ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОХРОМНЫХ И СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ В УСТРОЙСТВАХ ХРАНЕНИЯ И ОБРАБОТКИ

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по разное

На правах рукописи

ГРЕБЕННИКОВ ЕВГЕНИЙ ПЕТРОВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОХРОМНЫХ И СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ В УСТРОЙСТВАХ ХРАНЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2010 г.

Работа выполнена в Отделе нейросетевых технологий Открытого акционерного общества Центральный научно-исследовательский технологический институт Техномаш (ОАО ЦНИТИ Техномаш).

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук,

профессор Панфилов Юрий Васильевич

доктор химических наук, старший научный сотрудник Иванов Геннадий Анатольевич

доктор технических наук, профессор Нестеров Сергей Борисович

ФГУП НИИ Полюс им. М.Ф.Стельмаха, г.Москва.

Защита состоится л16 декабря 2010аг. в 14ачас. 00амин. на заседании диссертационного совета Д 212.132.03 в ОАО ЦНИТИ Техномаш (121108 Москва, ул.Ивана Франко, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИТИ Техномаш.

Автореферат разослан л 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Сахно Э.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Государственные программы и исследовательские планы частных компаний промышленно развитых стран направлены на создание элементной базы информационных систем путем применения новых фотоуправляемых функциональных материалов, конструктивных принципов, системотехнических решений и технологических методов.

Ожидается, что оптические методы, реализуемые с использованием таких материалов, позволят на порядки повысить производительность, упростить решение проблем параллельной обработки информации и создания трехмерных функциональных структур для нейросетевой обработки информации, трехмерной (3D) оптической памяти и др. Речь идет не столько о радикальном улучшении параметров существующих типов приборов, сколько о создании принципиально новых устройств, способных реализовать рекордные быстродействие и уровень интеграции элементов, создать новые архитектуры высокопроизводительных систем, а также устройства хранения информации большой емкости.

Реализация нейросетевых технологий в микроэлектронике осложнена применением проводников для создания межэлементных соединений, что в случае систем с большим числом нейронов ведет к задержкам в линиях связи и снижению быстродействия нейронных сетей, уменьшению плотности связей между нейронами обратно пропорционально квадрату расстояния. Применение полимерных пленок, содержащих уникальный биомолекулярный фотохром - бактериородопсин (БР) в составе многослойных структур, позволяет осуществлять основные нейросетевые операции оптическим способом, без проводников и промежуточных оптоэлектронных преобразований, и соединять нейроны в трехмерном пространстве, что обеспечивает высокую интеграцию элементов, скорость преобразования и передачи информации.

Светочувствительный белок БР характеризуется упорядоченным расположением молекул, будучи встроенным в полимерные пленки толщиной от 5анм (монослой) до десятков мкм, сохраняет свои свойства в течение длительного времени (>15алет). БР-содержащие полимерные пленки ведут себя как фотохромные материалы и характеризуются рекордной цикличностью (>106) и высоким оптическим разрешением (5000алин/мм). Многослойные структуры, включающие слои на основе БР, перспективны для создания компонентов информационных систем, используемых в качестве пространственно-временных модуляторов света, в устройствах для записи динамических голограмм, хранения и отображения, нейросетевой обработки информации.

Одной из значительных проблем является создание оптической памяти, обеспечивающей увеличение быстродействия и информационной емкости. В применяемых носителях (CD, DVD, BluRay дисках) запись-стирание информации осуществляются за счет изменения локальных оптических свойств среды при фазовом переходе вещества в результате локального нагрева. Очевидно, что построение действительно трехмерного многослойного оптического диска на тепловом фазовом переходе невозможно из-за поглощения оптического излучения в вышележащих слоях.

Решением данной проблемы является использование иных физических принципов, в частности, обусловленных фотоиндуцированным изменением (обратимым и необратимым) оптических свойств (преломления, спектров поглощения, пропускания, флуоресценции) ряда соединений под воздействием света с определенной длиной волны. При этом могут быть реализованы двухфотонные механизмы записи и считывания. В этом случае изменение оптических свойств материала происходит только при достижении определенной пороговой плотности мощности излучения, при меньших плотностях свет проходит через фоточувствительный материал без изменения его свойств. Таким образом, обеспечивается возможность многократного увеличения количества функциональных слоев и информационной емкости устройств оптической памяти.

В ходе решения задачи совершенствования функциональных композиционных материалов, пригодных для применения в информационных устройствах, рассмотрены проблемы синтеза гибридных наноструктур и системотехнического применения свойственных им физических процессов. Исследовались возможности управления усилением или подавлением люминесценции флуорофорных соединений, квантовым выходом фотореакции и временем жизни спектральных интермедиатов БР в зависимости от расстояния между функциональной молекулой и нанообъектом.

Исследования нелинейных оптических эффектов в наноматериалах и явлений поверхностно-плазмонного резонанса в коллоидных металлических наночастицах ведут Институт Общей Физики РАН, Центр фотохимии РАН, Физический Институт РАН, Институт Спектроскопии РАН, Институт Проблем Физической химии РАН, Институт Химической Физики РАН, МГУ им. М.В.Ломоносова и др. Разработку 3D оптической памяти ведут крупнейшие зарубежные фирмы, например, Call/Recall Corporation (USA), Japan Science and Technology Corporation (Japan) и др. Для записи информации используются фотохромные, а также необратимые фотопревращения органических систем, сопровождающиеся изменением поглощения, отражательной способности, флуоресценции, показателя преломления. Однако, несмотря на интенсивную разработку, фоточувствительные регистрирующие среды для трехмерной оптической памяти, в полной мере удовлетворяющие условиям применения, до сих пор не созданы.

Исследованиям в области разработки нейросетевых технологий посвящены работы Я.З.Цыпкина, А.И.Галушкина, Н.Н.Евтихиева, А.Н. Бубенникова и др., а исследованию БР-содержащих сред и их техническому применению - Ю.А.Овчинникова, В.П.Скулачева, Н.Н.Всеволодова, Н. Хампа, Р.Р.Берча. В указанных работах, по понятным причинам, не представлены материалы, методы получения и технические решения по построению в одном конструктиве планарных оптических волноводных многослойных структур со встроенными элементами интегральной оптики, включающих слои на основе БР или синтетических органических фотохромов, или слои, содержащие хромоны и флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромонов, или слои, содержащие гибридные наноструктуры с использованием полупроводниковых и металлических наночастиц. Не рассмотрены вопросы применения таких конструкций для создания 3D многослойных оптических носителей информации, нейросетевых технологий и др. компонентов информационных систем, а также возможность отхода от традиционных технологий интегральной оптики, связанных с условиями вакуума и высоких температур.

Таким образом, исследования в области разработки технологий и оборудования для получения композиционных материалов с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений и применение многослойных структур на их основе в устройствах хранения и обработки информации актуальны и соответствуют передовым направлениям развития материалов и элементной базы приборов электронной техники нового поколения.

Цель работы

Целью настоящей работы являлась разработка технологий и оборудования для получения функциональных композиционных материалов и пленок, включающих в различном сочетании биомолекулярные (бактериородопсин) и синтетические органические фотохромные и светоизлучающие соединения, полупроводниковые и металлические наночастицы, а также получение многослойных структур на этой основе, направленных на создание новых архитектур высокопроизводительных систем обработки информации, реализующих на базе оптических механизмов процессы хранения, считывания и обработки данных с высокой степенью интеграции и параллелизма.

При достижении поставленной цели решались следующие основные задачи:

Цавыбор основанных на оптических механизмах базовых процессов для многослойных устройств нейросетевой обработки информации, а также базовых процессов записи, считывания и хранения данных, применимых для создания 3D многослойных оптических носителей информации; разработка способа построения формального нейрона на основе выбранного базового процесса;

Царазработка конструктивных принципов формирования многослойных структур для 3D оптических носителей информации, реализующих базовые процессы записи, хранения, считывания данных, обеспечивающих обращение к произвольно заданной точке или области произвольно выбранного слоя регистрирующей среды и параллельный режим считывания;

Царазработка конструктивных принципов формирования многослойных структур, обеспечивающих реализацию базовых процессов оптической нейросетевой обработки информации, содержащих слои на основе БР, светоотражающие и волноводные слои, а также встроенные полимерные компоненты интегральной оптики для ввода оптического излучения в многослойную структуру;

Царазработка математической модели изменения физико-химических характеристик материалов на основе БР, хромонов и светоизлучающих соединений - продуктов фотоперегруппировки хромонов в зависимости от параметров воздействующего светового потока; введение комплексного параметра k570(t), характеризующего чувствительность материалов на основе БР; аразработка и создание экспериментальных методик и установки для определения k570(t);

Царазработка компонентного состава и технологических методов получения функциональных композитных материалов и полимерных пленок с заданными геометрическими характеристиками, оптической плотностью и динамическими параметрами фотоиндуцированных процессов на основе синтетических органических фотохромов или хромонов и флуоресцирующих продуктов фотоперегруппировки хромонов для 3D оптических носителей информации;

Царазработка технологии получения прозрачных, оптически однородных суспензийаБР и БР-содержащих пленок с заданными геометрическими характеристиками, оптической плотностью и динамическими параметрами фотоиндуцированных процессов; подбор и введение модифицирующих химических (неорганических и органических) соединений, способствующих формированию слоев с повышенными стабильностью и чувствительностью;

-аразработка технологии получения гибридных наноструктур и пленок с управляемыми спектральными характеристиками на основе использования БР, синтетических органических фотохромных и светоизлучающих соединений и наночастиц на основе механизмов специфического связывания и самоорганизации, обеспечиваемых подбором сшивающих молекул-спейсеров с различными линейными размерами и соответствующими функциональными группами, а также фоточувствительных молекул-спейсеров с фотоиндуцированным изменением взаимного положения функциональных групп;

-аисследование взаимосвязи параметров процесса получения, особенностей строения, состава, физических и функциональных свойств композиционных материалов и пленок на основе БР, синтетических органических фотохромов или хромонов и флуоресцирующих продуктов фотоперегруппировки хромонов, гибридных структур с использованием металлических и полупроводниковых наночастиц;

Царазработка технологии и оборудования, и изготовление на этой основе многослойных структур с использованием композиционных материалов, включающих в различном сочетании биомолекулярные (БР) и синтетические органические фотохромы, или хромоны и флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромонов, гибридные структуры на основе металлических и полупроводниковых наночастиц для формирования устройств нейросетевой обработки информации, 3D многослойных оптических носителей информации и других компонентов информационных систем;

Царазработка и создание экспериментальных методик и установок, и исследование на этой основе многослойных структур в составе макетов устройств нейросетевой обработки информации, 3D многослойных оптических носителей информации и других информационных систем.

Научная новизна

1.аПредложен способ построения формальных нейронов и осуществления нейросетевых операций в БР-содержащих средах оптическими методами. Предложены конструктивно-технологические решения по созданию многослойных структур для 3D оптических носителей информации, реализующих двухфотонные процессы записи данных и фотофлуоресцентное считывание, обеспечивающее обращение к произвольно заданной точке или области произвольно выбранного слоя регистрирующей среды и параллельный режим считывания.

2.аТеоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность формирования оптически прозрачных БР-содержащих полимерных пленок с высокой концентрацией БР и включением модифицирующих соединений, позволяющих увеличить чувствительность пленок БР в 1,5Ц2араза, а стабильность в 8Ц10араз.

3.аВпервые предложены и экспериментально подтверждены методы получения гибридных наноструктур и пленок с управляемыми спектральными характеристиками на основе использования БР, синтетических органических фотохромных и светоизлучающих соединений и наночастиц на основе механизмов специфического связывания и самоорганизации, обеспечиваемых подбором сшивающих молекул-спейсеров с различными линейными размерами и соответствующими функциональными группами, а также фоточувствительных молекул-спейсеров с фотоиндуцированным изменением взаимного положения функциональных групп.

4.аИсследованы состав, строение и функциональные характеристики пленок БР с введением модифицирующих химических соединений, пленок на основе композиционных материалов и гибридных наноструктур в зависимости от параметров технологического процесса,. Проведены теоретические и экспериментальные оценки ресурса пленок в составе многослойных структур при различных условиях эксплуатации. Впервые установлена зависимость между изменением строения и функциональными характеристиками пленок БР в процессе эксплуатации.

5.аПредложены методы изготовления и экспериментально подтверждена возможность получения и применения многослойных структур на основе композиционных материалов, включающих в различном сочетании биомолекулярные (БР) и синтетические органические фотохромные и светоизлучающие соединения, полупроводниковые и металлические наночастицы, а также волноводные, светоотражающие слои и полимерные элементы интегральной оптики для 3D оптических носителей информации, нейросетевых технологий и других компонентов информационных систем.

6.аСконструировано и изготовлено специальное технологическое оборудование для осаждения методами электронно-лучевого испарения и магнетронного распыления пленок различных материалов на многофункциональные слоистые структуры, содержащие БР, без нарушения функциональных свойств БР. Впервые разработаны технологии и оборудование для получения многофункциональных слоистых структур, включающих ориентированные слои БР и проводящие полимерные материалы, методами электрофоретического осаждения и электрополимеризации в едином технологическом цикле.

7.аРазработаны математические модели фотоиндуцированного изменения физико-химических характеристик материалов на основе БР, хромонов и светоизлучающих соединений - продуктов фотоперегруппировки хромонов - в зависимости от параметров воздействующего светового потока; введены комплексные параметры, характеризующие чувствительность материалов и обеспечивающие выбор оптимальных композиционных составов; созданы экспериментальные методики и установки для макетирования и отработки конструктивно-технологических решений.

На защиту выносятся

1.аКонструкторские и технологические решения по получению на основе композиционных материалов многослойных структур со встроенными элементами интегральной оптики, включающих слои на основе БР или синтетических органических фотохромов, или слои, содержащие хромоны и флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромонов, или слои, содержащие гибридные наноструктуры с использованием полупроводниковых и металлических наночастиц, а также волноводные и светоотражающие слои для 3D оптических носителей информации, нейросетевых технологий и других компонентов информационных систем.

2.аРезультаты экспериментальных исследований по формированию гибридных наноструктур с использованием БР, синтетических органических фотохромных и светоизлучающих соединений и наночастиц, а также результаты экспериментов по исследованию композиционных материалов на этой основе.

3.аМатематические модели фотоиндуцированного изменения физико-химических характеристик материалов в зависимости от параметров воздействующего светового потока, экспериментальные методики и установки для определения комплексных параметров, характеризующих чувствительность материалов и обеспечивающих выбор оптимальных композиционных составов на основе БР, хромонов и светоизлучающих соединений продуктов фотоперегруппировки хромонов.

4.аРезультаты исследования влияния параметров процесса получения, особенностей строения и состава на функциональные свойства пленок и композиционных материалов на основе БР, синтетических органических фотохромов, хромонов и продуктов их фотоперегруппировки, гибридных наноструктур с использованием полупроводниковых и металлических наночастиц. Теоретические и экспериментальные оценки ресурса пленок в составе многослойных структур при различных условиях эксплуатации. Результаты исследования зависимости между изменением строения и функциональными характеристиками пленок БР в процессе их эксплуатации.

5.аСконструированное и изготовленное специальное технологическое оборудование для осаждения методами электронно-лучевого испарения и магнетронного распыления пленок различных материалов на многофункциональные слоистые структуры, содержащие БР, без нарушения его функциональных свойств.

6.аРезультаты экспериментальных исследований по определению функциональных параметров многослойных структур на базе разработанных специализированных установок для макетирования устройств хранения и обработки информации.

Практическая ценность

Представленные в диссертации исследования выполнены в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО ЦНИТИ Техномаш по госбюджетным темам: Научное мероприятие Первоочередные работы в области нанотехнологий, наноматериалов, наноиндустрии; НИР ОПК-003-Техномаш Анализ состояния и развития перспективных и прорывных технологий и прогноз развития науки и техники на период до 2015 года (в т.ч.: экспериментально обоснованы конструктивные принципы и технологические методы создания композитных наноматериалов с управляемыми спектральными характеристиками, разработаны принципы нейросетевой обработки информации с использованием БР); ОКРаОлимп Разработка и создание устройства технического зрения и интеллектуального управления автоматом поверхностного монтажа электро-радиоэлементов на печатные платы; ОКРаИнтТех Исследования по созданию ключевых компонентов перспективных интеллектуальных средств управления оборудованием на основе межотраслевых технологий двойного применения; ОКРаСхема Создание системы управления автоматом поверхностного монтажа как основы роботизированных производств; НИРал2007-3-1.3-07-01-092 Создание наноструктурированных материалов молекулярной фотоники и слоистых структур на их основе для оптической нейросетевой обработки информации, НИРаСтруктура Создание базовых технологий получения многослойных структур на основе бактериородопсина, синтетических органических фотопреобразующих, фотохромных и светоизлучающих соединений, материалов с запрещенной фотонной зоной; ОКР Структура-ПР Разработка на основе органических фотопреобразующих соединений и фотонно - кристаллических материалов многослойных функциональных сред и технологий их производства для устройств оптической памяти, органических светодиодов и компонентов оптических информационных систем и др. Кроме того, работа проводилась в соответствии с договорами о научно-техническом сотрудничестве с МИФИ по теме Разработка научных основ технологии органических нанопорошков (бактериородопсина), с НПО Энергомаш им.аак.аВ.П.Глушко по теме Разработка и изготовление элементной базы био- нейрокомпьютеров, реализующей оптические методы обработки информации, с ФГУП НИИЭМ, г.аВладикавказ по теме Разработка самоадгезионных полимерных композиций с низкой температурой отверждения для послойной бескорпусной герметизации биологических нейроподобных элементов на основе бактериородопсина (руководитель и ответственный исполнитель перечисленных НИОКР и договоров - Е.П.Гребенников).

