НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ результаты, полученные в ИФТТ РАН в 2023

Утверждены на заседании Ученого совета ИФТТ РАН 04 декабря 2023 г.
(протокол № 26)

Разработка технологии плазменного напыления силицидных покрытий для защиты сплавов циркония от окисления

И.Б. Гнесин, Д.В. Прохоров, Н.И. Гнесина, Б.А. Гнесин, В.И. Внуков, М.И. Карпов, И.С. Желтякова, Т.С. Строганова(с соавторами)

В рамках фундаментальных поисковых работ в направлении создания устойчивого к авариям ядерного топлива была разработана лабораторная (масштабируемая) технология нанесения силицидных покрытий на сплавы циркония. В результате этой работы впервые на сплав на основе циркония (Э110) было успешно нанесено покрытие из силицидов молибдена методом атмосферного плазменного напыления. Покрытия на основе двойной эвтектики Mo₅Si₃ + MoSi₂ наносили на поверхность листов сплава Э110. Исследованы особенности структуры и фазового состава покрытий после нанесения, их эволюция в результате изотермических отжигов при температуре 1300°C. Исследована кинетика диффузионного взаимодействия покрытия и материала-основы. Экспериментально продемонстрирована возможность успешной защиты сплава циркония от окисления при 1100°C на воздухе с помощью всесторонне нанесенного покрытия из силицидов молибдена. Эффективность защиты от окисления данным покрытием материала-основы подтверждена испытаниями на жаростойкость.

Рис. 1. Внешний вид образцов после испытания на жаростойкость: полностью защищенного покрытием (а); частично защищенного покрытием (б); без покрытия (в).

Публикация: Гнесин, И.Б. Плазменное напыление силицидных покрытий для защиты сплавов циркония от окисления / И.Б. Гнесин, Д.В. Прохоров, Н.И. Гнесина, А.Н. Некрасов, Б.А. Гнесин, В.И. Внуков, М.И. Карпов, И.С. Желтякова, Т.С. Строганова // Поверхность. Рентгеновские, Синхротронные и Нейтронные Исследования. – 2023. – № 10. – С. 27–35. – DOI:10.31857/S1028096023100059

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Госкорпорации “Росатом” в рамках научного проекта № 20-21-00137.

Технические науки, направления:

2.5.1. Энергетика и рациональное природопользование

2.5.1.5. Междисциплинарные проблемы атомной, термоядерной, водородной, космической и нетрадиционной энергетики

Разработка новых физических принципов для построения терагерцовых фазовращателей

К.Р. Джикирба,И.В. Кукушкин, В.М. Муравьев ( с соавторами)

Терагерцовый частотный диапазон (100 ГГц - 3 ТГц) остаётся одним из наименее освоенных диапазонов в шкале электромагнитного спектра и при этом этот диапазон частот обладает рядом отличительных свойств, делающих его освоение критически важным для целого ряда секторов гражданской и военной промышленности. Среди важнейших приложений субтерагерцовой электроники следует отметить создание фазированной антенной решетки (ФАР), в которой направление излучения можно быстро изменять с помощью приложенного напряжения. ФАРы сантиметрового диапазона длин волн сегодня широко применяются в радиолокации, наземно-космической связи, передовых системах спутникового интернета, в дистанционном зондировании земли и в радиовидении для систем безопасности. Более высокочастотные субтерагерцовыеФАРы также начинают находить различные гражданские и военные применения, например, возможности использования ФАР миллиметрового диапазона востребованы в беспроводных системах связи нового поколения 6G. Субтерагерцовый диапазон обеспечивает сегодня на порядок-два более высокое пространственное разрешение и скорость передачи данных радарам и системам наземно-космической связи.

В ИФТТ РАН был разработан и исследован новых механизм для построения компактных полупроводниковых фазовращателей. В этих системах используется релятивистский плазмонный эффект, который реализуется в двумерных электронных системах с высокой проводимостью. При этом используется важное свойство полупроводников – возможность перестраивать параметры системы, например, фазу прошедшего излучения, с помощью подачи напряжения на затвор микроструктуры. Важнейшим достоинством разработанной технологии является то, что он реализован на базе GaAs полупроводниковой технологии. Это позволяет легко масштабировать количество фазовращательных элементов на полупроводниковой пластине, создавая массивы любого размера. Такой подход особенно привлекателен для создания фазированных антенных решёток нового поколения.

