FTP France

Stage 1

Research report

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 12.02.2018 г. № 14.587.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии:

  • Проведен обзор современной научной литературы в области фотоники гибридных наноструктур и корректировка общего направления исследований.
  • Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
  • Выбраны направления исследований, оценено современное состояние науки в конкретной области; разработаны возможные направления исследований; разработаны возможные пути решения отдельных задач; обоснован выбор оптимального направления исследований.
  • Проведено численное моделирование взаимодействия излучения видимого диапазона частот с единичными гибридными полыми наноструктурами в рамках теории Ми.
  • Экспериментально исследованы процессы рассеяния излучения видимого диапазона частот на единичных гибридных полых наноструктурах.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств:

  • Проведен обзор современной научной и методической литературы в области синтеза гибридных наноструктур, раскрывающей научно-техническую проблему, а также скорректированы направления исследований.
  • Произведен запуск фабрикационного оборудования и проведены исследования современными методами синтеза гибридных наночастиц.
  • Экспериментально исследованы гибридные полые наноструктуры методами электронной микроскопии с высоким разрешением до 0.1 нм.
  • Изготовлен экспериментальный образец французской стороной: гибридные кристаллические наночастицы на основе двух металлов.
  • Экспериментально исследованы гибридные кристаллические наночастицы на основе двух металлов методами электронной микроскопии с высоким разрешением до 0.1 нм.
  1. Выполнен обзор современной научной литературы в области фотоники гибридных наноструктур. Проанализировано 300 источников, включая научные публикации в реферируемых отечественных и зарубежных изданиях, тезисы докладов, диссертации и учебные пособия. Отобрано 34 источника, наиболее близких по содержанию проекта. Результаты обзора свидетельствуют об актуальности исследования и ряде нерешенных проблем в области.
  2. Проведено патентное исследование по теме "Гибридные фотонные наноустройства" в отечественных и международных базах данных. Из 30 патентов, отвечающих требованиям к патентным исследованиям по проекту, отобрано 7 наиболее соответствующих патентов, посвященных конкурирующим технологиям. Установлено, что предлагаемая в проекте технология изготовления гибридных фотонных наноструктур полностью соответствует требованиям новизны, актуальности и уникальности.
  3. Выполнен выбор направления исследований, основываясь на обзоре современной научной литературе и патентном поиске.
  4. Выполнено численное моделирование в коммерческом пакете COMSOL взаимодействия излучения видимого диапазона длин волн 400-800 нм с единичными полыми (диаметр 600 нм, толщина стенок 50 нм) гибридными наноструктурами сферической формы в рамках теории Ми. Определен спектральный и модовый состав излучения, вступающего в резонанс с наноструктурами. Результаты исследования являются уникальными.
  5. Выполнено экспериментальное исследование рассеяния излучения видимого диапазона длин волн 400-800 нм на единичных полых (диаметр 600 нм, толщина стенок 50 нм) гибридных наноструктурах сферической формы на коммерческой установке конфокальной микроспектроскопии HoribaLabRam. Подтвержден спектральный состав излучения, вступающего в резонанс с наноструктурами. Подготовлена соответствующая техническая документация «Программа и методика исследований процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на единичных гибридных полых наноструктурах»
  1. Развит сверх быстрый (150 фс) универсальный метод лазерной печати (1050 нм, 80 МГц) полых гибридных наноструктур с размерами от 100 до 600 нм, обладающих эффектом рассеяния излучения видимого диапазона.
  2. Экспериментальные и расчетные работы отражают новизну, уникальность полученных данных, пригодных для публикации и получения патентов на полезную модель – а именно быстрый и универсальный способ печати полых гибридных наноструктур для задач фотоники.
  3. Согласно пункту 3 Технического задания, полученные результаты полностью соответствуют требованиям к выполняемому проекту, а именно - выполнен обзор современной научно-технической и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему настоящего проекта, в том числе обзор научных информационных источников как статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах - не менее 20 научно-информационных источников за период 2010 – 2017 гг; выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96; выполнено теоретическое исследование взаимодействия излучения видимого диапазона частот с единичными гибридными наночастицами в рамках теории Ми; выполнены экспериментальные исследования процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах; выполнены экспериментальные исследования нелинейно-оптических процессов в оптическом диапазоне частот в гибридных наночастицах и наноструктурах; подготовлены программа и методики исследований процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах, отражающие пошагово процедуры оптического эксперимента и содержащие подробную информацию о приборах; подготовлены протоколы исследований процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах.
  4. На данный момент более быстрого, универсального и дешевого способа изготовления полых гибридных наноструктур для задач фотоники не существует. Распространенные методы как пиролиз и карбонизация уступают по всем технологическим параметрам.