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по нанотехнологии (Москва. 1993); Всероссийской научно-практической конференции Новые высокие технологии и проблемы реконструкции управления и приватизации предприятий (Екатеринбург, 1995); Конференции Международной академии информатизации (Москва, 1995); VЦVII Всесоюзных конференциях Нейрокомпьютеры и их применение. (Москва, 1999Ц2001); VЦXII, XV, XVI Международных научно-технических конференциях Высокие технологии в промышленности России (Москва, 1999Ц2006, 2009, 2010); Х Международном симпозиуме Тонкие пленки в электронике (Ярославль, 1999); Научной конференции Механизмы структурной, функциональной и нейрохимической пластичности мозга (Москва, 1999); XLIX научно-технической конференции (Москва, 2000); International conference Optical Information Science & Technology Т97 (Москва, 1997); IIЦIV Всероссийских научных конференциях Молекулярная физика неравновесных систем (Иваново, 1999Ц2001); ХХХ Всероссийском совещании по проблемам высшей нервной деятельности (С.Петербург, 2000); ХI научно-технической конференции Тонкие пленки в электронике (Йошкар-Ола, 2000); ХVIII съезде физиологического общества им. И.П.Павлова РАМН (Казань, 2001); Международной научной конференции Кристаллизация в наносистемах (Иваново, 2002); 6 Международной научной конференции Молекулярная биология, химия и физика неравновесных систем в неравновесных системах (Иваново-Плес, 2002); XIV, XVIаМеждународных симпозиумах Тонкие пленки в оптики и электронике (Харьков, 2002; Москва, 2004); International conference Biocatalysis2002: fundamentals & applications (Москва, 2002); 1аМеждународном конгрессе МИТХТ им.аМ.В.Ломоносова Биотехнология - состояние и перспективы развития (Москва, 2002); 1, 2аМежрегиональных семинарах Нанотехнологии и фотонные кристаллы (Йошкар-Ола, 2003; Москва, 2004); International conference Photonics Europe (Страсбург, Франция, 2004); Международной научной конференции Тонкие пленки и наноструктуры (Москва, 2004); Ганноверской промышленной ярмарке (Ганновер, Германия, 2005, 2006); International Conference Organic Nanophotonics. Simposium Molecular Photonics dedicated to A.N.Terenin (С.Петербург, 2006, 2009); Международной семинар-ярмарке Российские технологии для индустрии: Нанотехнологии и оптоэлектроника в биологии, медицине и экологии (С.Петербург, 2006); Симпозиуме РАН Нанофотоника (г.Черноголовка, 2007); XXII IUPAC Symposium on photochemistry (Гётеборг, Швеция., 2008); Конференции VII Международного форума Высокие технологии ХХI век (Москва, 2008); The International Conference For Nanotechnology Industries, the Leading Nanotechnology of 21st Century (Рийярд, Саудовская Аравия, 2009); XXIV International Conference on Photochemistry (Толедо, Испания, 2009); 4th and 5th International Conference on surfaces, coatings, and nanostructured materials (Рим, Италия, 2009; Реймс, Франция, 2010); ICOOPMA 2010 Fourth International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (Будапешт, Венгрия, 2010), XXIV-th European colloquium on heterocyclic chemistry (Вена, Австрия, 2010).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 статьях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 12 журналах, входящих в перечень ВАК (подчеркнуты в списке основных публикаций), в 8 патентах на изобретение и 2 патентах на полезную модель, а также в 61 материале всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 337 наименований и приложений. Приложения включают 9 актов использования и внедрения результатов работы. Работа содержит 362 страницы основного текста, включающих 26 таблиц и 243 рисунка.

ичный вклад автора

В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором в течение более 20алет лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку основных конструктивных решений и методик исследований, проведение теоретических расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов.

Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с Г.Е.Адамовым, В.А.Барачевским, А.Ф. Беляниным, И.С.Голдобиным, А.Г.Девятковым, М.М.Краюшкиным, которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество. Автор выражает также благодарность сотрудникам и аспирантам, работающим под его руководством в ОАО ЦНИТИ Техномаш.

основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность разработок технологий и оборудования для создания новых композиционных материалов и многослойных функциональных структур с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений, направленных на формирование элементной базы высокопроизводительных систем хранения, считывания и обработки данных; формулируются цель работы и задачи, решаемые для достижения поставленной цели; перечислены основные научные результаты, выносимые на защиту; показаны научная новизна исследования и его практическая ценность.

В первой главе рассмотрены материалы и устройства оптической памяти, нейросетевой обработки информации на основе: микро- и оптоэлектронной элементной базы, оптические нейрокомпьютеры и конструктивно-технологические решения в области биомолекулярной и гибридной электроники, приборы на основе: молекулярных сред, включая слоистые структуры для информационных систем, в том числе, реализующих голографические принципы хранения данных; функциональных сред с использованием бистабильных молекул, имитирующих работу полупроводникового транзистора; сред на основе явления электронно-структурной неустойчивости проводящих молекулярных комплексов.

Обоснована актуальность разработки композиционных материалов и многослойных структур, реализующих процессы записи, хранения, считывания и обработки информации на основе фотоиндуцированных управляемых изменений оптического пропускания, преломления, флуоресценции. Представлены схема этапов работы для достижения поставленной цели и последовательность их выполнения.

Рассмотрены физические, химические и технологические свойства БР, основные БР-содержащие среды (суспензии, гели, твердые слои и другие) и способы их формирования (метод Ленгмюра-Блоджет, центрифугирование, полив, электрофоретическое осаждение). Анализ рассмотренных БР-содержащих сред и способов их формирования показал, что наиболее технологичными при получении твердых слоев, отвечающих требованиям стабильности, долговечности, управляемости оптическими и динамическими характеристиками, являются методы центрифугирования и полива, дающие возможность формирования пленок на основе полимерных матриц. Для различных водорастворимых полимеров (поливиниловый спирт, полиакриламид, желатина и другие) рассмотреныа совместимость с БР и другими фазами (соли различных металлов, наночастицы), а такжеавозможность воздействовать на оптические параметры БР-содержащих полимерных пленок.

Представлены конструкции для компонентов информационных систем. Приведены примеры использования БР в многослойных структурах и в голографических элементах для устройств обработки, записи, хранения и считывания информации, коммутационных устройств, а также информационноЦизмерительных приборов для диагностики технологических процессов изготовления материалов электроники. Показаны функциональные преимущества и перспективность применения БР в приборах электронной техники. На основе результатов аналитического обзора обосновываются: оптимальность многослойной структуры, включающей слои на основе БР, волноводные и светоотражающие слои, для изготовления компонентов информационных систем и нейросетевых технологий; целесообразность использования желатины в качестве полимерной матрицы для БР.

Рассмотрены физические, химические и технологические свойства сред на основе органических соединений, испытывающих необратимые и фотохромные превращения под действием лазерного излучения и обеспечивающих запись и недеструктивное считывание оптической информации флуоресцентным и фоторефрактивным методами. Предложены базовые процессы, реализуемые в функциональных средах на основе фотохромов (БР), хромонов и светоизлучающих соединений - продуктов фотоперегруппировки хромонов, перспективные для построения устройств нейросетевой обработки информации, 3D многослойных носителей данных и других компонентов информационных систем.

Базовый процесс в фотохромных БР-содержащих средах. Нейросетевая обработка информации на основе выбранного базового процесса. Базовый процесс в БР связан с изменением концентрации поглощающих центров БР (максимум поглощения на λа=а570анм (БР570)) в результате их взаимодействия с квантами света и переходом БР570 в форму М412 (максимум поглощения на λа=а412анм). Этот базовый процесс может быть использован (рис.а1) для создания формальных нейронов и выполнения основных нейросетевых операций в среде БР: взвешивание вектора входных сигналов в соответствии с матрицей весовых коэффициентов синаптических связей, сложение взвешенных значений входных сигналов, формирование выходного сигнала в соответствии с активационной функцией.

Рис.а1.аУстройство нейронной сети на основе базового процесса: 1,а6 плоские волноводы, включающие дифракционные решетки ввода и вывода излучения; 2,а4,а7а БР-содержащие слои (фотоприемный, слой весовых коэффициентов и слой нейронов); 3,а5аацилиндрические линзы.

Рис.а2.аПропускание (Рвых/Рвх) БР-содержащего слоя в зависимости от плотности мощности (Рвх) воздействующего излучения.

Световой поток (входной вектор), воздействует на БР-содержащий слой 2 и создает в нем фотоиндуцированное распределение измененного показателя поглощения. Волновод 1 формирует световой фронт, который модулируется по интенсивности в соответствии с распределением показателя поглощения БР-слояа2 и, посредством линзы 3, распределяется на поверхности БР-слоя 4 (слоя весовых коэффициентов, в данном случае, коэффициентов пропускания соответствующих участков БР-слоя). Взвешенные компоненты входного вектора формируются линзой 5 в световой поток, поступающий на входы нейронов БР-слоя 7. Функция сложения входных сигналов осуществляется как результат совместного воздействия на один и тот же участок слоя 7 световой энергии соответствующих взвешенных компонент входного вектора и изменения пропускания этого участка согласно зависимости нелинейной активационной функции нейрона от суммы взвешенных входов (рис.а2). Формирование выходного сигнала нейрона осуществляется активирующим световым фронтом, создаваемым в волноводе 6. Значение выходного сигнала определится как доля энергии активирующего фронта, прошедшая через соответствующий участок БР-слоя 7. Выходные сигналы нейронов БР-слоя 7 образуют непрерывный световой фронт. Обучение системы, заключающееся в формировании весовых коэффициентов (коэффициентов пропускания БР-слоя 4), может быть достигнуто оптически - методом обратного распространения. Для практического исполнения устройств на основе базового процесса предложены многослойные структуры, включающие БР-содержащие полимерные слои.

Требования к параметрам БР-содержащих полимерных пленок по формированию и взаимодействию нейронов определены методом программно-математического моделирования.

БР-содержащие полимерные пленки предназначены для формирования нейронов путем изменения поглощения этих пленок воздействием на них модулированных световых потоков. Разработанная программно-математическая модель позволяет реконструировать изменения распределения показателя поглощения пленок на основе БР и модуляции интенсивности световых фронтов (при многократном последовательном или совместном прохождении световых фронтов через БР-содержащие среды) для пленок, полученных из суспензий, пленок, полученных методом Ленгмюра-Блоджетт (моно- и многослойных), а также полимерных БР-содержащих пленок. В модели использовано упрощенное балансное уравнение для скорости изменения концентрации молекул в форме БР570 (СБР570) и форме М412 (СМ412):

dСМ412/dt = δdБР570 (λl)A1Мвх(t)СБР570 - δdМ412(λl)A2Мвх(t)СМ412 - (1/τt)СМ412,

где δdБР570 и δdМ412 - сечения взаимодействия молекул БР570 и М412 на длине волны, соответствующей импульсу света; А1, А2 - квантовые выходы переходов БР570 →о М412 и М412 →о БР570; Мвх - плотность потока фотонов; τt - время жизни М412. Предполагается, что СБР570а+аСМ412а=аС - общая концентрация молекул БР, принимающих участие в фотоцикле.

В модели использовались значения сечения взаимодействия: излучение при λlа=а570анм для БР570 - 2,322⋅Ч10-2анм2; излучение при λlа=а412анм для БР570 - 1,617⋅Ч102анм2, для М412 -

0,291⋅Ч102анм2; излучение при λlа=а630анм для БР570 - 0,442⋅Ч10-2анм2. Квантовые выходы переходов БР570 →о М412 и М412 →о БР570 приняты равными 0,3. В результате моделирования и программно-математических компьютерных исследований определены требования к БР-содержащим полимерным пленкам. Оптическая плотность пленок должна лежать в пределах 0,8Ц1,3 при толщине БР-содержащих полимерных пленок 6 Ц14амкм. В этом случае изменение поглощения-пропускания составляет 10Ц50% от первоначального значения при воздействии световых потоков с плотностью мощности (Р) 1Ц100амВт/см2 на а=а630анм и длительностью 0,1Ц10ас.

Базовые процессы записи и считывания данных в средах на основе синтетических хромонов и светоизлучающих соединений Ч продуктов фотоперегруппировки хромонов для 3D многослойных оптических носителей информации. Базовые процессы предлагается реализовать в функциональных материалах, выполненных в виде многослойной волноводной структуры, с чередующимися полимерными и фоточувствительными слоями (рис.а3). В состав центрального волноводного слоя входит соединение класса хромонов, которое в исходном состоянии (форма А) не поглощает в видимой области спектра и поглощает в УФ диапазоне (<350анм). Воздействие на длине волны в этой области необратимо переводит молекулу хромона в люминесцирующую форму с λlмаха=а520анм с поглощением на λlмаха=а440анм.

Рис.а3. Схематическое изображение базовых процессов записи и считывания информации. 1 граничные слои планарных волноводов; 2 - хромон-содержащие слои; 3 - световые потоки записывающего излучения; 4 - области записи в однофотонном режиме; 5 - область записи в двухфотонном режиме.

Базовый процесс записи, пригодный для 3D многослойного оптического носителя информации, основан на явлении двухфотонного поглощения, которое реализуется при достижении достаточного значения плотности мощности (Р) излучения (измеренное пороговое значение для применяемых материалов на λlа=а680анм составляет 3108аВт/см2), при этом осуществляется одновременное поглощение сразу двух одинаковых квантов света через виртуальный уровень, что соответствует удвоенной энергии кванта и λlа=а340анм. Запись реализуется с использованием острой фокусировки излучения и позволяет обеспечить локальные необратимые фотоиндуцированные превращения светочувствительных соединений в заданной точке без изменения состояния в других областях (рис.а3). Во избежание перегрева используется импульсный лазер. Процесс считывания данных в многослойной структуре может быть реализован как последовательно на основе двухфотонного возбуждения флуоресценции отдельных записанных битов, так и параллельно на основе однофотонного возбуждения флуоресценции множества записанных битов в заданной области заданного слоя (рис. 4).

Рис.а4.аСхематическое изображение процесса параллельного считывания в многослойных волноводных структурах. 1 - граничные слои волновода; 2 - хромон-содержащие слои; 3 - записанные биты информации.

Требования к композиционному материалу центрального слоя волновода. Предложенные базовые процессы и физико-математическое моделирование определили комплекс требований к функциональным и технологическим характеристикам материалов многослойной структуры для 3D многослойных носителей данных. Область чувствительности к записывающему излучению, обеспечивающему фотоиндуцированный перевод молекул хромона во флуоресцирующую форму, должна лежать в пределах 330Ц360 нм. В этом случае излучение λа≥360анм, применяемое в ходе технологического процесса отверждения полимера в присутствии соответствующего фотоинициатора, не вызывает несанкционированных фотоиндуцированных необратимых переходов. Коротковолновая граница определяется зоной поглощения (λа<330анм) материала матрицы центрального слоя планарного волновода. Область чувствительности к считывающему излучению возбуждающему флуоресценцию продуктов фотоперегруппировки хромонов, должна лежать в пределах 420Ц460анм, область флуоресценции - 500Ц560анм. Полимерная матрица для центрального слоя волновода должна обеспечивать получение оптически однородных полимерных пленок толщиной 1Ц3амкм с массовым процентным содержанием (%,амасс) хромона 5 и nа1,49 при оптической плотности на λа=а442анм (после перевода хромона в люминесцирующую форму) в пределах 0,01Ц0,02.

