Федеральная целевая программа «Исследования и разработки

<Номер соглашения>
<Номер постера>
Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Индустрия наносистем
Тема: Создание научно-технической базы для ВУФ-спектроскопии твердых тел в масштабе коротких времен на
современных накопителях и лазерах на свободных электрона
Руководитель проекта: доцент И.А. Каменских
Соглашение 14.616.21.0006
на период 2014 - 2017 гг.
Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный
университет имени М.В. Ломоносова»
Цели и задачи проекта
Задача: создание научно-технической базы для ВУФ-спектроскопии твердых тел в масштабе коротких времен на современных накопителях и лазерах на свободных электронах.
Цели проекта:
•
модернизация установки Локус на канале накопителя Сибирь-1 в НИЦ "Курчатовский институт";
•
проведение подготовительных работ для перенесения ее на накопитель Сибирь-2;
•
формирование сообщества потенциальных пользователей станции Локус;
• воссоздание установки Superlumi с расширенными возможностями для измерений с пикосекундным временным разрешением на канале P66 накопителя PETRA III в немецком центре
синхротронного излучения DESY;
• развитие теоретической базы для анализа данных ВУФ-спектроскопии;
• интеграция российских исследователей в высокотехнологичную среду европейского исследовательского центра DESY.
Ожидаемые результаты проекта
• Модернизированная станция Локус для ВУФ-спектроскопии на канале синхротронного излучения накопителя НИЦ "Курчатовский институт" , готовая к приему пользователей; начало
исследования функциональных материалов на ней: люминофоров для белых светодиодов, сцинтилляторов, сверхпроводников, наноструктурированных материалов; подготовка к
перенесению станции Локус на большое накопительное кольцо.
• Возобновление работы станции Superlumi на канале синхротронного излучения накопителя PETRAIII немецкого центра синхротронного излучения DESY; реализация на ней методики
измерений с пикосекундным временным разрешением с использованием временной структуры синхротронного излучения и лазерной системы.
• Развитие теоретической базы для анализа данных ВУФ-спектроскопии: определение электронной структуры исследуемых веществ; описание структуры возбужденных нанометровых
областей, создаваемых поглощением ВУФ-фотонов; оценка длин термализации; определение плотностных эффектов в треках по данным ВУФ-спектроскопии
Перспективы практического использования
• В настоящее время в мире отсутствуют специализированные станции для вакуумной ультрафиолетовой спектроскопии с использованием синхротронного излучения. Опыт станции
Superlumi, по результатам работ на которой за 25 лет опубликовано около 1000 статей в ведущих научных журналах, продемонстрировал потенциал ВУФ-спектроскопии и ее
востребованность. По нашим оценкам, введения в строй станций Локус и Superlumi ожидают ученые 29 лабораторий ведущих университетов и НИИ России и Европы, которые
специализируются на исследовании и создании люминесцирующих материалов и детекторов излучения.
• Сообщество пользователей станции Superlumi объединяет 29 исследовательских групп из 14 стран Европы, России и СНГ, при этом использование единой экспериментальной базы
способствует эффективному научному сотрудничеству, плодотворному обмену научными идеями и развитию экспериментальных методик. Мы надеемся, что возобновление работы данной
станции, и также модернизация станции Локус, которые проводятся с учетом пожеланий пользователей, будут служить дальнейшему развитию международного сотрудничества.
Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.
Показано, что квантовые точки
могут эффективно возбуждаться
за счет потерь энергий быстрых
вторичных нетермализованных
электронов.
На
рисунке
показана
вероятность
возбуждения
и
ионизации
наночастицы Si в SiO2 в
зависимости от передаваемой
энергии.
На примере алмаза разработана методика расчета энергетического
распределения горячих электронов и дырок, создаваемых
поглощением высокоэнергетических квантов, позволяющая проводить
моделирование
экспериментальных
спектров
возбуждения
люминесценции и интерпретировать наблюдаемые в них особенности,
связывая их с параметрами зонной структуры, фононным спектром,
длинами термализации, радиусом Онсагера и т.д.