Рис.1. Разработанная ФАР-система и ее характеристики: зависимости изменения фазы от напряжения на затворе и частоты.

Публикация: Dzhikirba, K.R. Demonstration of the plasmonic THz phase shifter at room temperature / K.R. Dzhikirba, A. Shuvaev, D. Khudaiberdiev, I.V. Kukushkin, V.M. Muravev // Applied Physics Letters. – 2023. – Vol. 123, Iss. 5. – P. 52104. – DOI:10.1063/5.0160612

Грант РНФ№ 19-72-30003

Физические науки, направление 1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика.

Новый метод нанесения газоплотных защитных SiC покрытий

Шикунов С.Л., Каледин А.В., Шикунова И.А., Страумал Б.Б., Курлов В.Н.

Разработан новый метод нанесения газоплотных защитных покрытий из карбида кремния, основанный на прямом взаимодействии углерода, образующегося при высокотемпературном пиролитическом разложении молекул углеводорода с расплавом кремния, содержащимся в приповерхностном слое материала, на который наносится покрытие, и/или парами кремния, источником которого служит расплав кремния, размещенный в тепловой зоне печи. Экспериментально показана эффективная защита данным покрытием таких материалов как SiC-C-Si и SiC-C-MoSi₂ керамика, Рис. 1, углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), Рис. 2, конструкционный графит, тугоплавкие металлы и металлические сплавы. Проведенные испытания показали высокую термоокислительную и термоударную стойкость, хорошую адгезию защитного покрытия к подложке.

Рис. 1. Структура керамического композиционного материала SiC-C-MoSi₂ с защитным SiC покрытием при различном увеличении.

Рис. 2. Структура УУКМ с защитным SiC покрытием при различном увеличении.

Публикация: Shikunov, S. Novel Method for Deposition of Gas-Tight SiC Coatings / S. Shikunov, A. Kaledin, I. Shikunova, B. Straumal, V. Kurlov // Coatings. – 2023. – Vol. 13, Iss. 2. – P. 354. – DOI:10.3390/coatings13020354

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур, №122040600127-3»

Физические науки, направление 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов

Спиновый хаос экситонных поляритонов в магнитном поле

С.С. Гаврилов, Н.Н. Ипатов, В.Д. Кулаковский

Теоретически исследованы спиновые свойства экситонных поляритонов в резонаторном микростолбике, находящемся в постоянном магнитном поле и возбуждаемом резонансной световой волной. Благодаря эффекту Зеемана у нелинейной поляритонной системы существуют две ветви оптического отклика, характеризующиеся противоположными знаками циркулярной поляризации. Предсказан непрямой механизм инверсии поляризации, в соответствии с которым текущее состояние системы испытывает переход к динамическому хаосу, после чего альтернативное спиновое состояние устанавливается спонтанным образом. Такие спиновые переключения, опосредованные хаотической фазой, могут идти в обе стороны в окрестности одной и той же критической амплитуды возбуждения, при этом знак циркулярной поляризации излучения резонатора прямо определяется интенсивностью оптической накачки. Таким образом, предсказанный механизм позволяет реализовать управляемое двустороннее переключение поляризации излучения резонаторного микростолбика.

Публикация: Гаврилов, С.С. Спиновый хаос экситонных поляритонов в магнитном поле / C.C. Гаврилов, Н.Н. Ипатов, В.Д. Кулаковский // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2023. – Т. 118, № 9. – С. 649–655. – DOI:10.31857/S1234567823210048

Грант РНФ№23-22-00455

Физические науки, направления:

1.3.2.1. Развитие теории конденсированных сред

1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика

Практическая реализация прототипов сверхпроводниковых нейронов

А.C. Ионин, H.C. Шуравин, Л.Н. Карелина, А.Н. Россоленко, М.С. Сидельников, С. В. Егоров, В.В. Больгинов (с соавторами)

Впервые изготовлены и исследованы прототипы сверхпроводниковых нейронов — одно- или двухконтактных интерферометров, часть контура которых шунтирована дополнительной индуктивностью (сигма-нейрон и гаусс-нейрон, соответственно). Образцы спроектированы в виде многослойных тонкоплёночных интерферометров, расположенных над толстым сверхпроводящим экраном, что обеспечивает условия, близкие к ранее предложенным теоретическим моделям. Для изготовления образцов использовался 8-стадийный технологический процесс, разработанный и внедрённый в лаборатории сверхпроводимости ИФТТ РАН. Предметом изучения была передаточная функция образца. Показано, что передаточные функции образцов, представляющие собой зависимость выходного магнитного потока от входного, в целом, соответствуют теоретическим предсказаниям, однако выявлен эффект прямой передачи входного сигнала в измерительную цепь из-за возникновения в экране кольцевых сверхтоков в качестве отклика на входной сигнал. Показано, что передаточная функция гаусс-нейрона может модифицироваться из-за взаимодействия с измерительной цепью. Полученные результаты подтверждают возможность реализации сверхпроводниковых нейронных сетей и указывают направление совершенствования сверхпроводниковых нейронов.