Во второй главе рассмотрены конструктивные принципы создания многослойных структур на основе композитных материалов для компонентов информационных систем, в том числе 3D оптических носителей информации и оптической нейросетевой обработки информации. Предложенные многослойные конструкции, несмотря на различное назначение, обладают сходным набором элементов интегральной оптики (планарные волноводы, встроенные дифракционные решетки), конструктивные характеристики которых рассчитаны по единым методикам. Проведена оценка зависимых от коэффициента преломления параметров волновода (толщина) и дифракционной решетки (период и глубина).

Допустимые толщины волновода h в зависимости от значений n* (n* - эффективный показатель преломления) определялись из решения волноводного дисперсионного уравнения:

где kа=а22πp//λl - проекция волнового вектора на ось, совпадающую с направлением распространения света в волноводе; πpа=а3,14; n1, n2 - показатели преломления граничных слоев и n0 - показатель преломления центрального слоя волновода; mа=а1,а2,а... - модовое число волновода. Предельное (критическое) значение толщины hкр для условия одномодового волновода вычислялось по формуле: ... С целью обеспечения контролируемого локального и направленного вывода световой энергии из планарного волновода выполнена оценка распределения интенсивности излучения вдоль дифракционной решетки.

Разработка многослойных структур на основе БР-содержащих сред для формирования устройств нейросетевой обработки информации. Многослойные структуры (рис.а5) включают в себя систему плоских одномодовых волноводов, БР-содержащие полимерные слои, элементы ввода оптического излучения в виде дифракционных решеток, устройство формирования поверхностного светового фронта, модуляторы интенсивности поверхностного светового фронта.

Рис.а5.аФрагмент многослойной структуры: 1 - подложка; 2,а10 - слои, содержащие БР; 3,а5 - граничные слои волновода; 4 - направляющий слой волновода; 6 - зона ввода излучения; 7 - адгезионный слой; 8 - вводимое и 9 - выводимое излучение; 11, 12 - дифракционные решетки вывода и ввода излучения; L - длина дифракционной решетки.

Устройство формирования поверхностного светового фронта (рис.а6) представляет собой одномодовый волновод с дифракционными решетками ввода и вывода излучения и предназначено для распределения световой энергии в БР-содержащих полимерных пленках с целью инициирования процессов параллельного формирования и взаимодействия нейронов. Варьируя период, глубину, длину дифракционных решеток, можно контролировать распределение интенсивности излучения вдоль выводимого в БР-содержащую среду поверхностного светового фронта, а также угол вывода излучения, активируя при этом соответствующие группы нейронов. Значения периодов дифракционной решетки для разных углов ввода-вывода излучения θq получены по формуле: sinθq1,2а=а(n*а-аN)/n1,2, где n* - эффективный показатель преломления волновода; Nа=аλl/ΛL - отношение длины световой волны (λl) в вакууме к периоду решетки ΛL; n1,2 - показатели преломления нижнего и верхнего слоев волновода, соответственно.

Модулятор интенсивности поверхностного светового фронта (рис.а7), включающий светоотражающие слои, осуществляет преобразование поверхностного светового фронта для установления начальных состояний параметров нейронов в БР-содержащих полимерных пленках и поддержания локальных обратных связей. Создаваемые модулятором световые потоки проходят через дифракционные решетки других слоев, что позволяет уменьшить расстояние между волноводными слоями до 10амкм. Расчеты показывают, что в пределах углов, под которыми излучение проходит через дифракционную решетку (θqа=а2Ц60), отражением от дифракционных решеток можно пренебречь (<0,2%), если эти углы на ≥1отличаются от резонансных.


Рис.а6.аУстройство формирования поверхностного светового фронта: 1,а2аЦ углы вывода излучения; аЦ период дифракционной решетки; n0,аn1,аn2аЦ показатели преломления слоев.	Рис.а7.аМодуляторы интенсивности поверхностного светового фронта:ааЦ длина волны излучения; I0аЦаинтенсивность излучения.

Проведена оценка перераспределения световой энергии, обусловленного дифракционной расходимостью, для определения расстояний, на которых возможно осуществление взаимодействия между БР-содержащими полимерными слоями без значительного искажения картины распределения интенсивности вдоль светового фронта. Дифракционной расходимостью можно пренебречь на расстояниях <25амкм, если размер зеркал ≥2амкм и они отстоят друг от друга на ≥2амкм.

Разработка многослойных структур на основе синтетических органических фотохромных и люминесцирующих соединений для 3D многослойных оптических носителей информации. Рассмотрены многослойные структуры в виде системы планарных волноводов в двух вариантах исполнения: на прямоугольной подложке и на подложке, соответствующей стандартному оптическому диску. Для обеспечения возможности обращения к произвольно выбранной области любого функционального слоя и ввода с этой целью излучения, возбуждающего флуоресценцию, на всей поверхности, разделяющей граничный и центральный слои каждого планарного волновода, размещены синусоидальные дифракционные решетки, каждая со своим индивидуальным периодом (а=а0,40Ц0,65амкм). Выбор слоя определяется шагом дифракционной решетки и соответствующим углом ввода излучения.

Конструктив для многослойных структур, выполненных на подложке в форме диска, накладывает дополнительные ограничения на условия эффективного ввода излучения с использованием дифракционных решеток в виде системы концентрических окружностей с убывающим по направлению к центру радиусом и постоянным шагом. Кривой участок решетки (рис.а8) будет вести себя подобно прямому, если фазовые сдвиги будут невелики (Δа<<аλ). Оценка поперечного размера соответствующей области ввода для Δа=а0,1λ и λа=а0,5амкм дает значение Lа=а140 мкм при Rа=а50 мм и Lа=а60 мкм при Rа=а10амм.

Рис. 8. Фрагмент радиального штриха дифракционной решетки. Δ - отклонение от линейности, φ - угол, определяющий поперечный размер области эффективного ввода L вдоль штриха решетки.

В третьей главе рассмотрены разработка составов и технологических методов получения композитных материалов и отдельных функциональных слоев на их основе, пригодных для формирования компонентов информационных систем, в том числе 3D оптических носителей информации и 3D структур оптической нейросетевой обработки информации.

Подготовка суспензий БР включает предварительную очистку центрифугированием и ультразвуковую обработку (30-40амин, температура ≤36С). Повышение однородности размеров достигалось дополнительным центрифугированием (ультрацентрифуга JouanаKR-25i, 12000аоб/мин, время 10амин, температура 10C), разделением полученных фракций и их последующей гомогенизацией при помощи УЗ-воздействия (установка Реут-001, частота 33акГц, акустическая мощность 52,5аВт, время 15амин, температура 3Ц10С). Исследования показали, что при рН <4,1 молекулы БР агрегируют, и оптическая прозрачность суспензий не достигается. Установлено, что ультразвуковое воздействие ведет к повышению рН суспензии на 0,2-0,4. Параметром рН управляли введением буферного 0,01аM раствора N2B4O710H2O с рНа=а9,18. Получены оптически прозрачные суспензии с концентрацией БР до 15амг/мл.

Размер частиц, влияющий на рассеяние в суспензиях, оценен с помощью измерения доли рассеянного HeNeлазерного излучения при прохождении через кювету с суспензией с концентрацией БР 5,8105 М. Концентрация БР рассчитывалась по результатам измерения оптической плотности (спектрофотометр СФ-10) и значению коэффициента экстинкции БР 63000ал/мольсм на λа=а570анм.

Диэлектрическая проницаемость БРа403, необходимая для расчета размера частиц, определялась сравнением рассеяния излучения в водной суспензии БР и в суспензии БР на основе смеси воды и глицерина. Рассчитанное по формуле Рэлея характерное значение диаметра частиц лежит в пределах 6,7Ц6,8анм (в исходной суспензии 500Ц1000анм). Учет несферичности рассеивающих частиц приводит к значению наибольшего их размера 8,70,5анм, которое соответствует минимальному комплексу белков БР. Таким образом, применяемые условия обработки суспензий не разрушают белок БР и обеспечивают оптическое разрешение полученной БР-содержащей среды >5000 лин./мм.

Получение пленок БР. Пленки БР осаждали из суспензий методом электрофоретического осаждения (ЭФО) с использованием специально сконструированной электрохимической ячейки, в которой катодное и анодное пространства разделены катионообменной мембраной. В качестве электродов применялись стеклянная подложка со слоем InSnOx и пластина из Pt (Ni). В экспериментах была использована суспензия, содержащая БР штамма ЕТ1001 и анилин (С6Н5NH2), при полимеризации дающий электропроводящий полимер - полианилин. Время проведения ЭФО рассчитывалось, исходя из заданной в пределах 10-20амкм толщины получаемой пленки БР.

Для изготовления пленок БР методом полива применялись водные суспензии БР штаммов ЕТ1001, 353 и D96N с исходной концентрацией 4-7аг/л. Для получения пленок с более высокими значениями чувствительности в исходную суспензию вводили модифицирующие химические добавки: тетраборат натрия (Na2B4O7), глутаровый альдегид (С5H8O2), парафенилендиамин (С6H8N2), глицин (С2Н5NO2), изолейцин (С6Н13NO2), лизин (С6H14N2O2). Пленки формировали в боксе (модель 518C, Electro-Tech Systems Inc) в потоке воздуха с контролируемыми температурой (8Ц35±1C) и влажностью (20Ц80±2%). В отдельных случаях для стабилизации относительной влажности на уровне 70% пленки покрывались защитным слоем поликарбонатметакрилата.

Получение оптически однородных прозрачных БР-содержащих полимерных пленок. Предварительно приготавливалась БР-содержащая полимерная смесь добавлением в 5% водный раствор желатины подготовленной суспензии БР. Учитывая, что при температурах <32С БР агрегирует на молекулах полимера, прозрачные и оптически однородные полимерные смеси получены при температуре смешивания 34-35С и итоговом значении показателя рН смеси суспензии БР и раствора полимера >4,1. После смешивания желатины и БР-содержащей суспензии для введения примесей металлов добавляются водные растворы солей с требуемой концентрацией металлов. В настоящей работе для получения БР-содержащих полимерных пленок с примесями Cu, Ba и Pb использовались соли CuCl2, BaCl2 и Pb(CH3COO)23H2O.

БР-содержащие полимерные пленки формировались поливом полимерной смеси при температуре 34Ц35С на подложку, нагретую до 35Ц36С. Экспериментально установлено, что введение в полимерную смесь этиленгликоля в соотношении 0,025амл на каждые 100амг желатины существенно снижает поверхностное натяжение и миграцию БР по объему пленки, увеличивает прочность, пластичность и адгезию.

Получены прозрачные и оптически однородные БР-содержащие полимерные пленки (толщиной 6Ц14амкм с оптической плотностью 0,8Ц1,3аD на а=а570анм) на подложках из стекла К8 и плавленого кварца на площади до 60×48амм2, а также на Si-пластинах диаметром 76амм. Установлено, что характерное отклонение толщины от среднего значения получаемых по разработанной технологии БР-содержащих полимерных пленок менее 50анм на длине 10амм (<1% при толщине пленки >5амкм). Отклонение от среднего значения по распределению объемной концентрации БР не превышает 3%.

Для согласования показателей преломления различных слоев измерялись показатели преломления БР, желатины и полимерных БР-содержащих пленок (рефрактометр ИРФ-454Б). Для белого света получено значение nа=а1,5340,002. Показатель преломления желатиновых пленок составил 1,5430,001. Значения n БР-содержащей желатиновой пленки толщиной 5010амкм лежали в пределах 1,539Ц1,542 в зависимости от концентрации БР.

Синтез гибридных наноструктур и получение функциональных слоев на их основе. Исследовались пути расширения функциональных возможностей композиционных материалов для информационных систем на основе создания гибридных структур, представляющих собой, в общем случае, систему из трех компонентов - коллоидные наночастицы, промежуточные сшивающие (спейсеры) и функциональные фотохромные и флуорофорные молекулы (рис. 9).

Рис. 9. Схематическое изображение фрагмента гибридной наноструктуры

Предложены и экспериментально обоснованы технологические методы синтеза и стабилизации гибридных наноструктур, на основе механизмов специфического связывания и самоорганизации, обеспечиваемых подбором спейсеров с соответствующими функциональными группами. Получены наноструктуры различного состава на базе функциональных молекул БР, синтетических флуорофоров класса феналенонов (рис.а10,аа), коллоидных металлических (Au и Ag) и полупроводниковых (CdSe/ZnS ядро/оболочка) наночастиц, с использованием в качестве сшивающих молекул-спейсеров 11-меркаптоундекановой кислоты; аминокислот цистеина, лизина и аргинина; ряда соединений класса алифатических симметричных диаминов; поливинилового спирта и полилизина, а также фотохромных соединений класса дигетарилэтенов (рис.а10,аб).

а) б)

Рис.а10. Структурные формулы применяемых в работе феналенона (а) и дигетарилэтена (б).

Предварительная отработка технологических методов выполнена на основе коллоидных наночастиц Au (диаметр в диапазоне 38,5Ц40,5анм для 90% частиц, оценены методом фотонно-корреляционной спектроскопии на установке PhotoCor Complex), полученных методом восстановления водорастворимых соединений Au боргидридом натрия с последующим концентрированием на центрифуге Jouan-KR25i. Использовались молекулы-спейсеры (1,6диаминогексан, 1,7диаминогептан, 2,5диаминопентановая кислота), в составе которых присутствуют свободные алифатические аминогруппы, способные эффективно взаимодействовать как с молекулами БР, так и поверхностью наночастиц. Функционализация поверхности наночастиц осуществлялась диализом суспензии против водного раствора (5103Ц6103амолекул-спейсеров на 1ананочастицу), одновременно удалялись непрореагировавшие в процессе синтеза наночастиц компоненты, разрушающие молекулы БР. Затем, при постоянном перемешивании в систему добавлялась суспензия БР из расчета 1 молекула БР на 1 молекулу-спейсер. Установлена стабильность полученных гибридных наноструктур в составе суспензии в течение >4-х лет.

Успешное формирование гибридных наноструктур демонстрирует сравнение данных исследований методами атомносиловой микроскопии (АСМ) и спектрометрии пленок, полученных из суспензии. Смещение положения максимума поглощения, характеризующего разобщенные наночастицы Au, с 520анм до 610анм свидетельствует о формировании кластерной структуры (рис.а11). В спектре поглощения пленки гибридных наноструктур AuаЦа1,6-диаминогексан - БР присутствуют только полосы поглощения отдельных компонентов на λ=520анм и λа=а570анм. Таким образом, наличие БР в составе гибридной наноструктуры препятствует агрегации наночастиц, что подтверждается исследованиями методом АСМ (рис.а12).


Рис.а11.аПоверхность пленки наночастиц AuЦ1,6диаминогексан (АСМ).	Рис.а12.аПоверхность пленки гибридных наноструктур Auа1,6диаминогексан БР.

Получены гибридные структуры на основе наночастиц Ag, обеспечивающих оптимальное сочетание оптических свойств в системе с БР (характеристические максимумы в спектрах поглощения компонентов разнесены на 160Ц170анм). Наночастицы Ag проявляют значительную химическую и фотохимическую активность в водной суспензии, поэтому введение сшивающих молекул-спейсеров осуществлялось непосредственно в реакционную систему для синтеза наночастиц, что обеспечивало в ходе единой технологической операции как формирование и стабилизацию наночастиц, так и функционализацию их поверхности.

Водные суспензии коллоидных наночастиц Ag (диаметр в диапазоне 4,5Ц6,4анм для 90% частиц, оценены методом фотонно-корреляционной спектроскопии на установке Zetatrac) получены с использованием в качестве спейсеров цистеина, аргинина, лизина и полилизина. Молекулы-спейсеры связываются с поверхностью с помощью функциональных групп: ЦSH (цистеин), ЦC(NH)NH2 (аргинин) или ЦNH2 (лизин и полилизин). В 100 мл водного раствора AgNO3 (са=а1,4⋅10-3аМ) вводился раствор вещества-спейсера (са=а7,4⋅10-3аМ) в количестве от 0,05% до 1% от суммарного объема, затем при интенсивном перемешивании в раствор добавлялось 120амкл 0,1М раствора NaBH4.

Наиболее однородные по размерам наночастицы наблюдаются для соотношения масс Ag и вещества спейсера 1:150, о чем свидетельствует меньшая полуширина характеристических пиков в спектрах. Наночастицы, стабилизированные аминокислотами, обладают меньшими размерами по сравнению с наночастицами, стабилизированными полилизином: спектральный максимум поглощения (рис.а13,аа) для наночастиц с полилизином расположен в более длинноволновой области на λа=а398анм, тогда как для наночастиц с аминокислотами - на λа= а390Ц392 анм.

Формирование гибридных наноструктур достигалось в процессе интенсивного перемешивания (2ачас.) водных суспензий функционализированных наночастиц Ag (100амл) и БР (100амкл, са=а5амг/мл) при температуре реакционной смеси 22Ц25С.