Верхний
график:
экспериментальные
спектры
возбуждения люминесценции с
временным
разрешением:
интегральный,
(0-40)
нс
("быстрый") и (40-200) нс
("медленный").
Ниже
изображена
доля
дырок
(средний график) и электронов
(нижний график) с кинетической
энергией выше порогов
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,10
Энергия фотона, эВ
Нами
предложено
исследовать
возможность
применения
внутризонной
люминесценции,
наблюдаемой
в
процессе
термализации носителей заряда в
прозрачных кристаллах. Рассчитаны
спектры люминесценции и выход
пикосекундной
внутризонной
люминесценции
в
упрощенном
предположении о структуре зоны
проводимости
диэлектрического
кристалла. Предложены возможные
пути увеличения ее выхода.
0,30
Интегральный
0,09
0,25
Быстрый
Медленный
0,08
0,07
0,20
Квантовый выход, отн. ед.
В пространственно-однородных системах размеры кластера
возбуждений, создаваемых при поглощении ВУФ и мягких
рентгеновских фотонов, определяются длинами пробега относительно
неупругого электрон-электронного рассеяния, а при более низких
энергиях
–
длиной
термализации
на
фононах.
В
наноструктурированнных
системах
на
пространственное
распределение
возбуждений
будут
существенно
влиять
энергетические и пространственные размеры наноструктур, например,
квантовых точек, что может приводить к возбуждению одним
высокоэнергетичным фотоном нескольких квантовых точек с
созданием в каждой из них нескольких возбуждений.
Современные приложения физики высоких энергий и медицинской
диагностики
требуют
быстрой
регистрации
взаимодействия
ионизирующего излучения со средой с временами отклика порядка 10
пикосекунд. Классические сцинтилляторы с экситонной или
активаторной люминесценцией слишком медленные, даже время
разгорания в них составляет более 100 пс, таким образом, делая их
непригодными для сверхбыстрой регистрации. По этой причине
требуется поиск нетрадиционных видов люминесценции.
0,06
0,05
0,15
0,04
0,10
0,03
0,02
0,05
0,01
0,00
1,0
D
Электрон-фононное и электрон-электронное
взаимодействия в кластерах электронных возбуждений
в наноструктурированных системах
Энергетическое распределение горячих электронов и
дырок, создаваемых ВУФ-фотонами в диэлектриках
0,00
|Eh| > 5.5 эВ
|Eh| > 7.5 эВ
0,5
0,0
1,0
F
• Проведена модернизация вакуумной системы
• Нанесено новое покрытие входного зеркала
• Заменены ФЭУ
• Создано новое ПО для управления станцией и
сбора экспериментальных данных
• Начато изготовление новой камеры образцов
Пикосекундная люминесценция для сверхбыстрых
детекторов
Интенсивность свечения, отн.ед.
Модернизация станции Локус
Ee > 11 эВ
Ee > 13 эВ
Ee > 17 эВ
0,5
D
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Энергия фотона, эВ
Экспериментальные исследования на УНУ и в ЦКП
• Проведены исследования структуры диэлектрических сверхрешеток с нанокристаллами кремния в
европейском центре синхротронного излучения ESRF, Гренобль, Франция методами GISAXS и GIXRD
• Проведены исследования спектров возбуждения люминесценции люминофоров для белых светодиодов
на основе твердых растворов гранатов на станции Локус НИЦ «Курчатовский институт» и накопителе «MAX
IV», Лунд, Швеция
• На станции ФЭС методом ЭСХА исследованы различные матрицы с нанокристаллами кремния
• В ЦКП физического факультета МГУ методом ИК поглощения получена и информация о химическом связях
в сверхрешетках с нанокристаллами кремния
Партнеры проекта
Гамбургский университет, Институт наноструктур и физики твердого тела
Руководители проекта: проф. М. Рюбхаузен и проф. Р. Блик.
Финансовый вклад 1 млн. Евро
Работы ведутся в тесном сотрудничестве с Немецким центром синхротронного излучения DESY, также финансирующим работы по переносу станции Superlumi на линию
P66 накопителя Petra III.
<14.616.21.0006>
<Номер постера>