Рис. 1 Микрофотографии реализованных сигма- (а) и гаусс- (б) нейронов.

Публикации: 1. «Экспериментальное исследование прототипа сверхпроводящего сигма-нейрона для адиабатических нейронных сетей» А.С. Ионин, Н.С. Шуравин, Л.Н. Карелина, А.Н. Россоленко, М.С. Сидельников, С. В. Егоров, В.И. Чичков, М.В. Чичков, М.В. Жданова, А.Е. Щеголев, В. В. Больгинов, ЖЭТФ 164(6(12)), 1008 (2023).

2. «Экспериментальное исследование передаточной функции прототипа сверхпроводящего гаусс-нейрона» A.C.Ионин, Л.Н. Карелина, Н.С.Шуравин, М.С.Сидельников, Ф.А.Разоренов, С.В.Егоров, В.В.Больгинов. Письма в ЖЭТФ, том 118, вып. 10, с. 761 – 768 (2023)

Грант РНФ№23-72-00053

Физические науки, направление1.3.2.8. Квантовая макрофизика, Бозе-конденсаты, сверхпроводимость

Новые композиты углеволокно-титан

С.Т. Милейко, А.А. Колчин, И.Д. Петухов, Н.А. Прокопенко, В.Ю. Малышев

(Работа выполняется в кооперации с ЮМАТЕКС Росатома.)

Произведенное ЮМАТЕКС покрытие углеволокна медью позволило исследовательской группе ИФТТ РАН разработать новый способ получения композитов типа углеволокно-титан. В отличие от ранее разработанного ИФТТ способа получения угле-титанового композита, новый способ, во-первых, не требует специальной промежуточной матрицы для пропитки углеволокна (это существенно упрощает технологию); во-вторых, он не приводит к формированию карбида титана на поверхности волокна (это, в частности, следует из наблюдений микроструктуры композита – Рис. 1); в-третьих, как следствие второго, - прочность (до 1700 МПа) и модуль Юнга (до 200 ГПа) композита нового поколения приближают его по характеристикам к хорошей стали при плотности около 5 г/см³. Аналога такого типа конструкционных материалов не существует.

Рис. 1. Микроструктура армирующего слоя угле-титанового композита.

Применение композитов этого типа взамен металлических сплавов (титан, сталь) при должном развитии работ позволит существенно повысить тактико-технические характеристики самолётов и других летательных аппаратов, прежде всего, сверхзвуковых и гиперзвуковых, а также глубоководных аппаратов.

Публикации отсутствуют: способ патентуется.

Грант РНФ№23-19-00419

Физические науки, направление 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов

Технические науки, направление 2.3.2.11. Разработка методов синтезирования составных упругих конструкций минимальной массы с заданными виброакустическими и прочностными свойствами для ракетно-космической техники.

Синтез сверхпроводящего тригидрида циркония при высоком давлении водорода

В.Е. Антонов, В.И. Кулаков, В.Д. Музалевский, Н.С. Орлов, А.В. Пальниченко ( с соавторами)

ТригидридZrH₃ и, для сравнения, тридейтеридZrD₃ с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) металлической решеткой были впервые синтезированы в ИФТТ РАН при давлении водорода/дейтерия 9 ГПа и температуре 873 К в твердосплавных камерах высокого давления типа «Тороид» с большим реакционным объемом. В отличие от большого числа новых гидридов, синтезированных за последние годы в алмазных наковальнях, образцы тригидрида и тридейтерида удалось сохранить и исследовать при атмосферном давлении. Было экспериментально установлено, что их составы близки к стехиометрическим ZrH₃ и ZrD₃, и что они переходят в сверхпроводящее состояние при T_c = 11.6 K и 9.5 K, соответственно (см. Рис. 1). Наличие нормального изотопного эффекта (более низкое значение T_c у соединения с более тяжелым изотопом водорода) отличает тригидрид циркония от всех известных ранее сверхпроводящих гидридов металлов с атомным отношением H/Me ≤ 3.75. Устоявшееся за последние 40 лет объяснение обратного изотопного эффекта в этих гидридах оказалось неверным [V.E. Antonov et al., J.Alloys Compd. 905 (2022) 164208]. Результаты для ГПУ тригидрида циркония показывают, что обратный изотопный эффект не является общим свойством гидридов с H/Me ≤ 3.75.