а) б)

Рис.а13.аСпектры поглощения наночастиц Ag (а) и гибридных наноструктур на их основе с бактериородопсином (б). В качестве молекул-спейсеров использованы лизин (1) и полилизин (2).

Спектрофотометрические исследования продемонстрировали наличие двух характеристических максимумов, соответствующих отдельным компонентам гибридной наноструктуры (рис. 13,аб), что свидетельствует об отсутствии деградации наночастиц Ag и сохранении функциональности молекул БР. Для суспензии гибридных наноструктур на основе лизина или полилизина наблюдается смещение максимума поглощения, характеризующего наночастицы Ag: с лизином - от 391анм до 405анм (рис. 13,аб), с полилизином - от 398анм до 403анм. В случае использования цистеина, положения максимумов поглощения, характеризующих наночастицы Ag и БР не изменяются. Смещение в коротковолновую область на 8Ц10 нм или 4Ц6 нм максимума поглощения БР, характерно для суспензий с использованием, соответственно, полилизина или лизина.

Возможным объяснением полученных результатов является различие в расстояниях между компонентами наноструктуры (0,4анм для цистеина, 0,8анм и 1,4анм для лизина и полилизина, соответственно), определяемыми различными длиной и расположением функциональных заместителей относительно друг друга в молекулах спейсеров и, как следствие, характером формируемой ими лигандной оболочки и типом связывания с поверхностью наночастицы и БР.

Смещение положения характеристических спектральных максимумов в результате синтеза гибридной структуры демонстрирует взаимное влияние компонентов наноструктуры, что подтверждается увеличением поглощения в характерных максимумах для Ag на 8Ц10% (полилизин) и 13Ц15% (цистеин), для БР - на 4Ц6% (полилизин) и 24Ц26% (цистеин) по сравнению со значениями, полученными в результате простого сложения спектров отдельных компонентов при таких же концентрациях (рис.а14).

Рис.а14.аСпектр поглощения: гибридных наноструктур AgцистеинБР (1); суммарный спектр компонентов БР и Ag (2), спектры БР (3) и наночастиц Ag (4).

Установлено: наночастицы в составе гибридной наноструктуры резко усиливают влияние веществ, воздействующих на фотоцикл БР, что представляет дополнительные возможности управления эффективностью фотореакции и временем жизни спектральных интермедиатов. Эксперименты показали значительное (40араз) замедление фотоцикла в пленках, полученных на основе БР при добавлении (Na,K)2SiO3-x в количестве 58% от массы всей пленки, при этом изменения спектральных характеристик белка в суспензии не столь значительны (рис.а15). Введение (Na,K)2SiO3-x в суспензию гибридных наноструктур (AgЦполилизинЦБР при массовом отношении Ag:БРа=а1:5) в концентрациях 2⋅1057⋅104а%, масс. радикально меняет спектр БР и соотношение спектральных интермедиатов, преобладающей формой становится М412 (рис.а16). Для наночастиц Au подобные эффекты не наблюдаются, что косвенно свидетельствует о вероятном влиянии на время жизни М412 наночастиц Ag на длине волны плазмонного резонанса 400 нм.

Рис.а15.аСпектры поглощения:

1 - суспензия БР; 2 - суспензия БР с добавлением (Na,K)2SiO3-x.

Рис.а16. Спектры поглощения суспензий гибридных наноструктур Ag - полилизин - БР с концентрацией (Na,K)2SiO3-x: 1 - 7,18104%, масс; 2 Ц 7,18105%, масс; 3 - 1,90105%, масс; 4 - без (Na,K)2SiO3-x.

Существенно иной характер носит влияние гибридной наноструктуры на усиление воздействия азида натрия (NaN3) на фотоцикл БР. Известно, что NaN3 оказывает заметное воздействие на фотоцикл только мутантных штаммов (для D96N ускоряется распад интермедиата M412 в 500араз). Изменения в спектре суспензии БР штамма ЕТ1001 (дикая форма), модифицированной в результате присутствия NaN3 (0,1%, масс) в течение 6амес., незначительны. Однако, использование, модифицированной таким способом, суспензии при формировании гибридных наноструктур AgЦполилизинЦБР показало появление дополнительной полосы поглощения с максимумом λ=350Ц353анм, увеличение поглощения в области а=а280Ц570анм по сравнению с суммарным спектром поглощения отдельных компонентов (например, для λа=а280анм >65%). Сопоставимый результат получен для гибридных наноструктур на основе наночастиц Ag при использовании лизина или 11-меркаптоундекановой кислоты (линейный размер 1,4анм). Увеличение поглощения на λ= 400анм и λ=568анм составило для Ag 15%, для БР - 33%. Для всех перечисленных вариантов гибридных структур характерно возникновение новой полосы поглощения на а=а360Ц365анм, величина которого прямо пропорционально зависит от концентрации БР, модифицированного NaN3, и свидетельствует об изменении времени жизни отдельных спектральных интермедиатов фотоцикла БР.

Гибридные структуры на основе полупроводниковых наночастиц CdSe/ZnS сформированы замещением монослоя триоктилфосфина оксида на поверхности наночастиц флуорофорным веществом класса феналенонов (рис.а10,аа). Получены суспензии в хлорбензоле с массовыми отношениями компонентов CdSe/ZnS к феналенону - 1:1, 3:1, 10:1, 30:1 и 100:1.

Спектры поглощения (рис.а17,аа) гибридных наноструктур CdSe/ZnS (диаметр ядра dCdSeа=а2,5анм, длина волны эмиссии Эа=а530±5 нм) для отношения CdSe/ZnS к феналенону 100:1, во всей измеряемой области спектра (300Ц700анм) демонстрируют оптическое просветление суспензии. Напротив, спектры поглощения (рис.а17,аб) гибридных наноструктур CdSe/ZnS (dCdSeа=а3,5анм, Э=560±5 нм) для отношения CdSe/ZnS к феналенону 100:1 во всей измеряемой области спектра (300Ц700анм) демонстрируют увеличение оптической плотности суспензии. В первом случае значение линейного показателя поглощения на 46% меньше (в максимуме поглощения а=а510анм), а во втором - на 100% больше (в максимуме поглощения 540 нм) суммарного значения, полученного в результате простого сложения соответствующих показателей отдельных компонентов при эквивалентных концентрациях.

а) б)

Рис.а17.аСпектры поглощения суспензий гибридных наноструктур на основе наночастиц CdSe/ZnS (dCdSe=а3,5анм (а) и dCdSe =а2,5анм (б) и феналенона при отношении компонентов CdSe/ZnS к феналенону 100:1. 1 Ц гибридные наноструктуры; 2 - наночастицы CdSe/ZnS; 3 - феналенон.

Спектры люминесценции гибридных наноструктур CdSe/ZnS (dCdSeа=а2,5анм, Эа=а530±5анм), для отношения CdSe/ZnS к феналенону 10100:1 и длины волны возбуждения возб.а=а375анм демонстрируют снижение интенсивности люминесценции на Эа=а530анм в 1,5 раза. Напротив, спектры люминесценции гибридных наноструктур CdSe/ZnS (dCdSeа=а3,5анм, Эа=а560±5анм), для отношения CdSe/ZnS к феналенону 100:1, для возба.=а530анм демонстрируют увеличение интенсивности люминесценции на а=а570анм на 20% по сравнению с суммарным значением, полученным в результате простого сложения значений интенсивностей для отдельных компонентов при соответствующих концентрациях.

Обратимое фотоуправляемое изменение интенсивности люминесценции гибридных структур CdSe/ZnSЦдигетарилэтенЦфеналенон. Сформированы и исследованы гибридные структуры на основе полупроводниковых наночастиц CdSe/ZnS и феналенона с применением вещества-спейсера класса дигетарилэтенов (рис.а10,аб). Получены суспензии в хлорбензоле с массовыми отношениями компонентов CdSe/ZnS к феналенону - 1:1, 10:1 и 100:1. Молярное соотношение между феналеноном и дигетарилэтеном - 1:1. Для гибридных наноструктур на основе CdSe/ZnS (dCdSeа=а3,5анм и dCdSeа=а2,5анм) наблюдается эффект обратимого фотоуправляемого изменения интенсивности люминесценции (на 10% и 75%, соответственно) поочередным облучением УФ (Ра7амВт/см2) и а=а532анм (Ра200амВт/см2).

Металлизация пленок БР. Металлизация пленок БР представляет собой достаточно сложную задачу, поскольку при использовании стандартного оборудования неизбежно их повреждение. В работе использована модернизированная установка магнетронного распыления. Модернизация установки заключалась в монтаже охлаждаемого жидким азотом подложкодержателя (рис.а18). Разработанный подложкодержатель необходим для поддержания температуры пленки БР в процессе осаждения металлов при температуре <0С, что предотвращает ее разрушение. Рассмотрена конструкция внутрикамерной оснастки модернизированной установки, а также системы управления нагревателем.

Рис.а18. Схема установки

Помимо установки магнетронного распыления для осаждения на поверхность БР пленок металлов использовалась специально разработанная установка электронно-лучевого испарения. С целью улучшения чистоты осаждаемых материалов и упрощения возможности изготовления многослойных структур была выбрана конструкция испарителя с электронным нагревом, в которой отсутствует тигель. Источником испаряемого материала служили стержни диаметром 3амм. В процессе формирования пленок капля расплава держится на стержне за счет сил поверхностного натяжения, поэтому достигается высокая чистота, так как загрязнение материалом тигля невозможно. Максимальная скорость осаждения пленок составляет 5анм/с.

Установка состоит из вакуумного поста и стойки управления. Представлена конструкция испарителя с электронным нагревом, с использованием которого осаждали пленки Ta, W, C и др. Разработанный испаритель имеет следующие характеристики: ускоряющее напряжение 2500аВ; максимальный ток эмиссии 300амА; напряжение накала 015аВ; ток накала до 18аА; количество испаряемых материалов 2. Осаждение пленок производилось при давлении в вакуумной камере 1,33104аПа. При токе эмиссии 200амА скорости осаждения составляли для: Ta 0,610,0анм/с; W 0,50,8анм/c; С - 2,03,0анм/с. Разработана и представлена конструкция блока питания испарителя с электронным нагревом. С целью получения воспроизводимых толщин осажденных пленок использовался разработанный кварцевый измеритель толщины, в котором для повышения стабильности применяется двойное преобразование частоты.

Изготовление волноводных слоев для многослойных структур на основе БР-содержащих сред для формирования устройств нейросетевой обработки информации. Для получения центрального слоя волновода использовался фотополимер ФП-1 с nа=а1,55 на основе эпоксиакрилатов с добавлением моноэтиленгликольметакрилата или стирола и фотоинициирующего вещества (2,2 Цдиметоксин Ц2 Цфинилацетофенона). В качестве разбавителя, необходимого для регулирования вязкости раствора, использовались бутанол или этилцеллозольв. Центральные слои волноводов изготавливались центрифугированием ((4Ц12)103аоб/мин, 22Ц24С), обеспечивающим необходимые толщины 0,5Ц1,2амкм для выполнения требования одномодовости волновода. Для получения граничных слоев применялись фотополимер ФП-2 с nа=а1,50 на основе олигокарбонатметакрилатов с добавлением изобутилового эфира и фотоинициирующего вещества. Экспериментально установленная экспозиция УФизлучения, необходимая для отверждения одного слоя фотополимера, составляет <1мДж/см2. Необходимые толщины граничных слоев (57амкм) ФП-2 получены при усилиях прижима стекла 100аг/см2.

Изготовление дифракционных решеток ввода и вывода излучения для многослойных структур на основе БР-содержащих сред для формирования устройств нейросетевой обработки информации. Матрицы дифракционных решеток с шагом 0,4-0,8амкм, глубиной 0,10,3амкм и формой, близкой к синусоидальной, изготавливались на кварце, прозрачном для УФ-излучения, интерференционным методом с использованием фотолитографии. Дифракционные решетки в фотополимерном слое формировались прижимом подготовленной матрицы к слою неотвержденного фотополимера ФП-2 и экспонированием в УФ-излучении.

Изготовление волноводных слоев для многослойных структур 3D оптических носителей информации. Выполнены требования по согласованию показателей преломления материалов, образующих систему планарных волноводов многослойной структуры, обеспечена совместимость спектральных характеристик центрального (фоточувствительного) и граничных слоев для условий технологических процессов получения и функционирования.

Среди большой группы фоточувствительных веществ (производные 2гетарил3ацилхромонов, лейкокрасителей, дигетарилэтенов) подобрано функциональное соединение и разработана композиция на его основе для формирования центрального волноводного слоя. Использован хромон 2(фуран2ил)3(тиофен2-карбонил)а4Нхромена4аон (рис.а19), обладающий достаточно высокими фоточувствительностью, интенсивностью флуоресценции и лучшими спектральными характеристиками (рис.а20).

а) б)

Рис. 19.аСтруктурные формулы хромона LHC480 (а) и продукта его фотоперегруппировки (б).

Рис.а20.аСпектры поглощения и флуоресценции хромона в ПММА до облучения (1) и после (2аапоглощение, 3а флуоресценция).

Экспериментально установлено, что вещества класса хромонов демонстрируют наиболее высокую флуоресценцию в полиметилметакрилате (ПММА) со средней молекулярной массой Mw120000 и показателем преломления nа=а1,49 (измерен на рефрактометре Abbe NAR-4T). Экспериментально определено оптимальное содержание хромона в композиции 2%, масс.

Граничные слои волноводов образуются фотоотверждаемой полимерной композицией, в состав которой входит фотоинициатор. Хромон, используемый при формировании центральных волноводных слоев, эффективно поглощает в области 250Ц300анм, в которой работают большинство широко используемых фотоинициаторов. Избежать в ходе технологического процесса фотоиндуцированного необратимого перехода молекул хромона с образованием флуоресцентной формы позволяет применение фотоинициатора Darocurа4265 (рабочая область поглощения λа=а370Ц400анм). Экспериментально определены оптимальные вязкость (η а=а1450амПа⋅с) и состав фотополимерной композиции: олигокарбонатметакрилат (64%, масс), 1Н,1Н-перфторгептилакрилат (35%, масс) и фотоинициатор (1%, масс). Показатель преломления измерен на рефрактометре Abbe NAR-4T: неотвержденная композиция - nа=а1,425, отвержденнаяаЦ nа=а1,457.

Для возбуждения процессов фотополимеризации при формировании граничных слоев использована осветительная система на основе твердотельных полупроводниковых светодиодов (InGaN, λmaxа=а395анм и полуширина 30анм). Экспериментально установлено, что воздействие на хромон в ПММА сфокусированного света (λа=а395анм) с плотностью энергии 100аДж/см2 не приводит к аппаратно-определяемому изменению спектральных характеристик фоточувствительного слоя. Экспозиция, необходимая для отверждения фотополимерной композиции и полного разложения фотоинициатора, составляет 7,2аДж/см2 на λmax=а395анм. В этом случае остаточное поглощение пленки в области 320Ц400анм близко к уровню шума. Центральные слои толщиной 1амкм получены центрифугированием из растворов ПММА в хлороформе и хлорбензоле с содержанием полимера 8Ц9%, масс при скорости 7000аоб/мин.

В четвертой главе рассмотрены результаты исследований по определению конструктивных и функциональных параметров отдельных слоев на основе композитных материалов в зависимости от технологии получения, состава и строения; представлены стенд для исследования и метод комплексной оценки функциональных параметров материалов на основе БР.

Строение БР-содержащих полимерных пленок. Исследовались БР-содержащие полимерные пленки, сформированные на подложках из стекла К-8 при различных параметрах. Установлено, что строение поверхности БР-содержащих полимерных пленок (растровый электронный микроскоп HITACHIаS-405A) зависит от условий получения. В зависимости от показателя рН поверхность является либо гладкой (рис.а21,аа), либо имеет точечные (100 Ц300анм) и прямолинейные (протяженность 400Ц1000анм при ширине 100Ц200анм) выступы (рис.а21,аб,ав). На элементах рельефа обнаружена огранка (рис.а21,аб).


Рис.а21. Строение поверхности БР-содержащей полимерной пленки, сформированной из полимерной смеси: а)арНа=а4,2Ц4,5; б)арНа=а3,84,0 (на врезке представлен увеличенный фрагмент поверхности); в)арНа=а3,53,7.

