February 21-25, Polyana (Ukraine). – pp. 63-66.
• N. Jaworski, N. Andrushchak, “A Numerical Model of Light Propagation in Porous Composite Structures”, International Conference on Oxide Materials for Electronic Engineering – fabrication, properties and applications, OMEE 2017, May 29 – June 2, Lviv (Ukraine). – p. 91.
• B. Kulyk, N. Andrushchak, B. Sahraoui, A. Andrushchak, “Exploration of Second Harmonic Generation in KDP-Based Crystalline Nanocomposites,” International Conference on Oxide Materials for Electronic Engineering – fabrication, properties and applications, OMEE 2017, May 29 – June 2, Lviv (Ukraine). – p. 92.
• B. Kulyk, N. Andrushchak, P. G?ring, A. Andrushchak, B. Sahraoui, “Nonlinear Optical Response of KDP/Al2O3 Crystalline Nanocomposite,” 2017 IEEE 7th International Conference on Nanomaterials: Applications & Properties, NAP 2017, September 10-15, Zatoka (Ukraine). – pp. 03NNSA26.
• N.A. Andrushchak, O.A. Buryy, V.T. Adamiv, I.M. Teslyuk, A.S. Andrushchak, A.V. Kityk “Development of Crystalline Nanocomposites with KDP crystals as Nanofiller,” International Conference “Nanomaterials: Applications and Properties” (NAP), 2016. – September 14-19, 2016, Lviv (Ukraine). – p. 02NNSA10-1-2.
• A.S. Andrushchak, O.A. Buryy, N.A. Andrushchak, O.M. Yaremko, A. Rusek, A.V. Kityk “Global maxima of linear electro-op tic effect for selected widely used crystalline materials,” International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL), 2016. – September 12-15, 2016, Odesa (Ukraine). pp. 176-178.
• N.A Andrushchak, A.V. Kityk, A.S. Andrushchak. “Perspectives of Design of Crystalline Nanocomposites with Tailored Anisotropy as Active Elements in Optoelectronics,” Nanotechnology and Nanomaterials (NANO), 2016, August 24-27, Lviv (Ukraine). – p. 24.

Публікації

В рамках виконаного проекту надруковано науково-технічні статті:

1. N. Andrushchak, I. Karbovnyk, R. Lys, “LabVIEW-based Automated Refractive Index Measurements of Optical Materials Using Red Laser, Measurement Science and Technology, 2018. https://doi.org/10.1177%2F2472630319891133
2. N. Andrushchak, B. Kulyk, P. Goring, A. Andrushchak, B. Sahraoui, “Study of Second Harmonic Generation in KDP/Al2O3 Crystalline Nanocomposite,” Acta Physica Polonica A, vol. 133, pp. 856-859, 2018 http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/SPIS/a133-4.html
3. A. Andrushchak, O. Buryy, N. Andrushchak, Z. Hotra, O. Sushynskyi, G. Singh, V. Janyani, I. Kityk, "General method of extreme surfaces for geometry optimization of the linear electro-optic effect on an example of LiNbO3:MgO crystals," Appl. Opt., vol. 56, Issue. 22, pp. 6255-6262, 2017. https://doi.org/10.1364/ao.56.006255
4. N. Andrushchak, N. Jaworski, M. Lobur, “Improvement of the Numerical Method for Effective Refractive Index Calculation of Porous Composite Materials Using Microlevel Models,” Acta Physica Polonica A, vol. 133, pp. 164-166, 2017. http://doi.org/10.12693/APhysPolA.133.164
5. O. Buryy, N. Andrushchak, A. Ratych, N. Demyanyshyn, B. Mytsyk, and A. Andrushchak, "Global maxima for the acousto-optic effect in SrB4O7 crystals," Appl. Opt., vol. 56, pp.1839-1845, 2017. https://doi.org/10.1364/AO.56.001839

© 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