В качестве областей применения услуг и продукции можно отметить область компактных оптических устройств обработки и хранения информации, а также сферу плазмонных устройств для управления светом, усиления сигналов и катализа, высокотемпературной химии для синтеза легких углеводородов, доставки лекарств за счет полости и наличия ионов металлов в структуре, для источников когерентного излучения удвоенных частот.

Полученные результаты будут иметь серьезное влияние на развитие научно-технических и технологических направлений в области материаловедения – создания новых сложны фотонных структур и их фактическое использование, что может оказать влияние на структуры производства оптических чипов и сенсоров. Также результаты, полученные на стыке наук научными коллективами из двух стран, обеспечат дальнейшие исследования в рамках международного сотрудничества, обеспечат эффект популяризации науки и развитие материально-технической и информационной инфраструктуры.

Сверх быстрое и эффективное управление света светом на наномасштабе однозначно внесет существенный вклад в развитие компактных оптических устройств обработки и хранения информации. По этой причине можно наблюдать столь бурное развитие плазмонных нанотехнологий. Однако те качественные структурные изменения, которые планируется осуществить в рамках настоящего проекта, помогут приблизиться к этой идее и параллельно открыть новые области применения, такие как: плазмонные устройствах для управления светом, усиления сигналов и катализа, высокотемпературной химии для синтеза легких углеводородов, доставки лекарств за счет полости и наличия ионов металлов в структуре, для источников когерентного излучения удвоенных частот. Также отдельно стоит отметить важность получаемых результатов для программы обучения магистров и аспирантов Университета ИТМО.

Опубликована статья A. Nominé, S.A. Sapchenko, J. Ghanbaja, S. Bruyère, A.S. Zalogina, P. Trofimov, A.A. Krasilin, V.A. Milichko “Nanometer scale metal -organic framework nanoparticles for optical application”.

Stage 2

Research report

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 12.02.2018 г. № 14.587.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2019 г. по 31.12.2019 г. выполнялись следующие работы:

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии:

  • Проведен обзор современной научной литературы в области фотоники гибридных наноструктур и корректировка общего направления исследований Проведены дополнительные патентные исследования и подготовлена заявка на получение патента.
  • Получены результаты по численному моделированию взаимодействия излучения видимого диапазона частот с единичными гибридными наночастицами на основе двух металлов(медь-серебро, диаметром от 100 до 1000 нм) и металл-диэлектрик (золото-кремний, ядро-оболочка) в рамках теории Ми.
  • Экспериментальными методами подтвержден спектральный состав излучения, вступающего в резонанс с указанными наноструктурами, а также металлическими наночастицами на подложке диэлектрика и полупроводника.
  • Показана возможность управления резонансными свойствами наноструктур в зависимости от их размера, химического состава, а также использования различного материала подложки.
  • Все экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с разработанными блок-схемами, программами и методиками, а также технологической инструкцией.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств:

  • Выполнены работы по изготовлению образцов наночастиц, с последующей характеризацией методами ПЭМ и СЭМ. 
  • Скорректирован метод синтез наночастиц, что обеспечит расширение библиотеки получаемых структур. 
  • Выполнены работы по исследованию магнитооптических свойств наноструктур на основе кадмия и цинка, исследованы спектры поглощения для разной поляризации падающего света, а также магнитная восприимчивость при низких температурах.