Шероховатость поверхности (перепад высот рельефа Rz) пленки с размером частиц БР-фазыа<10анм составляет Rzаа0,1амкм, при размере частиц БР-фазы 100Ц1000анм Rzа0,63,8амкм. Анализ пленок толщиной 20амкм, содержащих БР-фазу с огранкой, методом рентгеновской дифрактометрии (рентгеновский дифрактометр ДРОНЦ2), показал отсутствие кристаллических фаз. Методом электронно-зондового спектрального микроанализа (установка САМЕВАХ) в БР-содержащих полимерных пленках определены введенные Cu, Ba и Pb в количестве 0,1Ц1,82 %, масс. Методами электронно-зондового спектрального микроанализа, оже-электронной спектроскопии (оже-электронный микроанализатор установки ВS-350) и инверсионной вольтамперометрии (вольтамперометрическая система СВА 1БM, применялась методика контролируемого селективного растворения фаз пленки) установлено распределение примесей металлов между фазами пленки. Отношение концентраций Pb в желатине и БР в зависимости от условий формирования пленки составляло 1,15; Ва - 1,67Ц6,3 и Cu - 2,1Ц4,8.

Электропроводность. Исследована температурная зависимость электропроводности, а также получены вольт-амперные характеристики БР-содержащих полимерных пленок, в том числе с примесями Cu, Ba и Pb (Cu - 0,1Ц0,8%, масс, Ba - 0,20Ц1,62%, масс и Рb - 1,25Ц1,82%, масс). Измерялось сопротивление БР-содержащих полимерных пленок толщиной ~10амкм, расположенных между контактной площадкой InSnОх и слоистой подложкой стекло/InSnОх. Контактные площадки (пленки InSnОх) получены методом ВЧ-магнетронного распыления сплава In-Sn в Ar+O2 - газовой смеси. Рассчитанные значения удельного сопротивления ρ всех исследованных БР-содержащих полимерных пленок лежат в пределах (0,4-1,2)⋅10Ц6аОм⋅м (рис.а22). С повышением температуры ρ падает со средним температурным коэффициентом равным 5⋅103аград1, что характерно для ионной проводимости. Введение в БР-содержащую пленку Cu и Рb в концентрации 0,12 и 1,36%, масс, масс соответственно, не меняет вида кривых ρ(Т) (рис.а23, БР(Cu) и БР(Рb)).


Рис.а22. Зависимость удельного сопро-тивления БР-содержащих полимерных пленок от температуры.	Рис.а23. Вольт-амперные характеристики БР-содержащих полимерных пленок.

Зависимость I(U) (рис.а23) имеет отклонение от омического закона, обнаруживается нелинейный рост и перегиб на начальном (5аВ) участке. При напряжениях >60аВ наблюдается резкое увеличение скорости роста проводимости, обусловленное тепловым пробоем, сопровождающимся разрушением пленки.

Влияние технологических факторов на оптические свойства БР-содержащих полимерных пленок. Исследовано изменение пропускания (рис.а24,аа) и чувствительности (рис.а24,аб) БР-содержащих полимерных пленок при нагревании.


(а)	(б)
Рис.а24. Обратимые изменения БР-содержащих полимерных пленок под действием температуры: а)апропускание; б)ачувствительность.

Нагретая до (25Ц95)а0,5С) БР-содержащая полимерная пленка подвергалась воздействию (0,25-20ас) излучения HeNe-лазера с Ра=а300амВт/см2. Установлено, что при нагревании пропускание образцов изменяется: при а=а565анм увеличивается >20%, а при а=а410анм уменьшается почти на 10% при температуре 95С. Чувствительность БР уменьшается на обеих длинах волн почти в 5араз, причем на длине волны 565анм - быстрее.

Восстановление чувствительности и пропускания БР-содержащих полимерных пленок после длительного нагревания. Предварительно осуществлялась оценка чувствительности образцов на длине волны а=а570анм при воздействии излучения HeNe-лазера с Ра200амВт/см2. БР-содержащие полимерные пленки выдерживались при температуре 60Ц80С в течение 30 мин, а затем охлаждались до 22С. В начальный момент после нагрева наблюдалось падение чувствительности, а затем, по мере остывания и 30минутной выдержке - полное восстановление свойств БР. Необратимое уменьшение чувствительности начиналось при 90С. После 30-минутной выдержки при 130С и охлаждения до 22С чувствительность БР-содержащих пленок составила 50%, а после 30аминут при 140С - 15% от начальной.

Изменение поглощения и чувствительности БР-содержащих полимерных пленок после воздействия УФ-излучения (рис.а25). В процессе изготовления многослойных структур БР-содержащие полимерные пленки подвергаются действию интенсивного УФ-излучения. Определена максимально допустимая экспозиция, при которой необратимые изменения в БР не приводят к существенному уменьшению чувствительности.

Рис.а25. Необратимые изменения поглощения (T) и чувствительности (f) БР-содержащих полимерных пленок под действием УФ-излучения.

Установлено, что совместное воздействие температуры и УФ-излучения ускоряет процесс разрушения БР. Для устранения теплового нагрева пленок БР применялись теплоотводящий подложкодержатель и светофильтр УФС5 толщиной 5амм. Результаты испытаний показали, что при экспозиции УФ-излучения 20аДж/см2 чувствительность БР-содержащих полимерных пленок при а=а565анм падает по сравнению с необлученными пленками в 1,6араза, а при экспозиции 200аДж/см2 - более чем в 2,5араза. Экспозиция УФ-излучения 600аДж/см2 приводит к снижению поглощения в 3араза, а чувствительности - в 10 раз. Предельно допустимой экспозицией УФ-излучения следует считать, по-видимому, 10аДж/см2, при которой уменьшение чувствительности составляет 20%.

Определение функциональных характеристик БР-содержащих полимерных пленок при нормальных условиях эксплуатации. Исследована рабочая область плотности мощности излучения для а=а630анм и а=а530анм. Установлен порог чувствительности БР-содержащих полимерных пленок 0,1амВт/см2. Максимальная использованная Ра=а400амВт/см2 на а=а630анм приводила к нагреву образцов на 3-4С за время измерения (5-6ас). При Ра=а100амВт/см2 (а=а630анм) пропускание БР на а=а570 и 610анм увеличивается в 4,5 и 3араза соответственно, а при а=а410анм - уменьшается в 2,5араза по сравнению с пропусканием необлученного БР. Рабочая область Р: 1100амВт/см2 для а=а630анм и 0,25Ц30амВт/см2 на а=а530анм.

Исследованы временные характеристики изменения пропускания тестирующего излучения (при а=а370-610анм) БР-содержащими полимерными пленками при включении и выключении излучения HeNe-лазера (Ра100амВт/см2). Длительность облучения менялась от 0,25 до 50ас. В спектральной области 370Ц450анм при действии излучения лазера увеличивалось поглощение тестирующего излучения (максимально - вблизи 410анм); в области 455Ц460анм изменений не наблюдалось; в области 460Ц610анм увеличивалось пропускание тестирующего излучения (наиболее сильно вблизи 570анм). В кривых фотоотклика наблюдаются фазы быстрого (десятые доли секунды) и медленного (десятки секунд) роста (и спада) пропускания.

Проведена оценка увеличения контраста амплитудной картины светового фронта, проходящего через БР-содержащую пленку, обусловленного ростом пропускания образца на длине волны 630анм при увеличении Р лазерного излучения. В рабочей области контраст g определяется соотношением Р1 и Р2 в двух разных участках на поверхности БР-содержащей среды:

gа=а|(Р1а-аР2)/(Р1а+аР2)|. После прохождения световым фронтом БР-содержащего слоя контраст изменяется от исходного 0,82 (для Р1а=а100амВт/см2 и Р2а=а10амВт/см2) до 0,84.

Метод комплексной оценки функциональных параметров материалов на основе БР. Для оптимизации экспериментальных исследований функциональных параметров пленок БР разработана математическая модель фотозависимых процессов и определен характеризующий чувствительность материалов на основе БР, k570(t) - коэффициент фотоиндуцированного перехода молекул БР из основного состояния БР570:

где N1аЦаконцентрация БР570, N2аЦаконцентрация М412, N0а=аN1а+аN2аЦаобщая концентрация молекул БР.

Предложенный метод комплексной оценки основан на кинетическом уравнении, отражающем распределение концентраций между молекулами в состояниях БР570 и М412:

где σ1аЦасечение поглощения БР570 (на длине волны воздействующего излучения); А1аЦаквантовый выход фотореакции; РаЦаплотность мощности воздействующего излучения; τаЦавремя жизни М412; hаЦапостоянная Планка; νаЦачастота возбуждающего света.

На основании закона БугераЦЛамбертаЦБера с учетом фотоиндуцированного изменения концентрации N1 и N2 получено выражение, позволяющее рассчитать значение k570(t) из экспериментальных данных регистрации изменения пропускания пленками БР тестирующего излучения λа=а570анм при освещении возбуждающим излучением:

, где I0аЦаинтенсивность падающего тестирующего излучения, I1аЦаинтенсивность прошедшего тестирующего излучения в отсутствии возбуждающего излучения, I(t)аЦаинтенсивность прошедшего тестирующего излучения при действии возбуждающего излучения в момент времени t.

Из тех же экспериментальных данных на основе решения уравнения, отражающего распределение концентраций между молекулами в состояниях БР570 и М412, для производной в точке tа=а0 (начало действия возбуждающего излучения) может быть получена оценка квантового выхода А1, а для производной в точке tа=аt*(окончание действия возбуждающего излучения) - оценка τ. Для получения сравнительной количественной характеристики функциональных свойств материалов на основе БР расчет k570(t) проводился для момента окончания действия возбуждающего излучения на λа=а530анм, Ра=а23,2амВт/см2 с длительностью импульса 10ас.

Для проведения комплексной оценки функциональных параметров БР-содержащих материалов на основе определения k570(t) создана специализированная установка.

Исследование функциональных параметров пленок БР с модифицированной хромофорной частью. Замена хромофорной части приводит к значительным изменениям в спектре БР и кардинальным образом влияет на фотохимические и фотоэлектрические свойства материала. На рис.а29 приведены структурные формулы хромофорных частей и спектры оптического поглощения ряда БР с модифицированной хромофорной частью.

Для пленок БР штамма ЕТ1001 и D96N k570(t)а=а0,25-0,3. Для образцов, полученных из БР штамма JW5а+а4-оксоретиналь, после окончания действия возбуждающего излучения значение k570(t) остается на постоянном уровне 0,35. Это свойство может быть использовано при создании элементов памяти, в которых начальное состояние можно принять за логический л0, а полученное под действием света на λа=а530анм - за логическую л1. Для пленок БР с 3,4-дидегидроретиналем получены временные зависимости k570(t), схожие с зависимостями, определенными для материалов с природным ретиналем, но с заметно худшими значениями k570(t)а<а0,2.

Рис.а29.аСтруктура хромофорной части природного БР, ее модификации и спектры оптического поглощения БР ET1001 с различными хромофорными частями. 1 - ЕТ1001; 2 - ЕТ1001+3,4дидегидроретиналь; 3 - ЕТ1001+4оксоретиналь.

Исследование функциональных параметров пленок БР, модифицированных бифункциональными молекулами и аминокислотами. В результате исследований немодифицированных пленок БР установлено, что значения k570(t) сразу после получения лежат в диапазоне 0,5Ц0,7 и за 3Ц5ач снижаются до 0,2. Вероятно, в первоначально сформированных пленках молекулы БР образуют структуру, которая со временем разрушается. Возможным решением является создание дополнительных связей (ковалентных или водородных) между молекулами белка при использовании химических реагентов.

Исследовано влияние С6H8N2 на свойства пленок БР штамма ЕТ1001. Образцы БР:С6H8N2а=а1:3, 1:6 и 1:9 характеризуются повышенными значениями k570(t) (0,35-0,5) по сравнению с немодифицированными пленками (0,25-0,33) в течение 12асут.

Изучено влияние С5H8O2 на свойства пленок БР. Для щелочного катализа реакции образования связей между аминогруппами лизина молекул БР и альдегидными группами С5H8O2 (основания Шиффа) в исходную суспензию вводился Na2B4O7 в соотношении БР и Na2B4O7 1:100. Образцы БР:С5H8O2а=а1:5 имеют наиболее высокие значения k570(t)а=а0,35, в то время как БР:С5H8O2а=а1:10аиа1:30 меньшими (k570(t)а=а0,31), что объяснятся высоким содержанием продукта окисления С5H8O2 атмосферным О2 (глутаровой кислоты), частично разрушающего молекулы БР. Была исследована динамика изменения значений k570(t) для пленок БР:С5H8O2 в течение года. Образцы БР:С5H8O2а=а1:5 сохраняют высокие значения k570(t)а≥а0,35 на протяжении 120асут. Спустя 330асут. для всех образцов БР:С5H8O2 k570(t)а=а0,3.

Получены пленки БР:С2Н5NO2, БР:С6Н13NO2 и БР:С6H14N2O2а=а1:1а-а1:25. Пленки БР:С6H14N2O2 были оптически прозрачными и однородными. Образцы на протяжении не менее 50асут стабильно сохраняли более высокие значения k570(t) (0,45-0,50) по сравнению с контрольным образцом (0,15-0,2).

Строение пленок БР. Зависимость между изменением строения и функциональными параметрами пленок БР в процессе эксплуатации. Исследовались пленки БР и БР:С6H14N2O2. Методом спектроскопии комбинационного рассеивания (спектрометр S3000, InstrumentsаSA, для возбуждения использовался Ar-лазер с λа=а514,5анм) показано, что структура молекул БР в пленках сохраняется. Морфология поверхности пленок исследовалась методом растровой электронной микроскопии (РЭМ, установка CARLаZEISSаLEOа1430аVP). Для обеспечения отвода заряда с поверхности пленок на них методом магнетронного распыления наносили проводящее покрытие из Ti толщиной <90анм. На рис.а26, а представлены результаты РЭМ. Структура пленок БР состоит из участков с определенной упорядоченностью - доменов, которые разделены междоменными границами. Прямолинейный характер границ позволил предположить, что домены имеют кристаллическую структуру, образованную БР.

Рис.а26. а)аСтроение пленки БР толщиной 9амкм, сформированной на подложке из стекла К-8 (центральная область) (РЭМ). б)аСхема направления сколов при образовании доменов в пленках БР. в) Диаграмма распределения углов сколов доменов в пленках БР.

На основании анализа снимков РЭМ построена диаграмма распределения углов между прямолинейными границами контура доменов (рис.а26,ав). Предпочтительными углами скола доменов являются 60, 90 и 120. Так как молекулы БР образуют белково-липидный комплекс с гексагональной упаковкой, так называемые пурпурные мембраны (ПМ), то такое распределение углов подтверждает, что домены образованы молекулами БР. Раскол пленок происходит по липидной фазе (рис.а26,аб).

Методом атомноЦсиловой микроскопии (АСМ, микроскопы СММ-2000Т и SOLVERаNTMDT) выявлены специфические особенности центральной и периферийной областей. Центральная область пленок имеет шероховатую поверхность с размером бугорков от 50 до 150анм. Среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) на поверхности пленок, измеренное по профилограмме, не превышает 20анм, а высота неровностей профиля по 10 точкам (Rz) - 30анм.

На рис.а27, а, б показаны особенности строения пленок БР:С6H14N2O2. На поверхности пленок, исследованных через 60асуток эксплуатации (облучение лазером на λа=а532анм и с плотностью мощности 23,2амВт/см2), становятся заметными протяженные образования длиной не менее 5амкм, шириной 20Ц25анм и высотой 2Ц3анм (рис.а27, б). Главным компонентом протяженных образований являются молекулы или агрегаты С6H14N2O2.

а) б)

Рис.а27. Морфология поверхности пленки БР:С6H14N2O2 толщиной 6амкм (АСМ): а) сразу после приготовления; б) после эксплуатации в течение 60асуток.

Результаты АСМ подтверждаются данными исследования пленок просвечивающей электронной микроскопией (микроскоп JEMа200CХ) методом платиноугольных реплик. Исследованы свежеизготовленные пленки БР и БР:С6H14N2O2, а также образцы после эксплуатации в течение 80асут. Для немодифицированных пленок БР характерно хаотическое расположение ПМ с размерами <200анм. Поверхность пленки БР:С6H14N2O2а=а1:25 представляет собой ориентированное наслоение ПМ с размерами 0,2-1амкм и толщиной 5-10анм. Пленки БР:С6H14N2O2 обладают более высокими значениями k570(t) по сравнению с немодифицированными образцами. Разрушение структуры модифицированных пленок БР приводит к миграции молекул вещества-модификатора к поверхности. Спустя 80асут для образца БР:С6H14N2O2а=а1:25 наблюдается увеличение светорассеивания и уменьшение значений k570(t) (рис.а28), связанные с формированием на поверхности пленки протяженных образований С6H14N2O2. Рассмотрены возможные механизмы указанного процесса.

а) б)

Рис.а28. Зависимость функциональных свойств от строения пленок БР:С6H14N2O2а=а1:25: а)апосле приготовления; б)апосле 80асут. эксплуатации.

