Дизайн и получение сегнетоэлектрических материалов с управляемыми в терагерцовом спектральном диапазоне электродинамическими свойствами

В связи с быстрым распространением интерактивных цифровых технологий и развитием идей Интернета вещей возникает серьезный вызов в виде необходимости подключения триллиона устройств в единую сеть с применением беспроводных технологий связи и организации периферийных систем вычисления на основе распределенной сети микро- и нанодатчиков. Существующие стандарты связи уже не могут позволить организовать такую плотность принимающих и передающих устройств, поэтому существует потребность увеличения частоты систем связи и их перехода в субмиллиметровый диапазон (терагерцовый частотный диапазон или ТГЧ-диапазон) по крайней мере для ближних коммуникаций устройств Интернета вещей с окружающей средой и друг с другом. Кроме того, необходима дальнейшая миниатюризация и повышение энергоэффективности систем связи распределенной сети микро- и наноустройств для организации программно определяемых радиосистем и когнитивных радиосистем на основе адаптивных фазированных антенных решеток. Развитие и внедрение ТГЧ-систем различного назначения находятся в прямой зависимости от успехов в области разработки активных и пассивных элементов для ТГЧ-диапазона и устройств на их основе, либо в области применении несхемотехнических подходов в проектировании ТГЧ-устройств. Проблема данного перспективного диапазона в том, что он находится в своеобразной технологической яме (или «терагерцовом провале») на стыке между хорошо известными и глубоко проработанными микроволновым и инфракрасным диапазонами. Наш проект направлен на поиск, создание и разработку дизайна материалов, имеющих спектральный отклик и потенциал управления диэлектрическими свойствами в ТГЧ-диапазоне для создания таких элементов как варикапы и компонентной базы перестраиваемых ТГЧ-устройств таких как аттенюаторы, резонаторы, смесители частот, линии задержки, фазовращатели, фильтры, микроантенны и др. для частичного заполнения «терагерцового провала». Поэтому основная цель проекта - создание и разработка дизайна материалов с управляемой диэлектрической проницаемостью для компонентной базы перестраиваемых устройств микро- и наноэлектроники, предназначенных для работы в субмиллиметровом диапазоне волн является актуальной задачей современной науки и техники, лежащей на стыке многих направлений. Для достижения цели проекта предлагается получение материалов в виде твердых растворов систем "квантовый параэлектрик - сегнетоэлектик" со структурой перовскита в дизайне нанокристаллов, тонких и многослойных пленок и исследование их нелинейных электродинамических свойств в ТГЧ-диапазоне с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. Выбор данного класса материалов обусловлен тем, что в электродинамическом спектральном отклике сегнетоэлектриков в параэлектрическом состоянии существуют так называемые мягкие моды резонансной природы, лежащие в терагерцовом диапазоне. Поскольку на динамику сегнетоэлектрических мягких мод влияют температура и внешнее электрическое поле, это явление позволяет настраивать диэлектрическую проницаемость и манипулировать электромагнитным излучением терагерцового диапазона. Концентрацией твердого раствора можно добиться того, чтобы температурный диапазон наибольшей перестраиваемости диэлектрической проницаемости лежал вблизи комнатной температуры, а подбором различных представителей сегнетоэлектриков и квантовых параэлектриков добиться конкуренции нестабильностей различного типа для увеличения нелинейности свойств получаемых материалов. В многослойных тонкопленочных гетероструктурах с чередованием слоев "квантовый параэлектрик - сегнетоэлектрик" за счет взаимодействия фононных подсистем чередующихся слоев планируется добиться создания эффективной среды, обладающей высокой диэлектрической проницаемостью и управляемостью. Выяснение микроскопических механизмов взаимодействия слоев в таких системах является одной из основных целей данного проекта.