Проведены дополнительные патентные исследования и подготовлена заявка на получение патента. Получены результаты по численному моделированию взаимодействия излучения видимого диапазона частот с единичными гибридными наночастицами на основе двух металлов(медь-серебро, диаметром от 100 до 1000 нм) и металл-диэлектрик (золото-кремний, ядро-оболочка) в рамках теории Ми. Экспериментальными методами подтвержден спектральный состав излучения, вступающего в резонанс с указанными наноструктурами, а также металлическими наночастицами на подложке диэлектрика и полупроводника. Показана возможность управления резонансными свойствами наноструктур в зависимости от их размера, химического состава, а также использования различного материала подложки. Все экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с разработанными блок-схемами, программами и методиками, а также технологической инструкцией.

  1. Основные характеристики полученных результатов (в целом и/или отдельных элементов), созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
    Развит метод фабрикации биметаллических наноструктур с применением комбинированного подхода, на основе плазмохимии и лазерной абляции, для получения оптически резонансных частиц. Полученные результаты расширяют возможности применения данных структур в нанофотонике для усиления в локальном диапазоне длин волн.
  2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
    Разработанные методы по изготовлению биметаллических наноструктур, а также подтверждённый экспериментально их теоретический анализ отражают новизну и уникальность полученных данных. Применяемые научные решения пригодны для публикации, патентования и дальнейшей коммерциализации.
  3. Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту. Согласно пункту 3 Технического задания, полученные результаты полностью соответствуют требованиям к выполняемому проекту, а именно: выполнено численное моделирование процессов взаимодействия излучения видимого диапазона частот с единичными гибридными наночастицами и наноструктурами в рамках теории Ми; выполнены экспериментальные исследования процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах; подготовлены протоколы исследований процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот на гибридных наночастицах и наноструктурах; составлена блок-схема установки для исследования процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот в конфокальном режиме с полной детализацией с указанием названий измерительных приборов и их технических характеристик; подготовлена технологическая инструкция для исследования процессов рассеяния излучения видимого диапазона частот в конфокальном режиме; выполнены экспериментальные исследования гибридных наночастиц и наноструктур методами электронной микроскопии с высоким разрешением до 0.1 нм; выполнены экспериментальные исследования магнитооптических свойств гибридных наночастиц и наноструктур при температурах до 4 К; подана заявка на патент на полезную модель «Полая углеродная наночастица»
  4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень. Разработанный метод изготовления биметаллических частиц является наиболее быстрым, дешевым и универсальным. Использование оптических методов позволяет контролировать технологические параметры синтезированных наноструктур. Указанный подход является уникальным для современной нанофотоники и материаловедения.

Сверх быстрое и эффективное управление света светом на наномасштабе однозначно внесет существенный вклад в развитие компактных оптических устройств обработки и хранения информации. По этой причине можно наблюдать столь бурное развитие плазмонных нанотехнологий. Однако те качественные структурные изменения, которые планируется осуществить в рамках настоящего проекта, помогут приблизиться к этой идее и параллельно открыть новые области применения, такие как: плазмонные устройствах для управления светом, усиления сигналов и катализа, высокотемпературной химии для синтеза легких углеводородов, доставки лекарств за счет полости и наличия ионов металлов в структуре, для источников когерентного излучения удвоенных частот. Также отдельно стоит отметить важность получаемых результатов для программы обучения магистров и аспирантов Университета ИТМО.

Опубликованы статьи:

  • Leila R. Mingabudinova, Anastasiia S. Zalogina, Andrei A. Krasilin, Margarita I. Petrova, Pavel Trofimov, Yuri A. Mezenov, Evgeniy V. Ubyivovk, Peter Lönnecke, Alexandre Nominé, Jaafar Ghanbaja, Thierry Belmonte  and Valentin A. Milichko «Laser printing of optically resonant hollow crystalline carbon nanostructures from 1D and 2D metal–organic frameworks»
  • A Nominé, J Ghanbaja, S Bruyère, A A Krasilin1, Y A Mezenov, V A Milichko «Optically resonant graphite nanostructures