Для выяснения и исследования строения кристаллических фаз в пленках БР использована рентгеновская дифрактометрия (РД, установка ДРОН-3, графитовый монохроматор, Cuаk-излучение). Изучены пленки БР и БР:С6H14N2O2 штамма D96N. На дифрактограмме пленки БР:С6H14N2O2 штамма D96N присутствуют отражения, показывающие упорядоченное расположение молекул в пленке. Отражения возникают от наслоения друг на друга фрагментов ПМ. Размер областей когерентного рассеивания рентгеновского излучения составлял ~37,5анм, что позволяет предположить, что упорядоченная структура образована элементами, содержащими 7аПМ (межплоскостные расстояния d/nа=а7,1150анм и 3,5786анм). На дифрактограммах пленок БР:С6H14N2O2 со сроком эксплуатации 4амесяца отражений не обнаружено.

Для определения элементного состава сформированных пленок на основе БР применялся метод рентгеноспектрального микроанализа (установка Camebax Microbeam, Cameca Microprobe). Приведены диаграммы распределения элементов в пленке БР:С6H14N2O2а=а1:25. Элементный состав для всех исследованных пленок на основе БР был одинаковым. Основу сформированных пленок составляют С, О, N. Отмечено, что в периферической области обнаружены S, P и Ca. Перераспределение компонентов по поверхности происходит вследствие миграции несвязанных молекул фосфолипидов и сульфогликолипидов, содержащих S и P, в периферическую область. Такой же механизм имеет место и для ионов Ca2+. Сигналы Al, Si, Na, Mg возникают от материала подложки. Приведены количественные измерения содержания C, O и N, полученные для подложки из стекла К-8 и сформированной на ней пленки БР:С6H14N2O2а=а1:25.

Встроенные в многослойные структуры дифракционные решетки. Исследовались параметры (период, глубина модуляции решетки и профиль) реплик дифракционных решеток (ΛL= 400, 600, 700, 800 нм), встроенных в планарные волноводы и получаемых методом репликации и фотоотверждения в полимерных материалах, а также оценивались наличие, количество и размеры дефектов. Исследования осуществлялись на АСМ Solver Pro и Аgilent 5400 в контактном (для размеров исследуемых областей 10×10 мкм, 55 мкм и 22 мкм) и акустическом (для размеров 4040амкм) режимах. Перед каждым измерением проводилась калибровка по сертифицированной мере.

Дефекты реплик, как правило, обусловлены дефектами матрицы дифракционной решетки и имеют характерные размеры 0,6Ц1,3амкм при допустимом размере дефекта 2,5амкм (рис.а30, 31). Суммарная площадь дефектов <4104% от общей площади дифракционной решетки и не влияет существенно на эффективность ввода и вывода излучения. Отклонение периода реплики от периода матрицы решетки лежит в диапазоне 57% при допустимом значении 8% и связано с усадкой в процессе репликации.

а)

б)

Рис.а30. Трехмерная реконструкция АСМ-изображения (а) и профиль (б) дифракционной решетки с Λа=а800анм (область сканирования 10×10амкм).

Рис.а31. АСМ-изображение реплики дифракционной решетки с Λа=а800анм (область сканирования 40×40амкм). Области дефектов промаркированы белой границей.

Глубина модуляции решеток составляет 25%Ц41% от ΛL, что характеризует их как решетки с сильной связью (рис.а32). Отклонение профиля от синусоидальности (рис.а33) обусловлено несовершенством матрицы. Измеренные параметры дифракционных решеток (период, дефектность) подтверждаются экспериментальными данными, полученными методом РЭМ.

а)

б)

Рис.а32. АСМ-изображение (а) и профиль (б) реплики дифракционной решетки с Λа=а800анм (область сканирования 5×5амкм).

а)

б)

Рис.а33. АСМ-изображение (а) и профиль (б) реплики дифракционной решетки с Λ=800анм (область сканирования 2×2амкм).

В пятой главе рассмотрены технологические методы получения многослойных волноводных структур на основе композитных материалов для оптической нейросетевой обработки информации и 3D запоминающих устройств, контроль модового состава.

Обеспечение технологической совместимости при формировании многослойных структур. Решены проблемы, возникающие вследствие разных адгезионных свойств материалов, и задачи согласования функциональных и технологических требований к спектральным характеристикам различных слоев.

Обеспечение адгезии между подложкой, на поверхности которой находятся гидрофильные силоксановые группы (HOSi), и пленкой БР, гидрофобного белка, достигалось формированием методом центрифугирования промежуточного адгезионного слоя из 1%,амасс раствора мочевино-формальдегидной смолы (Мч-163) в о-ксилоле. Отверждение пленок Мч-163 (толщина <150анм, интерференционный микроскоп МИИ-4, ЛОМО) проводилось при 50С в течение 20амин.

Для обеспечения адгезии между подложкой и пленками на основе термически необратимых дигетарилэтенов в полимерной матрице из поливинилкарбазола, формируемых методом центрифугирования, а также адгезии между подложкой и граничными слоями с использованием сополимеров на основе поликарбонатметакрилата и полиперфторгептилакрилата, которые формировались методом радикальной полимеризации при действии УФ-излучения, использовался промежуточный слой адгезионного вещества. Промежуточный слой толщиной <100анм (интерференционный микроскоп МИИ-4, ЛОМО) получали методом полива из 0,01%,амасс раствора метакрилоксипропилтриэтоксисилана в смеси воды и изопропилового спирта в соотношении 1:1. Отверждение проводилось при 40С в течение 1амин.

Для формирования граничных слоев планарных волноводов использовались формообразующие поверхности (в т.ч. матрицы дифракционных решеток), позволяющие осуществлять отверждение под воздействием УФ излучения в отсутствии кислорода (ингибитора процессов радикальной полимеризации). Решена задача по уменьшению адгезии между полимером граничного слоя планарного волновода и формообразующей поверхностью, которая предварительно выдерживалась последовательно в атмосфере паров раствора смеси диметилдихлорсилана (2%,аобъем) и триметилхлорсилана (3%,аобъем) в абсолютированном гексане и в атмосфере паров воды. Каждая стадия занимала 5амин. Кремнийорганические вещества, адсорбируемые на формообразующей поверхности, гидролизуются под воздействием воды и образуют гидрофильные силоксановые группы.

Для повышения адгезии между слоями фотополимеров и БР-содержащей пленкой формируется слой на основе поливинилбутираля в этилцеллозольве. Указанный адгезионный слой выполняет также и защитные функции. Незащищенная БР-содержащая пленка разрушается при длительном (>20амин) воздействии температуры >40С, а защищенная - сохраняет свои строение и свойства при нагревании до 70С и способна восстанавливать свойства после нагрева до 90С. Толщина адгезионного слоя составляет 0,4амкм. Пленка наносится поверх БР-содержащего слоя на центрифуге при 8000аоб/мин и затем отверждается (50С, 10амин). Установлено, что воздействие на БР-содержащую полимерную пленку экспозиции УФизлучения >3аДж/см2 ведет к снижению чувствительности >10%. Снижение экспозиции УФизлучения в процессе изготовления многослойной структуры достигается частичной полимеризацией слоев. Экспозиция УФизлучения, необходимая для полного отверждения, накапливается по мере полимеризации надстраиваемых слоев. Таким образом, суммарная экспозиция УФизлучения, необходимая для формирования трех полимерных слоев плоского волновода, может быть снижена до 1,5аДж/см2.

Материалы, выбранные для формирования граничных (поликарбонатметакрилат или сополимер на основе поликарбонатметакрилата и полиперфторгептилакрилата) и центрального (поливинилкарбазол или полиметилметакрилат) слоев, имеют достаточно высокую разницу значений показателя преломления и удовлетворительную адгезию между слоями.

Решена задача получения в едином конструктиве пленок БР и волноводных слоев с заданным количеством мод. Создана установка для контроля модового состава и эффективности ввода-вывода излучения в многослойных структурах. Модовый состав волноводов (рис.а34) для различных толщин центрального слоя исследовался на λа=а530анм.

Рис.а34. Модовый состав волноводов с толщиной слоя поливинилкарбазола: а) 200анм; б) 250анм; в)а400анм; г) 500анм; д) 2000анм.

Подбор комплекса материалов и композиционных составов, удовлетворяющих требованиям по согласованию технологических (отверждение в присутствии фотоинициатора под действием излучения в диапазоне 370410анм) и функциональных (область чувствительности к записывающему излучению 330Ц360анм, фотоиндуцированное возбуждение флуоресценции в пределах 420Ц460 нм, область флуоресценции - 500Ц560анм) спектральных характеристик, обеспечил технологическую совместимость слоев различного назначения и состава структур для 3D оптической памяти. Экспериментально установлено, что вещества класса хромонов демонстрируют наиболее высокую фотоиндуцированную люминесценцию в полиметилметакрилате (ПММА), что определяет материал матрицы для центрального волноводного слоя. На основании этого решена задача по подбору полимерных композиций для граничных волноводных слоев таким образом, чтобы были значительными скачок показателя преломления между слоями, адгезия между полимерами, формирующими слои, а также подходящая вязкость для формирования пленок с контролируемой толщиной. Экспериментально определен оптимальный состав фотополимерной композиции для формирования граничных слоев волновода: олигокарбонатметакрилат (64%, масс), 1Н,1Н-перфторгептилакрилат (35%, масс) и фотоинициатор Darocurа4265 (1%, масс). Данная полимерная смесь позволяет получить скачок в показателе преломления 0,033 по отношению к ПММА, имеет вязкость на уровне ηа=а1450амПа⋅с, позволяющую формировать пленки толщиной 30Ц40амкм без дополнительных технических приспособлений, а применение фотоинициатора Darocurа4265 дает возможность возбуждать процессы фотополимеризации на λа=а395±20анм вне области поглощения хромона и позволяет избежать разрушения функционального вещества при формировании граничных волноводных слоев.

Разработанные методы получения БР-содержащих полимерных пленок, планарных волноводов со встроенными дифракционными решетками, слоев на основе синтетических фотохромных соединений применялись в различных сочетаниях для изготовления многослойных структур.

В шестой главе рассмотрены результаты исследований компонентов на основе многослойных структур в составе прототипов устройств и определены их эксплуатационные характеристики.

Исследования компонентов на основе многослойных структур с использованием бактериородопсина. Выполнена экспериментальная оценка ресурса полимерных БР-содержащих пленок в составе многослойных структур для нейросетевой обработки информации; определены эксплуатационные характеристики многослойных структур на основе БР применительно к задачам нейросетевой обработки, защиты ценных бумаг и товарных маркировок от подделки, а также использование БР-содержащих структур в качестве индикаторов уровня солнечной освещенности; рассмотрено применение для информационных систем БР-содержащих слоистых структур в качестве компонентов с голографическими свойствами.

Результаты испытаний БР-содержащих полимерных пленок в многослойных структурах. Исследовано совместное воздействие УФ-излучения и излучения HeNe-лазера на БР-содержащие полимерные пленки. Облучению подвергались образцы, имевшие начальное пропускание 20% при а=а565анм. В экспериментах по совместному воздействию излучений использовались источник УФ-излучения с Ра6амВт/см2 в спектральном диапазоне 310Ц390анм и HeNeЦлазер непрерывного действия с плотностью мощности, постоянной в течение одного эксперимента и составляющей 50, 100, 200, 300 и 600амВт/см2. Экспозиция УФ-излучения была всегда одинаковой - 5аДж/см2. Обнаружено необратимое увеличение оптического пропускания БР с ростом экспозиции излучения лазера от 300адо 3600аДж/см2, составившее от 3 до 7%, соответственно, сверх того, что обусловлено действием только УФ-излучения (7%).

Оценка ресурса полимерных БР-содержащих пленок в многослойных структурах. Для исследований длительного воздействия при 2224С лазерного излучения на БР-содержащие полимерные пленки (рис.а35) использовалось излучение с а=а630анмаи Ра0,6аВт/см2 в пятне диаметром 3амм. Среднее время облучения образца - 7ач в сутки, что соответствует экспозиции 15акДж/см2. Максимальная экспозиция составила 370акДж/см2.

Рис.а35.аИзменения пропускания (F) и чувствительности (f) БР-содержащих полимерных пленок при длительном воздействии лазерного излучения.

Изменение на λа=а565анм пропускания и чувствительности к импульсному воздействию излучения HeNe-лазера с Ра200амВт/см2 определялись сравнением с необлученным участком исследуемой пленки. Отмечено, что при экспозициях >100акДж/см2 увеличивается пропускание и уменьшается чувствительность. При экспозиции 370акДж/см2 (>200ач облучения) пропускание при а=а565анм возрастает на 30%, а чувствительность падает на 50%. При указанной рабочей Ра=а25амВт/см2 экспозиция облучения 370акДж/см2, при которой чувствительность уменьшится на 50%, будет достигнута через 4000ачас.

Исследовано совместное воздействие излучения НеNе-лазера и нагревания на БР-содержащие полимерные пленки в многослойных структурах. Отмечено, что совместное действие нагрева и излучения лазера вызывает увеличение оптического пропускания БР-содержащих полимерных пленок по сравнению с результатом действия только нагревания. Снижение чувствительности БР-содержащих полимерных пленок на 50% является, по-видимому, предельно допустимым. Эксперименты по исследованию влияния совместно действующих факторов излучения лазера и термического воздействия показали, что уменьшение Р излучения в 10араз (от 500 до 50амВт/см2) при одинаковой экспозиции облучения снижает разрушающий эффект от воздействия лазерного излучения вдвое. Исходя из того, что средняя плотность мощности излучения, воздействующего на БР-содержащие полимерные пленки в процессе эксплуатации, составляет 25амВт/см2 (примерно в 20араз меньше использованной в эксперименте), допустимая экспозиция излучения в процессе эксплуатации может быть значительно больше экспериментальных 370акДж/см2. Кроме того, БР частично восстанавливает первоначальные свойства по пропусканию и чувствительности после выдержки при температуре 22-24С. Все это дает основания считать, что в предполагаемых условиях эксплуатации ресурс БР-содержащих полимерных пленок составит >104 ачас. На основании экспериментальных результатов найдено значение энергии активации Eаа=а1,1а0,05аэВ для БР-содержащих полимерных пленок на λа=а630анм.

Исследования по определению эксплуатационных характеристик многослойных структур на основе БР применительно к задачам нейросетевой обработки информации. Измеренная длительность фотоиндуцированных фотохромных изменений локальных значений показателя оптического поглощения/пропускания на 5% составила 102Ц101с, что для исследованных образцов, содержащих встроенные в планарные волноводы дифракционные решетки ввода/вывода излучения, формирующие световые фронты (55амм2), воздействующие на функциональные БР-содержащие пленки (толщина 50амкм), обеспечивает формирование функциональных нейроподобных элементов в количестве 104Ц105 в 1амм3 при темпе взаимодействия 107Ц108асвязей в секунду.

Исследование макетных компонентов с голографическими свойствами. Оптическое разрешение для пленок БР штамма D96N составило 1000алин/мм, а для пленок БР в желатиновой матрице - 500алин/мм. Для сравнительной оценки голографических характеристик макетных элементов на основе БР определялась эффективность самодифракции, т.е. отношение значения мощности света в первом дифракционном порядке к значению суммарной мощности (60амВт/см2) света интерферирующих лучей. Отмечено, что при равных условиях более высокую эффективность демонстрируют материалы с большими значениями k570(t).

Рис.а36.аХарактерная кривая временной зависимости интенсивности излучения, дифрагирующего в первый порядок (1аЦамомент открытия затвора, 2аЦамомент закрытия затвора; tдаЦавремя жизни дифракционной решетки).

Установлено, что время жизни динамической дифракционной решетки (длительность сигнала на полувысоте tд (рис.а36)) уменьшается при увеличении мощности падающих интерферирующих лучей (от 0,3ас при Ра=а25амВт/см2 до 0,04ас при Ра=а176амВт/см2). С увеличением плотности мощности время нарастания сигнала (с уровня 0,1 до уровня 0,9) уменьшается от 1ас (при Ра=а6амВт/см2) до 0,085ас (при Ра=а60амВт/см2). В качестве примера применения на пленке БР зарегистрирована голограмма прозрачного объекта (мирры) (рис.а37).

Рис.а37. Восстановленное изображение мирры (после прекращения записи) через: а) 1ас; б) 5ас;а в)а10ас; г) 15ас; д) 20ас.

Как следует из динамики изменения контрастности изображения (для лазерного пучка с Ра=а5,7амВт/см2), яркость и контрастность, достаточные для считывания ПЗС-камерой, сохраняются в течение 15ас. Также получены голограммы непрозрачных объектов в режиме записи на отражение с тем же характерным временем жизни 15ас.