Рис. 1. Температурные зависимости магнитной восприимчивости χ = χ' – iχ'' на переменном токе в окрестности сверхпроводящего перехода в порошковых образцах ZrH₃ и ZrD₃ с частично сохранившимися несверхпроводящими фазами ZrH₂ и ZrD₂. Действительная часть χ' восприимчивости показана на верхней панели, мнимая часть χ'' – на нижней панели. Измерения проводились в переменном магнитном поле амплитудой 3.5 мЭ и частотой 1.5 кГц. Значение T_c определялось по характерному для сверхпроводников пику “сверхпоглощения” на зависимостях χ''(T).

 

Публикация: Kuzovnikov, M.A. Synthesisofsuperconducting hcp-ZrH3 underhighhydrogenpressure / M.A. Kuzovnikov, V.E. Antonov, V.I. Kulakov, V.D. Muzalevsky, N.S. Orlov, A.V. Palnichenko, Y.M. Shulga // PhysicalReviewMaterials. – 2023. – Vol. 7, Iss. 2. – P. 24803. – DOI:10.1103/PhysRevMaterials.7.024803

Тема ГЗ: «Когерентные состояния, динамика и фазовые превращения в жидких и твердых телах, № 122040600126-6»

Грант РФФИ№20-02-00638

Физические науки, направление 1.3.2.2. Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств

Термостабильные концентрированные растворы молекулярного водорода в литий-силикатном стекле

В.С. Ефимченко, М. А. Короткова, К.П. Мелетов (с соавторами)

Для практического использования материалы для хранения водорода должны высвобождать поглощенный водород при температурах -10÷100 °С и давлениях, близких к нормальным. В данной работе, впервые экспериментально изучено влияние катионов лития на термическую устойчивость растворов водорода в стекле Li₂O·6SiO₂. Кинетику распада растворов, содержавших 0.39 и 0.25 молей молекулярного водорода исследовали методом рамановской спектроскопии при изотермическом отжиге и методом термодесорбции водорода. Определенное методом рамановской спектроскопии значение энергии активации Ea=(0.419±0.019) эВ/H₂ выхода водорода из приповерхностного слоя стекла оказалось выше, чем Ea=(0.16±0.02) эВ/Н₂, определенное ранее для раствора водорода в кварцевом стекле, что указывает на усиление взаимодействия между молекулами водорода и атомами стекла. Это приводит к большей постоянной времени распада τ=3220 секунд при комнатной температуре по сравнению с τ=3 секунд для растворов водорода в чистом кварцевом стекле. Методом термодесорбции показано, что слабая диффузия водорода в литий-силикатном стекле дополнительно увеличивает константу времени распада раствора до τ ≈ 16000 секунд при комнатной температуре.

Рисунок 1. (Левая панель) На вставке – спектр гидрированного литий-силикатного стекла в разные промежутки времени. На основном рисунке – изменение интенсивности и позиции вибронной линии H₂ от времени при температуре 308 К. (Правая панель) – Постоянные времени в координатах Аррениуса.

Публикация: Efimchenko, V.S. Thermally Stable Concentrated Solutions of Molecular Hydrogen in Bulk Lithium Silicate Glass / V.S. Efimchenko, M.A. Korotkova, K.P. Meletov, S. Buchner // Journal of Physical Chemistry C. – 2023. – Vol. 127, Iss. 28. – P. 13538–13546. – DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02644

ГрантРНФ№23-23-00426

Физические науки, направление 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов

Метод получения монокристаллов ZnSe:Cr для активных и пассивных элементов лазеров ближнего ИК диапазона

Н.Н.Колесников, Д.Н. Борисенко, А.В. Тимонина, Д.С. Денисенко, Е.Б. Борисенко

Впервые предложен метод получения однородно легированных хромом монокристаллов ZnSe (рис. 1) с концентрацией Cr 10¹⁶-10²⁰ см^-3 для применения в оптике (рис. 2) лазеров ближнего ИК диапазона, используемых в дальномерной технике.

