Отчет о выполнении проекта № 21-19-00138 «Исследование частотной дисперсии эффективных материальных параметров неоднородных сред в микроволновом и оптическом диапазонах» в 2021 году

Разработан метод получения ферромагнитных частиц со структурой «железное ядро-оболочка SiO2», позволяющий направленно изменять толщину оболочки в диапазоне 90 – 220 нм. Полученные частицы были использованы в качестве наполнителя модельного материала с парафиновой матрицей. Показано, что возникновение оболочки на частицах карбонильного железа не изменяет характер частотной дисперсии комплексной магнитной проницаемости материала, и приводит к снижению действительной части диэлектрической проницаемости итогового композита. Обнаружено, что введение кислорода при помощи реактивного магнетронного распыления пермаллоя приводит к снижению амплитуды ферромагнитного резонанса, связанного с чистым пермаллоем, и появление новых более высокочастотных пиков в спектре, что, предположительно связано с образованием оксидной фазы. Исследованы свойства метаматериала, состоящего из образований квадратной формы, каждый из которых представляет собой многослойную металло-диэлектрическую структуру, основанную на плёнках пермаллоя. Показано, что эффективные электродинамические параметры такой структуры корректно описываются формулой смешения Оделевского. Проведен анализ СВЧ магнитной проницаемости композитных материалов, наполненных порошками сендаста, при изменении внешнего магнитного поля. Показано, что формула смешения, корректно восстанавливающая собственную магнитную проницаемость включений при отсутствии внешнего поля, при приложении внешнего поля становится неприменима в связи с изменением магнитной структуры включений композита. Увеличение внешнего поля приводит к исчезновению доменной структуры и усилению взаимодействия между частицами. Определены механизмы, формирующие магнитный СВЧ спектр композитов, наполненных частицами сендаста. Показано, что основной пик магнитных потерь связан с расщеплением ферромагнитного резонанса на доменной структуре в частицах – доменными модами. Найденные частоты доменных мод согласуются с измеренной магнитной проницаемостью. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к исчезновению доменной структуры, уменьшению вклада доменных мод в магнитную проницаемость и увеличению вклада ФМР на отдельных частицах. Исследованы особенности намагничивания композитных материалов с включениями дисковой формы. Показано, что при малой доли включений в образце внешнее магнитное поле размагничивается на отдельных частицах. Из-за различной ориентации частиц в изотропном композите пик магнитных потерь расщепляется при приложении внешнего магнитного поля. Увеличение доли включений приводит к тому, что внешнее поле размагничивается на образце как на едином целом, и расщепления пика при приложении поля не происходит. Также пик не расщепляется при намагничивании образцов с анизотропной ориентацией частиц. Созданы пленки на основе металл-полимерных нанокомпозитов 2,3-дихлор-п-ксилилен-серебро, на их основе продемонстрировано усиленное поверхностью комбинационное рассеяние света (SERS). Для получения нанокомпозитов использован метод осаждения из газовой фазы, позволяющий контролировать микроструктуру нанокомпозита. В процессе самосборки на полиядерных подложках формировались нанокомпозитные пленки с включениями частиц серебра. Содержание серебра варьировалось от 2,5 до 16% об. Продемонстрирована возможность использования таких субстратов для обнаружения низкомолекулярных веществ, например 2- нитробензойной кислоты, при котором продемонстрирован коэффициент усиления 10^4. Определена зависимость усиления спектров ГКР от микроструктуры нанокомпозита и содержания в нем серебра. Также были исследованы оптические и морфологические свойства нанокомпозитов и показана их зависимость от содержания серебра. Показано, что нанокомпозит является SERS-селективным, поскольку при работе со сложными растворами в присутствии высокомолекулярных веществ усиление сигнала наблюдалось только для низкомолекулярных веществ. Тонкие пленки палладия и платины широко используются для обнаружения водорода, и оптические константы этих материалов необходимы для разработки сенсоров. При малых толщинах эти пленки образуют композит с соседними слоями. В нашей работе исследованы такие пленки в различном окружении. Пленки изготовлены методом электроннолучевого напыления. Измерены эллипсометрические спектры и спектры пропускания, получены диэлектрические проницаемости этих пленок. Показано, что ультратонкие пленки палладия и платины успешно описываются локальной и изотропной диэлектрической проницаемостью, которая существенно отличается от известных объемных значений. Однако эта диэлектрическая проницаемость зависит от соседних материалов, что свидетельствует о том, что ультратонкие металлические пленки можно рассматривать как композиты, характеризующиеся эффективной диэлектрической проницаемостью и эффективной толщиной. Построены теоретические модели модифицированных мультипольных моментов, необходимых для анализа ассиметричных включений метаматериалов. Предложена модель метаматериалов, обладающих свойством псевдо-анаполя. Выполнен эксперимент в ТГц диапазоне частот и показаны спектральные особенности в виде провала в коэффициенте прохождения. Разработана технология изготовления образцов терагерцовых образцов метаматериалов на основе пленок ниобия на монокристаллическом кремнии. Предложена модель планарного метаматериала с включениями из PiN диодов. Созданы образцы и исследованы спектры прохождения/отражения в СВЧ диапазоне. Разработаны макетные управляемые экраны. Для учёта влияния высших мод и интерференционных резонансов на измеренные значения магнитной проницаемости в коаксиальной линии создана методика измерения матрицы рассеяния образца, помещённого в прямоугольный волновод, для дальнейшего вычисления его материальных параметров. Разработаны методики калибровки прямоугольного волновода с помощью скользящих короткозамкнутых нагрузок, с помощью набора фиксированных короткозамкнутых нагрузок, по произвольным заданным стандартам. Проведены предварительные численные эксперименты.