Таким образом, экспериментально подтверждена перспективность использования многофункциональных слоистых структур на основе БР для получения голографических интерферограмм в реальном масштабе времени, предварительной обработки изображений, а также записи, хранения и преобразования данных в информационноЦизмерительных устройствах и приборах электронной техники.

Исследования по определению эксплуатационных характеристик многослойных структур на основе БР применительно к задачам защиты ценных бумаг и товарных маркировок от подделки выполнялись на специально разработанном и изготовленом макете устройства для автоматической идентификации защитных меток, нанесенных на прозрачную (пластик), зеркально отражающую (металлизированную) или рассеивающую (бумага) основу. Достигнутое время надежного приборного распознавания, в зависимости от композиционного состава БР-содержащего слоя, лежит в диапазоне 1,00,01ас, что обеспечивает соответствие темпу работы серийных аппаратов для счета банкнот. Установлено: для приборных методов определения достаточно пленки толщиной 3амкм, площадью 1амм2, при расходе БР 5амкг. Экспериментально подтверждена возможность применения композиционных материалов на основе БР в составе штрихЦкода, а так же визуальной идентификации.

Исследования по определению эксплуатационных характеристик многослойных структур на основе БР в качестве индикаторов уровня солнечной освещенности. На имитаторе солнечного освещения исследовались макетные образцы, изготовленные в двух вариантах исполнения (на бумажной и стеклянной основах), обеспечивающих возможность сопоставления результатов визуального и приборного методов. Индикатор (рис.а38,а39) представляет собой размещенный на едином носителе набор многослойных структур, обратимо изменяющих цветовые характеристики под воздействием (30ас) светового потока, соответствующего солнечному по спектральному составу, со следующими значениями плотности мощности 25аВт/м2, 50аВт/м2, 100аВт/м2, 150аВт/м2 и 200аВт/м2.


	Рис.а39.аСхематическое изображение индикатора на бумажном носителе. 1 - бумажная основа; 2 - клеящая основа; 3 - влагонепроницаемая пленка; 4 Цадгезионный слой; 5 - БР-содержащие слои; 6 - вспомогательный слой; 7 - слой ламината.
Рис.а38.аВнешний вид индикатора солнечной освещенности.

Соответствие уровню освещенности определяется характерным для каждой композиции значением времени жизни интермедиата М412 и достигается введением соответствующего количества модификатора (Na,K)2SiO3-x. Фотоиндуцированное изменение соотношения концентраций интермедиатов М412 и БР570 приводит к изменению пропускания в полосе 500680анм. Оптимальные результаты получены на установке PROLAMIC100 при ламинировании (80C, скорость прокатки 37асм/мин) с использованием полиэстера толщиной 175анм.

Разработка нацелена на создание недорогих надежных легких малогабаритных индикаторов, обеспечивающих оперативную оценку текущего уровня солнечной освещенности и призвана помочь потребителю при подборе солнцезащитного средства.

Исследования компонентов на основе многослойных структур с использованием синтетических фоточувствительных соединений. Выполнена экспериментальная оценка ресурных параметров многослойных структур на основе синтетических фоточувствительных соединений для трехмерной оптической памяти; определены углы ввода излучения в систему волноводов для дифракционных решеток с разным периодом и экспериментально подтверждена возможность независимого ввода излучения в заданные волноводы многослойных структур через дифракционные решетки, расположенные непосредственно друг над другом; определены геометрические параметры огибающей каустики фокусируемого излучения и пороговое значение плотности мощности двухфотонного поглощения используемого для записи материала; осуществлена оптическая запись информации в отдельные слои многослойных структур на основе двухфотонного поглощения; осуществлено параллельное считывание оптической информации из отдельных слоев многослойных структур.

Экспериментальная оценка ресурсных параметров многослойных структур на основе синтетических фоточувствительных соединений для трехмерной оптической памяти. Выполнены ускоренные испытания на безотказность и долговечность предусматривающие форсирование режимов, приводящих к интенсификации физических процессов без изменения основных механизмов отказов. Ускоряющим фактором для большинства механизмов отказов является повышенная температура. В нашем случае, когда стабильность интенсивности люминесценции определяется диффузионными процессами и скоростью химических реакций, разрушающих механизм люминесценции, температура является основным фактором. Из усредненных графиков зависимости интенсивности флуоресценции от времени для хромон-содержащих материалов, хранившихся при температурах 25С и 80С, получено значение энергии активации Eаа0,36аэВ и времени деградации (3алет) для комнатной температуры при допускаемом ослаблении интенсивности флуоресценции в два раза.

Экспериментальное определение условий независимого ввода излучения в отдельные заданные волноводы многослойных структур через дифракционные решетки, расположенные непосредственно друг над другом. Экспериментально показано: если угол ввода отличается на ≥1о от резонансного для данной дифракционной решетки, интенсивность паразитного излучения, проникающего в волноводы, расположенные на пути потока излучения, составляет <0,1% от интенсивности излучения, введенного в адресуемый волновод. В этом случае между углами ввода 23оЦ53о с шагом 1о можно разместить 30 вариантов дифракционных решеток. Выявленные ограничения по шагу угла ввода и количеству слоев обусловлены отклонением формы практически используемых дифракционных решеток от синусоидальной, что подтверждается данными исследования профиля решеток на АСМ. Применение более совершенных дифракционных решеток позволит многократно увеличить число независимых по углу ввода волноводов. Кроме того, установлено, что увеличение модового состава в волноводе приводит к расширению углового диапазона ввода излучения до нескольких градусов, в связи с этим, применение одномодовых волноводов предпочтительнее.

Определено пороговое значение плотности мощности двухфотонного поглощения излучения на а=а680анм для композиционного материала на основе хромона, составившее Рпора3108аВт/см2. Экспериментально установлено, что оптическая система на базе микрообъектива х100 (ЛОМО хв0016) обеспечивает фокусировку излучения лазера в заданный слой с огибающей каустики представленной на рис.а41 и определяет требования к расстоянию между волноводными слоями 15амкм при толщине волноводного слоя порядка 1Ц2амкм.

Рис.а41.аГеометрические размеры области двухфотонного поглощения: протяженность 65амкм, максимальный (30амкм) и минимальный (10амкм) диаметры.

Оптическая запись информации в отдельные слои многослойных структур на основе двухфотонного поглощения излучения а=а680±10анм выполнена на образцах в виде системы одномодовых планарных волноводов. Состав центральных слоев - ПММА с показателем преломления 1,594 с добавками хромона (2%,амасс) при толщине 3амкм, граничные слои толщиной 20амкм образованы полимерной композицией с показателем преломления 1,457. Использован импульсный лазер с перестраиваемой частотой типа LF114 с титан-сапфитровым преобразователем CF125. Выбор слоя осуществляется путем перемещения микрообъектива с шагом 20амкм по нормали к плоскости многослойной структуры так, чтобы фокус располагался внутри светочувствительного слоя.

На основании экспериментальных данных выполнена оценка достижимых параметров двухфотонной записи. При использовании оптической системы на базе микрообъектива с апертурой 0,70,85, входным диаметром 2амм, рабочим отрезком (расстояние от поверхности объектива до фокуса) 0,5амм и откорректированного на сферическую аберрацию для а=а680анм и оптический путь 0,5амм в материале с показателем преломления nа=а1,5, размеры зоны двухфотонного поглощения составят: диаметр 1амкм, протяженность 5амкм, что обеспечит число слоев записи 100.

Считывание оптической информации из отдельных слоев многослойных структур выполнено путем задания угла ввода возбуждающего флуоресценцию излучения, оптимального для соответствующего индивидуального периода дифракционной решетки (12,5 для а=а0,4амкм; 36,0 для а=а0,6амкм; 56,2 для а=а0,8амкм). Излучение лазера ГКЛ50В на а=а442анм диаметром 2амм, плотностью мощности 200амВт/см2 падает на дифракционную решетку, распространяется по волноводу и поглощается молекулами хромона в тех точках, где он в результате записи переведен в состояние способное флуоресцировать (маха=а520анм). Излучение массива флуоресцирующих точек (рис. 42) отделяется светофильтром и фиксируется фотоприемной матрицей (параллельное считывание).

а)

б)

Рис.а42. Микрофотография (микроскоп МСП1) флуоресцирующих точек (а) и 3Dреконструкция флуоресцентного светового фронта (б).

Разработанный конструктив обеспечивает реализацию также режима двухфотонного последовательного считывания путем фокусировки микрообъективом импульсного излучения с а=а880анм в заданную точку функционального слоя, где ранее был записан бит информации. При условии, что плотность мощности сфокусированного излучения в этой точке превышает соответствующее пороговое значение плотности мощности двухфотонного поглощения, возбуждается флуоресценция.

Оценка эксплуатационных характеристик многослойных структур для 3D оптической памяти. Исследование образцов многослойных структур направлено на оценку эксплуатационных характеристик (плотности записи, скорости считывания и геометрических размеров области флуоресцентного считывания данных в параллельном режиме), а также дальнейшую оптимизацию конструкторско-технологических решений. С этой целью разработаны метод и установка для сравнения и отбора функциональных композиционных материалов на основе различных флуоресцирующих соединений, обеспечивающих максимально высокие плотность записи и скорость считывания при ограничении на вероятность ошибочного считывания бита информации Wer<104 (без применения специальных алгоритмов коррекции ошибок).

Исследовались образцы, представляющие собой систему планарных волноводов, каждый центральный хромонсодержащий слой которой полностью засвечен записывающим излучением а=а326анм (лазер ГКЛ-10У, 10амВт), и таким образом, переведен во флуоресцирующее состояние. С помощью такого образца, меняя коэффициент увеличения оптической системы установки, можно имитировать различные значения плотности записи информации (и). Использована фотоприемная матрица 25921944 на базе камеры PixeLink PL-B778G, имеющая диапазон выдержек 100амксЧ2ас на основе КМОП сенсора Aptina с размером пикселя 2,2амкмаа2,2амкм. Для каждого пикселя специальными измерениями определены среднее значение шума и стандартное отклонение, составившие, в частности, для зеленого канала (экспозиция 100амс), соответственно, =а10,6 и =а0,49.

Для ввода считывающего излучения (а=а442анм) использован лазер ГКЛ-50В мощностью 50амВт. Диаметр пучка в точке ввода 2амм, угол падения на дифракционную решетку а=а50,28о, плотность мощности 200амВт/см2. Позиционирование осуществлялось при помощи трехкоординатной платформы 8МТF2 и поворотной платформы 8М R151-1 фирмы Standa, Литва. Для подавления фоновой засветки матрицы фотоприемника рассеянным излучением на а=а442анм применялся фильтр ЖС18. На рис.а43 представлено цифровое изображение флуоресценции волноводного слоя, содержащего флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромона, полученное при условии: один записаный логический элемент (л0 или л1) проецируется на один пиксель матрицы фотоприемника.

Определены границы области считывания (рис. 43,аг), обусловленные, с одной стороны, локализацией фоновой флуоресценции неадресуемых функциональных слоев, через которые проникает возбуждающее излучение, не распространяющееся по адресуемому волноводу (200амкм от края пятна ввода), с другой стороны, уменьшением интенсивности возбуждающего излучения, распространяющегося в адресуемом волноводе, и соответствующим уменьшением интенсивности полезного сигнала флуоресценции до значения, недостаточного, чтобы обеспечить Wer<104. Считая, что регистрируемый сигнал имеет флуктуации много меньшие, чем собственный шум пикселей матрицы фотоприемника , условие Werа104 может быть представлено в виде: .

Рис.а43. а) Схематическое изображение процесса флуоресцентного считывания. Распределение интенсивности флуоресценции: 1 зарегистрированное матрицей фотоприемника, 2 вызванной возбуждающим излучением, распространяющимся вне волновода, 3 - вызванной возбуждающим излучением, распространяющимся в адресуемом волноводе; Х1, Х2 границы области считывания. б) Флуоресценция образца. в) Трехмерная реконструкция распределения интенсивности флуоресценции, отнесенной к шуму матрицы. г)аОбласть считывания (заштрихована).

Область считывания представляет собой трапецию с высотой 2,0амм и основаниями 0,8амм и 0,3амм, площадью Sа=а1,1амм2. Для исследованных образцов при времени экспозиции tа=а100амс, и площади бита информации 2амкм2 получено значение плотности записи иа=а0,5106абит/мм2. При толщине функционального информационного слоя планарного волновода 1амкм и толщине граничного слоя 20амкм объемная плотность записи - 2,5107абит/мм3, скорость считыванияа6106абит/c.

Анализ полученных результатов позволяет наметить пути повышения эксплуатационных характеристик многослойных структур для 3D оптической памяти. Совершенствование оптической системы записи позволит уменьшить толщину граничных слоев до 5Ц10амкм, уменьшить размер записываемого бита до 0,5Ц1,0амкм и увеличить объемную плотность записи в 102Ц103араз. Расчеты показывают, что допустимое повышение Р возбуждающего излучения, введенного в волновод, и обусловленное этим повышение интенсивности флуоресценции приведет к снижению времени экспозиции не менее чем в 102араз и соответствующему увеличению скорости считывания. Комплекс конструктивных решений, связанных с использованием специализированных фотоприемных матриц, оптимизацией параметров излучения и оптических фильтров, позволят дополнительно увеличить скорость считывания в 10араз.

Основные результаты работы

1.аРазработаны технологии (комплект технологической документации (КТД) ФТЯИ.01201.00046):

Цаполучения прозрачных, оптически однородных суспензий с концентрацией БР до 15амг/мл с размером частиц не более 8,7±0,5анм;

Цаполучения оптически прозрачной БР-содержащей полимерной смеси, установлено, что значение рН в полимерной смеси не должно быть меньше 4,1;

Цаизготовления оптически однородных БР-содержащих полимерных слоев с заданными геометрическими характеристиками (площадь до 3асм2, толщина 614амкм), оптической плотностью (0,81,3ана а=а570анм) и динамическими фотохромными свойствами, а также повышенными, за счет введения в них модифицирующих химических соединений, чувствительностью (1,5-2араза) и стабильностью (8-10араз).

2.аИсследовано влияние параметров процесса получения (БР-содержащих полимерных пленок и пленок на основе гибридных наноструктур) на фазовый состав и строение фаз (белок и полимер). Установлено распределение между фазами БР-содержащих полимерных пленок примесей металлов (Cu, Ba и Pb), вводимых в процессе изготовления.аИзучены электрические и оптические свойства (температурная зависимость электропроводности, показатель преломления и другие) БР-содержащих полимерных пленок, сформированных на подложках из различных материалов. Установлена зависимость между изменением строения и функциональными характеристиками пленок БР в процессе их эксплуатации.

В результате проведенных исследований строения и свойств полученных БР-содержащих полимерных пленок установлено:

Царазработанная технология позволяет без разрушения белка БР встраивать минимальные белковые комплексы в полимерные среды, способные формировать оптически однородные пленки;

Цадля полученных БР-содержащих полимерных пленок неоднородность толщины по поверхности подложки (<50анм на длине 10амм) при толщине пленки более 5амкм составляет <1%, отклонение от среднего значения по распределению концентрации БР не превышает 3%,аобъем;

Цазависимость пропускания БР-содержащих полимерных пленок от энергии оптического воздействия и времени, а также связанная с изменением пропускания величина контраста амплитудных характеристик светового фронта. Рабочая область значений плотности мощности лежит в пределаха1Ц100амВт/см2 на а=а630анм и 0,25Ц30амВт/см2 на а=а530анм.

3.аИсследовано влияние параметров технологического процесса на изменение чувствительности и пропускания БР-содержащих полимерных пленок:

Цаполное восстановление свойств БР происходит после воздействия температур 6080оС, а необратимое уменьшение чувствительности начинается при температурах 90оС;

Цапредельно допустимая экспозиция УФ-излучения, вызывающая уменьшение чувствительности на 20%, составляет 10аДж/см2;

Цазначение энергии активации Еаа=а1,1±0,05аэВ процессов взаимодействия БР с излучением (λа=а630анм). При нормальных условиях ресурс БР-содержащих полимерных пленок составляет >104 час.

4.аРазработаны математические модели фотоиндуцированного изменения физико-химических характеристик материалов на основе БР, хромонов и светоизлучающих соединений - продуктов фотоперегруппировки хромонов, в зависимости от параметров воздействующего светового потока; введены комплексные параметры, характеризующие чувствительность материалов и обеспечивающие выбор оптимальных композиционных составов; созданы экспериментальные методики и установки для макетирования и отработки конструктивно-технологических решений.

5.аРазработаны технологии (патенты на изобретение №№ 2332697, 2332352, 2367512, 2364471) получения гибридных наноструктур и пленок с управляемыми спектральными характеристиками на основе использования БР, синтетических органических фотохромных (класс дигетарилэтенов) и светоизлучающих соединений (класса феналенонов), металлических (Au, Ag) и полупроводниковых (CdSe/ZnS) наночастиц, на основе механизмов специфического связывания и самоорганизации, обеспечиваемых подбором сшивающих молекул-спейсеров с различными линейными размерами и функциональными группами, а также фоточувствительных молекул-спейсеров класса дигетарилэтенов с фотоиндуцированным изменением взаимного положения функциональных групп.

Экспериментально установлено:

Цавзаимовлияние компонентов гибридной наноструктуры на их спектральные характеристики (положение максимумов и величину поглощения);

Цаусловия усиления или подавления люминесценции флуорофорных соединений, влияния на квантовый выход фотореакции и время жизни спектральных интермедиатов БР в зависимости от расстояния между функциональной молекулой и нанообъектом;

Цаусиление действия модифицирующих добавок на функциональные молекулы, в составе гибридных наноструктур;

Цаэффект обратимого фотоуправляемого изменения интенсивности люминесценции (на 1075%) гибридных структур на основе наночастиц CdSe/ZnS, за счет фотоиндуцированного изменения взаимного положения функциональных групп молекул-спейсеров класса дигетарилэтенов.

6.аПредложены и разработаны методы и базовые процессы для построения формальных нейронов и осуществления нейросетевых операций в БР-содержащих средах оптическими методами без промежуточных оптоэлектронных преобразований (патенты на изобретение и полезную модель №2165644 и №31023), а также предложены базовые процессы и конструктивно-технологические решения (патент на полезную модель №83626) по созданию многослойных структур для 3D оптических носителей информации, реализующих двухфотонные процессы записи данных и фотофлуоресцентное считывание, обеспечивающее обращение к любой произвольно заданной точке или области любого произвольно выбранного слоя регистрирующей среды и параллельный режим считывания.

7.аСозданы технологии и изготовлены многослойные структуры:

Цадля компонентов информационных систем и нейросетевых технологий (до 11аслоев), совмещающие элементы интегральной оптики, светоотражающие, волноводные и БР-содержащие полимерные слои и обеспечивающая сохранение функциональных свойств БР (КТД ФТЯИ.01201.00051);

Цадля 3D оптических носителей информации (до 15 слоев) совмещающие элементы интегральной оптики, волноводные полимерные слои и слои содержащие хромоны и флуоресцирующие продукты их фотоперегруппировки (КТД ФТЯИ.01201.00034 и ФТЯИ.01201.00007).

8.аСконструировано и изготовлено специальное технологическое оборудование для осаждения методами электронно-лучевого испарения и магнетронного распыления пленок различных материалов на многофункциональные слоистые структуры, содержащие БР, без нарушения функциональных свойств БР. Впервые разработаны технологии и оборудование для получения многофункциональных слоистых структур, включающих ориентированные слои БР и проводящие полимерные материалы, методами электрофоретического осаждения и электрополимеризации в едином технологическом цикле.

9.аИсследованы на специализированных установках:

Цамногослойные структуры на основе БР для индикаторов солнечной освещенности (патент на изобретение №2316739) и определены их функциональные характеристики; получен размещенный на едином носителе набор многослойных структур обратимо изменяющих цветовые характеристики под воздействием светового потока, соответствующего солнечному по спектральному составу, со следующими значениями плотности мощности 25аВт/м2, 50аВт/м2, 100аВт/м2, 150аВт/м2 и 200аВт/м2 (время срабатывания 30ас);

Цафункциональные характеристики многослойных структур на основе БР для защиты ценных бумаг и товарных маркировок от подделки (патенты на изобретение №2323097 и №2329155). Время надежного приборного распознавания в зависимости от композиционного состава БР-содержащего слоя толщиной 3 мкм, площадью 1амм2, при расходе БР 5амкг, лежит в диапазоне 1,00,01ас;

Цамногослойные структуры на основе БР для нейросетевой обработки информации. Показано, что нейроподобные элементы в количестве 104Ц105 в 1амм3 могут быть сформированы методами фотоиндуцированного изменения рельефа оптического поглощения/пропускания БР-содержащих слоев при темпе взаимодействия 107Ц108 связей в секунду;

Цафункциональные характеристики многослойных структур для 3D оптических носителей информации с использованием хромонов и флуоресцирующих продуктов их фотоперегруппировки. В режиме двухфотонного поглощения выполнена селективная запись оптической информации в отдельные заданные слои многослойной структуры. Методом однофотонного возбуждения флуоресценции осуществлено параллельное считывание записанной информации путем ввода соответствующего излучения с помощью встроенных дифракционных решеток в отдельные заданные слои многослойной структуры.

Экспериментально установлена возможность адресации в любую область произвольно выбранного функционального слоя путем изменения угла ввода (в диапазоне 23Ц53 с шагом ≤1) возбуждающего флуоресценцию излучения на основе использования встроенных непрерывных дифракционных решеток с различным периодом в диапазоне 0,4Ц0,65амкм.

Осуществлена оценка эксплуатационных характеристик многослойных структур для 3D оптической памяти, для чего установлено пороговое значение плотности мощности двухфотонной записи Ра3108 Вт/см2 на длине волны а=а680±10 нм. Для изготовленных образцов определены размеры области параллельного считывания (Sа=а1,1амм2) и объем параллельно считываемой информации (6105абит) при ограничении на вероятность ошибочного считывания бита информации Wer<104(без применения специальных алгоритмов коррекции ошибок).

Технологии получения прозрачных, оптически однородных суспензий БР, оптически прозрачной БР-содержащей полимерной смеси, изготовления оптически однородных БР-содержащих полимерных слоев с заданными геометрическими характеристиками, оптической плотностью, динамическими фотохромными свойствами и высокой стабильностью, могут быть рекомендованы для использования на предприятиях, специализирующихся в области изготовления регистрирующих сред для систем обработки и отображения информации. Исследованные БР-содержащие полимерные пленки рекомендуются к применению в качестве голографических сред для регистрации и отображения информации, в частности, в динамической интерферометрии.

Разработанные технологии получения гибридных наноструктур могут быть использованы при создании спектрально управляемых материалов для мультиспектральных систем видения и тепловидения, фильтрации изображений, устройств оптической памяти, покрытий типа хамелеон с регулируемыми в широком диапазоне характеристиками поглощения, рассеяния и излучения, обеспечивающие адаптацию оптических характеристик маскируемого объекта под окружающую среду и подстилающую поверхность в реальном масштабе времени. Многослойные структуры и технологии их получения с использованием хромонов и флуоресцирующих продуктов их фотоперегруппировки могут быть рекомендованы для 3D оптических носителей информации повышенной информационной емкости и параллельным считыванием данных.

Результаты работы были использованы в разработках следующих организаций: Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г.Москва; ОАО Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума, г.Москва; ГУП Мос НПО Радон, г.Москва; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (технический университет), г.Долгопрудный; Учреждение Российской академии наук Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН; ФГУП ЦНИРТИ им. академика А.И.Берга, г.Москва; и внедрены ФГУП НИИ Волга, г.Саратов; ОАО ЦНИТИ Техномаш, г.Москва; ООО ПротериусЦПро г.Чехов.

Рекомендуется использовать разработанные многослойные структуры, включающие БР-содержащие полимерные слои, для создания устройств обработки информации на основе нейросетевых технологий, систем распознавания образов, интеллектуальных самообучающихся систем адаптивного управления автономными динамическими объектами, пространственных модуляторов света, голографических корреляторов, индикаторов освещенности, а также для защиты ценных бумаг и товарных маркировок от подделки. Разработанные многослойные структуры на основе БР и другие многослойные структуры, изготовленные по разработанной технологии, могут быть применены при создании устройств протезирования фрагментов нервных тканей, в том числе сетчатки глаза.

Разработанные конструкторские решения, базовые процессы и методы получения обеспечивают технологическую и функциональную совместимость многослойных структур различного назначения в едином конструктиве.

Положения диссертации изложены в следующих основных публикациях

Grebennikov E.P. Light radiation induced structure formation of bacteriorhodopsin films for the development of self-organizing information processing systems // Рroceedings of SPIE - Optical Information Science & Technology Т97. 1997. Vol. 3402. P. 460Ц465.
Гребенников Е.П. Устройство оптической нейронной сети / Патент на изобретение №2165644 (приоритет от 04.07.2000). Опубликовано 20.04.01.
Гребенников Е.П. Технологические и оптико-физические характеристики бактериородопсин-содержащих пленок // Микросистемная техника. 2000. № 2. С.42Ц46.
Гребенников Е.П. Технологические и оптико-физические характеристики бактериородопсин-содержащих пленок // Микросистемная техника. 2000. № 3. С.37Ц42.
Гребенников Е.П., Житковский В.Д. Бактериородопсин-содержащие полимерные пленки для оптических многослойных структур // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2000. № 2. С.32Ц39.
Samoilovich M.I.; Grebennikov E.P.; Kleshcheva S.M.; Tsvetkov M.Y.; Ivleva L.I.; Orlovskii Y.V.; Gur'yanov A.V. Nanophotonic structures on the basis of the ordered ensembles bacteriorhodopsin-opal matrix-substrate // Рroceedings of SPIE - Photonic Crystal Materials and Nanostructures. 2002. Vol. 5450. P.533Ц539.
Голдобин И.С., Гребенников Е.П., Адамов Г.Е. Управление технологическими процессами на основе распознавания образов // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2002. № 1,2. С.56Ц64.
Samoilovich M.I., Belyanin A.F., Grebennikov E.P., Guriyanov A.V. Bacteriorhodopsin the basis of molecular superfast nanoelectronics // Nanotechnology. 2002. V.а13. P.763Ц767.
Гребенников Е.П., Девятков А.Г. Молекулярные нейросетевые устройства на основе белка бактериородопсина // Биомолекулярные нейросетевые устройства.Серия: Нейрокомпьютеры и их применение. Под редакцией Н.Г.Рамбиди. М.: ИПРЖР. 2002. Книга 33. С.41Ц120.
Гребенников Е.П. Молекулярные нейросетевые устройства на основе белка бактериородопсина // Монографический сборник на основе пленарных докладов IX Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства электронной техники). М.: ЦНИТИ Техномаш. 2003. С.135Ц196.
Гребенников Е.П., Девятков А.Г., Адамов Г.Е. Устройство элемента оптической нейронной сети / Патент на полезную модель № 31023 (приоритет от 11.04.2003). Опубликовано 10.07.03.
Давыдова О.И., Миронова Е.В., Шевяков С.В., Хитрина Л.В., Демина О.В., Складнев Д.А., Гребенников Е.П., Адамов Г.Е., Ходонов А.А., Швец В.И. Биосинтетическое получение аналогов бактериородопсина // Ученые записки Московской государственной академии тонкой химической технологии им.М.В.Ломоносова. 2003. Вып.8. С.26Ц33.
ГолдобинаИ.С., ГребенниковаЕ.П., АдамоваГ.Е. Управление технологическими процессами на основе распознавания образов // Технологии приборостроения. 2004. №2(10). С.27-31.
Алфимов С.М., Быков В.А., Гребенников Е.П., Желудева С.И., Мальцев П.П., ПетрунинаВ.Ф., Чаплыгин Ю.А. Развитие в России работ в области нанотехнологий // Нано- и микросистемная техника. 2004. №8. С.2Ц8.
Гребенников Е.П., Адамов Г.Е. Перспективы и успехи молекулярной и биомолекулярной электроники // Нанотехника. 2005. №2. С.90Ц97.
Гребенников Е.П., Девятков А.Г. Способ маркировки и контроля подлинности при защите объекта от подделки / Патент на изобретение № 2323097 (приоритет от 17.08.2006). Опубликовано 27.04.08. Бюл. 12.
Гребенников Е.П., Девятков А.Г., Адамов Г.Е. Способ индикации уровня освещенности / Патент на изобретение №2316739 (приоритет от 08.08.2006). Опубликовано 10.02.08. Бюл. 4.
Гребенников Е.П., Девятков А.Г., Адамов Г.Е. Способ защиты объекта от подделки и способ контроля подлинности объекта / Патент на изобретение № 2329155 (приоритет от 17.08. 2006). Опубликовано 20.07.08. Бюл. 20.
Гребенников Е.П. БактериородопсинаЦабиологический преобразователь световой энергии с уникальными технологическими возможностями // Российский химический журнал. 2006. Т.аL. № 5. С.2537.
Адамов Г.Е., Голдобин И.С., Гребенников Е.П. Гибридные наноструктуры на основе наночастиц и бактериородопсина // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. №а11Ц12. С.6566.
Гребенников Е.П. Способ управления оптическими свойствами нанокомпозитных материалов / Патент на изобретение № 2332697 (приоритет от 15.03.2007). Опубликовано 27.08.08. Бюл. 24.
Гребенников Е.П., Девятков А.Г., Адамов Г.Е., Голдобин И.С. Нанокомпозитный материал / Патент на изобретение № 2332352 (приоритет от 15.03.2007). Опубликовано 27.08.08. Бюл. 24.
Гребенников Е.П., Адамов Г.Е. Способ получения наночастиц с модифицированной лигандной оболочкой / Патент на изобретение № 2367512 (приоритет от 18.12.2007). Опубликовано 20.09.09. Бюл. 26.
Гребенников Е.П., Адамов Г.Е. Способ формирования поверхности синтезированных наночастиц / Патент на изобретение № 2364471 (приоритет от 18.12.2007). Опубликовано 20.08.09. Бюл. 23.
Adamov G.E., Grebennikov E.P., Devyatkov A.G., Gnatuk L.N., Goldobin I.S. Bacteriorhodopsin - Perspective biomaterial for molecular nanophotonics. // Journal of Photochemistry and Photobiology, A - Chemistry. 2008. V.196. N.23. P.254Ц261.
Адамов Г.Е., Барачевский В.А., Гребенников Е.П., Девятков А.Г., Краюшкин М.М. Создание наноструктурированных материалов молекулярной фотоники и слоистых структур на их основе для оптической нейросетевой обработки информации // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 5Ц6. С.10Ц12.
Адамов Г.Е., Голдобин И.С., Гребенников Е.П., Девятков А.Г. Гибридные ноноструктуры на основе наночастиц и бактериородопсина // Химия высоких энергий. Специальный выпуск Нанофотоника. 2008. Т. 42. № 4. С.21Ц22.
Гребенников Е.П. Технология получения многослойных структур и гибридных наноматериалов для молекулярной фотоники // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2009. № 1Ц2. С.101Ц104.
Гребенников Е.П., Девятков А.Г. Оптический планарный волновод / Патент на полезную модель № 83626 (приоритет от 26.09.2008). Опубликовано 10.06.09. Бюл. 16.
Гребенников Е.П., Самойлович М.И., Орловский Ю.В. Бактериородопсин в опаловых матрицах // Нано- и микросистемная техника. 2009. №6. С. 30Ц38.
Гребенников Е.П., Адамов Г.Е., Курбангалеев В.Р., Шмелин П.С. Применение АСМ при исследовании материалов фотоники на основе гибридных наноструктур,содержащих бактериородопсин // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. №10. С. 66Ц68.
Kobeleva O. I., Valova T. M., Barachevskii V. A., Krayushkin M. M., Lichitskii B. V., Dudinov A. A., Kuznetsova O. Yu., Adamov G. E. and Grebennikov E. P. SpectralЦKinetic Evidence of Interaction of Photochromic Diarylethenes with Silver Nanoparticles // Optics and Spectroscopy. 2010. Vol. 109. №1. Р. 101Ц105.
Гребенников Е.П. Проблемы разработки промышленных нанотехнологий // Научно-производственный журнал Нанотехнологии Экология Производство 2010. №3(5). С. 84Ц87.
Barachevsky V.A., Kobeleva O.I., Valova T.M., Ait A.O., Dunaev A.A., Gorelik A.M., Krayushkin M.M., Kyiko V.V., Grebennikov E.P.. Light-sensitive organic systems and multilayer polymer structures for optical recording media // Рroceedings of SPIE. 2010. Vol.7722. 77225.
Adamov G. E., Grebennikov E. P. Biomolecular Neuronet Devices // Handbook of Nanophysics: Nanoelectronics and Nanophotonics. Edited by Klaus D.Sattler. USA: CRC Press. 2010. P. 689707.

ГРЕБЕННИКОВ ЕВГЕНИЙ ПЕТРОВИЧ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Подписано в печать 15.09.2010. Формат 64х84/16

Бумага офсетная. Усл.печ.л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 321

Отпечатано в ОАО ЦНИТИ Техномаш. 121108 Москва, ул.Ив.Франко, 4

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по разное

Blog