Молодежная лаборатория «Оптической диагностики и модификации алмазных материалов»

Владимирского государственного университета

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЛАБОРАТОРИИ

Молодежная лаборатория «Оптической диагностики и модификации алмазных материалов» Владимирского государственного университета выполняет исследования за счет средств федерального бюджета по государственному заданию.

Наименование темы научного исследования «Разработка новых эффективных методов объемной лазерной микромодификации алмазных материалов», странами»; код научной темы, присвоенной учредителем - FZUN-2024-0018.

СРОК РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА: 2024-2026 гг.

В рамках данного проекта предполагается решение ряда задач, связанных с разработкой инновационной технологии изготовления новых датчиков для различного рода задач на основе искусственных алмазов, которая будет внедряться в промышленность на базе ГК «Алмазная долина».

ЦЕЛЬ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРИИ

Целью научного исследования, проводимого в лаборатории, является разработка методов модификации объемов искусственных алмазов для создания различных датчиков и сенсоров.

Особенностью реализуемого проекта является, то, что разработка технологии лазерной модификации объема алмаза позволит создавать сложные трехмерные топологические структуры, способные существенно повысить точность проектируемых инновационных датчиков и сенсоров.

Для разработки стабильных и точных сенсоров, будут разработаны и предложены современные методы разрушающего и неразрушающего оптического контроля качества исходных алмазных структур, использующихся в качестве элементной базы.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМ, ИССЛЕДУЕМЫХ В РАМКАХ МОЛОДЕЖНОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Уникальная комбинация механических, теплофизических, оптических и электрических свойств алмаза предопределяют его широкое потенциальное применение в качестве элементной для различных задача науки и техники. Так, например, он может выступать как инновационный материал для создания приборов на новых принципах в силовой оптики, для эффективного отвода тепла, как основа для высоковольтных коммутаторов, как материал для защиты от агрессивной среды, для метрологии ионизирующих излучений, квантовых сенсоров и т.д.

Более того, активно развивающаяся в течение последних лет технологии локальной модификации алмаза ультракороткими (фемто- и пикосекундными) лазерными импульсами открывает широкие возможности для создания разнообразных электронных и фотонных устройств на базе синтетического алмаза – широкозонного полупроводника с уникально высоким пробивным напряжением и радиационной стойкостью, высокой подвижностью носителей и рекордной теплопроводностью.

Таким, образом, модификация алмазных материалов, позволяет создавать на их основе различные высокочувствительные сенсоры и датчики. Например, благодаря высокой объемной плотности атомов в кристаллической решетке и радиационной стойкости они представляют собой ключевое решение при использовании в качестве активного материала для изготовления миниатюрных детекторов падающих заряженных частиц. Кроме того, тонкие алмазные мембраны в свою очередь подходят для изготовления датчиков давления как на основе пьезорезисторных свойств алмазов, так и на основе оптических. Выращенные алмазы с верхним слоем из DHG обладают чувствительностью к различным газам или органическим молекулам, что позволяет их применять в качестве детекторов таких опасных для человека газов, как аммиак и диоксид азота. Сенсоры на основе алмазов также могут применятся и в медицине для неинвазивного измерения потенциалов действия с помощью магнитных полей. Кроме того, с помощью магнитного поля к которому чувствителен центр NV алмазного датчика, можно измерять ток в различных проводниках.

ЗАДАЧИ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ К РЕШЕНИЮ

В рамках проекта предполагается проведение исследований по трем основным направлениям:

1. Лазерный синтез перспективных для разработки датчиков и сенсоров модифицированных структур искусственного алмаза:

     1.1. Лазерное микроструктурирование в объеме алмаза, позволяющее синтезировать графитизированные структуры.

     1.2. Определение влияния внутренней структуры алмаза (дефектов) на его взаимодействие с лазерным излучением.

     1.3. Разработка методов оптического контроля, получаемых графитизированных структур.

2. Моделирование графитизированных структур и их свойств, имеющих перспективу применения в датчиках и сенсорах.

     2.1. Моделирование структуры графитизированной области.

     2.2. Моделирование электрофизических, оптических свойств систем графитизированных областей в искусственном алмазе.

3. Применение возможностей искусственных нейронных сетей для разработки инновационных сенсоров и датчиков.

     3.1. Исследование и анализ применимости искусственных нейронных сетей и методов машинного обучения для обработки сигналов (электрических и оптических) с датчиков на основе искусственных алмазов.

     3.2. Разработка и исследование моделей искусственных нейронных сетей для классификации сигналов с датчиков на основе искусственных алмазов и оценка вариантов их аппаратной реализации.

     3.3. Разработка моделей и концепций вычисления в сенсорах или рядом с сенсорами на основе искусственных нейронных сетей для наборов датчиков на основе искусственных алмазов.

ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ЛАБОРАТОРИИ

В результате выполнения проекта будут получены следующие результаты:

- усовершенствованы методы лазерной модификации объема мишеней из искусственного алмаза в режиме фазового перехода с образованием протяженных проводящих графитовых каналов;

- разработаны методы химического травления, полученных структур за счет контролируемого отжига образцов для образования пустотелых микроструктур;

- на основе создаваемых структур созданы лабораторные образцы датчиков давления, излучения и т.д., которые будут собраны в системы, совмещенные с модельными нейронными сетями, обеспечивающими компенсацию дрейфа, ошибки классификации и обработки сигналов;

- получены результаты исследования моделей искусственных нейронных сетей и машинного обучения для обработки сигналов с датчиков на основе искусственных алмазов с оценкой их применимости для решения различного рода задач;

- исследованы модели искусственных нейронных сетей для классификации сигналов с датчиков на основе искусственных алмазов и предложены варианты их аппаратной реализации;

- предложены модели и концепции вычислений в сенсорах или рядом с сенсорами на основе искусственных нейронных сетей для системы датчиков на основе искусственных алмазов.

Для апробации результатов исследований планируется ряд публикаций в авторитетных отечественных и международных журналах, а также докладов на всероссийских и международных конференциях.

НАУЧНЫЕ СОТРУДНИКИ ЛАБОРАТОРИИ

В рамках реализации проекта будет обеспечено активное взаимодействие трех научных групп: молодежной научной группы из Владимирского государственного университета под руководством к.ф.м.-н. Д.Н. Бухарова, научной группы Института общей физики РАН под руководством д.ф.-м.н. Т.В. Конноненко и научной групппы из Муромский институт ВлГУ под руководством к.ф.м.-н. С.А. Щаникова.

Данные группы уже имеют опыт совместной работы над задачами лазерной модификации углеродных материалов, диагностикой и моделированием данных процессов.

Также к реализации проекта будут на различных этапах привлекаться сотрудники ГК «Алмазная долина».

Таким образом, совместная работа научных групп и промышленного партнера в рамках проекта позволит синтезировать лабораторные образцы датчиков на основе искусственных алмазов с перспективой их промышленного внедрения.