Рис. 1. Монокристалл ZnSe:Cr (6×10¹⁸ см^-3Cr), расколотый по (110) параллельно направлению роста

Рис. 2. Лазерная оптика из монокристаллического ZnSe>:Cr: пассивный модулятор (насыщаемый абсорбер типа SESAM) слева и активные лазерные элементы справа. Показаны полированные заготовки без покрытий.

 

Метод разработан на основе ранее созданного способа легирования кристаллов селенида цинка хромом [1] и включает в себя синтез лигатуры CrSe и выращивание монокристаллов вертикальной зонной плавкой под давлением инертного газа. Технологические параметры процесса выбраны по результатам экспериментального исследования эффективных коэффициентов распределения хрома в ZnSe при различных концентрациях легирующей добавки [2], выполненного впервые.

Созданный метод имеет значительные преимущества перед существующими способами получения ZnSe:Cr ионной имплантацией или диффузионным введением хрома в поликристаллы селенида цинка. Эти методики не обеспечивают однородного легирования по объему лазерных элементов, кроме того, предельные концентрации Cr как правило ниже. Разработанный в ИФТТ РАН метод позволяет выращивать монокристаллы с содержанием хрома до 10²⁰ см^-3, причем радиальное распределение Cr практически отсутствует. Это делает возможным изготовление однородно легированных изделий.

Публикации:

1. Борисенко Д.Н., Борисенко Е.Б., Денисенко Д.С., Колесников Н.Н., Тимонина А.В., Фурсова Т.Н., Хамидов А.М. Способ легирования кристаллов селенида цинка хромом. Патент РФ на изобретение № 2751059, опубл. 07.07.2021, Бюл. № 19.

2. Denisenko, D.S. Cr2＋distribution in ZnSe crystals grown from melt / D.S. Denisenko, A.V. Timonina, T.N. Fursova, N.N. Kolesnikov // Journal of Crystal Growth. – 2023. – Vol. 603. – P. 127037. – DOI:10.1016/j.jcrysgro.2022.127037

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур, № 122040600127-3»

Физические науки, направление 1.3.5.6. Новые оптические материалы, оптические элементы фотоники, интегральная оптика, голография, нанофотоника, метаматериалы и метаповерхности.

Интерферометр Боголюбова в квантовом эффекте Холла

В.С. Храпай

Предложен новый тип электронного интерферометра в режиме целочисленного кван­тового эффекта Холла, содержащий заземленный сверхпроводящий терминал. Эта геометрия позволяет управлять амплитудами андреевского и нормального рассеяния подщелевых ква­зичастиц Боголюбова с помощью фазы Ааронова-Бома, а также с помошью сужений, определяющих петлю интерферометра (Рис. 1). Матрица кондактанса такого трехполюсного интерференционного устройства типа NSN де­монстрирует гораздо более богатое поведение по сравнению с его двухполюсным аналогом Фабри-Перо, что проиллюстрировано нетривиальным поведением нелокального транспорта заряда и тепла (Рис. 2). Версия интерферометра, сформированного на одиночном краю, позволяет полностью контролировать электрон-дырочную суперпозицию по требованию, включая воз­можность резонансного усиления произвольно малой вероятности андреевского отражения до 1. Это позволяет использовать Боголюбовский интерферометр в качестве строительного блока в будущих более сложных интерференционных структурах.

Рис 1: Нелокальный электрический и тепловой кондактанс. Цветовые карты нелокального электрического кондактанса (a, b) и теплового кондактанса (с) в зависимости от фазы Ааронова-Бома и коэффициента отражения в сужениях. Срез карты при фиксированном R=0.25 (d).

Рис 2: Модель интерферометра. Интерферометр Боголюбова представляет собой интерферометр типа Фабри-Перо на краевых каналах, сформированный двумя сужениями (1 и 2) и сверхпроводящим контактом внутри (S). Матрицы распространения вдоль края, соответствующие рассеянию в сужениях, пролетам вдоль края и рассеянию на области с наведенным эффектом близости обозначены буквами со шляпкой.

 

Публикация:Khrapai, V. Quantum Hall Bogoliubov interferometer / V. Khrapai // Physical Review B. – 2023. – Vol. 107, Iss. 24. – P. L241401. – DOI:10.1103/PhysRevB.107.L241401

Грант РНФ № 22-12-00342

Физические науки, направление 1.3.2.5. «Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика»