Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Светопоглощающая способность гиперкристаллов

2024-06-10T09:37:58+03:00

Использована теория электромагнитных волн в немагнитных многослойных гиперкристаллах, определены их спектральные свойства и записаны дисперсионные соотношения для обыкновенной и необыкновенной волн. Показано, что отражение волн от гиперкристалла подавляется, в то время как поглощение волн в гиперкристалле возрастает, если его волновой импеданс согласован с импедансом окружающей среды. При изучении поглощательных свойств гиперкристаллов обращается внимание на зависимость поглощения от толщин входящих в гиперкристалл слоев. Получено, что пик спектра поглощения растет с увеличением толщины разделительного диэлектрического слоя и смещается в область длинных волн. Установлено, что зависимость поглощения от доли металла в структуре задается дисперсионными свойствами гиперкристаллов (более низкое поглощение отмечено для больших долей металла). Величины пика поглощения и ширины зоны поглощения могут меняться в зависимости от числа слоев, достигая требуемых значений. Результаты настоящего исследования найдут применение в нанофотонике и физике солнечных элементов для широкополосного увеличения поглощения электромагнитного излучения.

Новый подход к технологиям получения чистого вещества из горной породы с помощью лазерного излучения

2024-06-10T09:38:00+03:00

Рассматривается метод селективной ступенчатой фотоионизации атомов для исследования околопороговых явлений на границе дискретных и сплошных спектров атомов при возбуждении ридберговских и автоионизационных состояний с резонансным лазерным излучением. Основными достоинствами метода являются высокие чувствительность, спектральное и временное разрешение, а также селективность, гибкость и универсальность. Оптимально подобранная схема селективной фотоионизации атомов под воздействием двух или трех лазерных лучей с определенным образом настроенными частотами и заданными интенсивностями позволяет ионизировать каждый атом за 10–5–10–7 с. Используя 20 % энергии излучения со средней мощностью 103 Вт, можно добиться фотоионизации атомов на уровне примерно 1 моль вещества за 1 ч. Таким образом, относительно небольшие установки, как правило, производят несколько тонн чистого вещества в год. По этой причине метод селективной ступенчатой фотоионизации атомов в сочетании с перестраиваемым лазером средней мощности (102–103 Вт) считается самым продуктивным для тонкого разделения вещества на атомарно-молекулярном уровне.

Моделирование тепловых эффектов на поляризационные переключения в поверхностно излучающих полупроводниковых лазерах

2024-06-10T09:38:01+03:00

Развита феноменологическая модель, описывающая наведенную анизотропию коэффициента усиления поверхностно излучающих полупроводниковых лазеров (VCSEL) для режима поперечной одномодовой генерации в виде полинома второго порядка по степеням плотности инжекционного тока, где коэффициенты разложения являются неявными функциями температуры. Модель основана на анализе данных теоретических и экспериментальных исследований динамики тепловых процессов в VCSEL. Из общего вида зависимостей следует, что в одномодовом режиме работы VCSEL может иметь не более двух точек поляризационного переключения. Работоспособность модели продемонстрирована на базе качественного анализа опубликованных ранее серий экспериментальных данных по температурным зависимостям положения точек поляризационного переключения. Для коротковолновых излучателей такие зависимости являются монотонными и без особых проблем описываются за счет относительного смещения кривых, определяющих анизотропию коэффициентов усиления для ортогональнополяризованных мод. Для длинноволновых VCSEL, данные по которым опубликованы в литературе, ситуация оказывается гораздо более сложной: изменяется не только относительное расположение кривых, но и их «кривизна», связанная с квадратичным членом. При этом оказалось возможным объяснить практически неизменное положение одной из точек поляризационного переключения.

Сравнительный анализ скорости диссоциации тетрапиррольных соединений из комплексов включения с мономерными и полимерными производными циклодекстрина

2024-06-10T09:38:03+03:00

C использованием флуоресцентных методов проведено систематическое исследование эффективности образования и скорости диссоциации комплексов включения тетрапиррольного фотосенсибилизатора мета-тетра(гидроксифенил)хлорина (мТГФХ) с мономерным метил-β-циклодекстрином (М-β-ЦД) и полимерными производными циклодекстрина – полимером β-циклодекстрина (β-ЦДПР) и полимером карбоксиметил-β-циклодекстрина (КМ-β-ЦДПР). Показано, что ряд параметров спектров возбуждения и испускания флуоресценции можно использовать для контроля процессов связывания молекул фотосенсибилизатора с исследованными наноструктурами. На основании анализа изотерм связывания сделан вывод о влиянии особенностей структуры полимеров на их взаимодействие с мТГФХ. Установлено, что константы связывания мТГФХ с β-ЦДПР и КМ-β-ЦДПР значительно выше константы связывания мТГФХ с М-β-ЦД. Исследование процессов диссоциации мТГФХ из состава комплексов включения при разведении растворов, а также при перераспределении молекул фотосенсибилизатора на липидные везикулы показало, что скорость диссоциации мТГФХ из комплексов включения с β-ЦДПР и КМ-β-ЦДПР существенно меньше его скорости диссоциации из комплексов включения с М-β-ЦД. Введение фотосенсибилизаторов в составе комплексов включения с полимерными циклодекстринами может обеспечить бóльшую степень контроля распределения лекарственных препаратов, а также возможность прогнозирования фармакокинетического поведения пигмента.

Анализ развития эпидемии COVID-19 в различных странах с помощью дробно-дифференциальной модели распространения инфекции

2024-06-10T09:38:04+03:00

Проведен анализ развития эпидемии COVID-19 в 100 странах мира с помощью модели распространения инфекции, основанной на применении дробных производных. Показано, что разработанная модель позволяет адекватно воспроизводить динамику числа смертей и новых случаев заражения во всех исследуемых государствах. Установлено, что по характеру развития эпидемии рассматриваемые страны можно разделить на три кластера, каждый из которых характеризуется своим социально-демографическим составом населения и уровнем экономического развития. Выявление таких кластеров в дальнейшем может направить на более оптимальный и быстрый поиск параметров модели, которая будет использована для воспроизведения и прогнозирования развития инфекций, схожих по схеме распространения с инфекцией COVID-19. Для описания второй и последующих волн эпидемии предложена модификация модели. Данная модификация включает в себя дополнительное уравнение, учитывающее наличие индивидуумов, зараженных вирусом, но не являющихся его распространителями. Показано, что с каждой последующей волной эпидемии порядок дробной производной, позволяющий достичь наилучшего соответствия модели статистическим данным, стремится к единице. Можно предположить, что этот факт является отражением роста числа новых штаммов вируса, циркулирующих среди населения.

Микроструктура сплавов из алюминиевого лома и висмута

2024-06-10T09:38:07+03:00

Сплавы Al – 1,3–2,6 мас. % Bi изготовлены на основе алюминиевого лома, содержащего около 0,3 мас. % кремния и железа, и висмута с чистотой 99,999 % сплавлением при 800 °С и последующей заливкой в графитовую изложницу. Средняя скорость охлаждения расплава составляла примерно 10 К/с. В сплавах выявлены преимущественно шарообразные выделения висмута, расположенные главным образом на границах зерен. Методом случайных секущих определены параметры микроструктуры сплавов. Средняя длина хорд случайных секущих на сечениях зерен алюминия равна 71 мкм, средний размер зерен алюминия составляет 120 мкм, а удельная поверхность границ зерен алюминия – 0,026 мкм^–1. Максимальный диаметр дисперсных частиц висмута достигает 10 мкм, а средний диаметр – 2,1 мкм, удельная поверхность межфазной границы алюминий – висмут равна 0,008 мкм^–1. Отмечено образование скоплений, включающих выделения железосодержащей фазы в виде тонких пластин толщиной 0,3– 0,8 мкм. Уменьшение микротвердости сплава Al – 2,6 мас. % Bi при изохронном отжиге обусловлено развитием диффузионных процессов при температуре выше 80 °С, что способствует коалесценции дисперсных частиц висмута.

Формирование силицидов в двухслойных структурах никель-ванадиевый сплав – платина на кремнии при быстрой термической обработке

2024-06-10T09:38:08+03:00

Методами резерфордовского обратного рассеяния, рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии и просвечивающей электронной дифракции исследовано влияние температуры быстрой термической обработки структур никель-ванадиевый сплав – платина на кремниевых подложках с ориентацией (111) на структурно-фазовые превращения в формирующихся слоях силицидов и их контактно-барьерные свойства. Толщина слоя никель-ванадиевого сплава (93 мас. % Ni, 7 мас. % V) составляла от 20 до 60 нм, толщина слоя платины – 40 нм. Быструю термическую обработку проводили в режиме теплового баланса путем облучения обратной стороны подложек некогерентным световым потоком кварцевых галогенных ламп постоянной мощности в среде азота в течение 7 с до достижения температуры от 400 до 600 °С. Обнаружено, что при температуре 400 °С на границе раздела с кремнием формируется слой PtSi. Увеличение температуры до 450 °С приводит к диффузии никеля из поверхностного слоя к подложке с последующим образованием на границе раздела с кремнием квазиэпитаксиальных доменов NiSi. При температуре выше 500 °С происходят усиление диффузии платины к границе раздела с кремнием и формирование двойного силицида NiPtSi. В диапазоне температур от 550 до 600 °С профиль распределения никеля и платины по толщине силицидного слоя становится равномерным. При этом содержание в нем никеля пропорционально исходной толщине слоя никель-ванадиевого сплава, а ванадий после быстрой термической обработки локализуется в приповерхностной области силицидного слоя и не влияет на его контактно-барьерные свойства. Установлено, что силицидный слой с уменьшенной дефектностью границы раздела с кремнием и наилучшей воспроизводимостью высоты барьера Шоттки формируется при температуре 550 °С. При изменении толщины слоя никель-ванадиевого сплава высота барьера Шоттки в этом случае варьируется от 0,77 до 0,81 В.

Влияние режимов нанесения наноструктурированных нитридных и карбонитридных покрытий на их структуру, оптические и электрофизические свойства

2024-06-10T09:38:09+03:00

Методом реактивного магнетронного распыления с использованием различных режимов нанесения сформированы наноструктурированные нитридные (TiAlCuN) и карбонитридные (TiAlCuCN) покрытия. Изучены структура, морфология, оптические и электрофизические свойства полученных покрытий, такие как толщина пленки (h), средняя шероховатость (S_a), коэффициент солнечного поглощения (α_s), коэффициент излучения (ε₀), отношение коэффициента солнечного поглощения к коэффициенту излучения (α_s/ε₀), равновесная температура (T_р), коэффициент фототермического преобразования (η), поверхностное сопротивление (R_□), удельное сопротивление (R_уд), плазменная длина волны (λ_p), концентрация электронов (N) и подвижность носителей заряда (μ). Установлено, что данные покрытия являются электропроводящими. Введение углерода в состав покрытия TiAlCuN приводит к измельчению его структуры, формированию преимущественно глобулярной морфологии, делая материал более однородным по поверхности и глубине. Покрытия, нанесенные с использованием мишени, состоящей из 46 ат. % Ti, 46 ат. % Al, 8 ат. % Cu, имеют бóльшие коэффициент солнечного поглощения (на 32 %), коэффициент излучения (на 69 %) и коэффициент фототермического преобразования (на 31 %), меньшие отношение коэффициента солнечного поглощения к коэффициенту излучения (на 21 %) и равновесную температуру (на 50 %), чем образцы, полученные посредством распыления мишени, включающей 69 ат. % Ti, 23 ат. % Al, 8 ат. % Cu. Установлено, что добавление меди в состав нитрида TiAlN при оптимальных условиях нанесения приводит к уменьшению удельного сопротивления покрытия TiAlCuN в 4,0 –7,5 раза по сравнению с таковым покрытия TiAlN. Полученные наноструктурированные покрытия TiAlCuN и TiAlCuCN перспективны для использования в качестве терморегулирующих покрытий для корпуса, систем и устройств малых космических аппаратов.

Изменения в приповерхностном слое стали, обработанной импульсным электронным пучком

2024-06-10T09:38:11+03:00

Исследовано влияние облучения импульсным электронным пучком с энергией Е = 300 кэВ, количеством импульсов N = 100, длительностью импульса τ = 50 нс и плотностью тока J = 3 А/см² на морфологию поверхности и физико-механические свойства приповерхностного слоя закаленной стали марки 65. Обнаружено, что обработка образцов электронным пучком приводит к формированию более развитого рельефа поверхности (с конусовидными образованиями различных размеров) в результате радиационной эрозии, а также к перераспределению атомов углерода в приповерхностном слое, обусловленному сверхбыстрым нагревом и резким охлаждением и появлением вследствие этого высокой концентрации вакансий и полей напряжений, оказывающих влияние на синтез оксикарбидов сложного состава. Выявлено изменение физико-механических свойств (микротвердости по Виккерсу (HV_μ), твердости по Мартенсу (HM), твердости (H_IT), модуля Юнга (E_IT), ползучести (С_IT), работы упругой деформации (W_el), полной работы, совершенной при индентировании (W_total), упругой составляющей работы (η_IT) и упругого восстановления (R)) модифицированного слоя стали. Показано, что изменение параметров тонкой структуры (периода кристаллической решетки, величины микронапряжений, размера блоков мозаики), определенных с помощью рентгеноструктурного анализа, коррелирует с изменением ее физико-механических свойств.

Сдвиг полос в спектрах комбинационного рассеяния света твердых растворов кремний – германий, обработанных в водородной плазме

2024-06-10T09:38:12+03:00

Методом спектроскопии комбинационного рассеяния света исследованы пленки твердых растворов Si_{1 – x}Ge_x (0,006 ≤ x ≤ 0,5), выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии на кремниевой подложке с использованием переходного слоя, а затем подвергнутые обработке в водородной плазме и термообработке при 275 °С. Получены спектры комбинационного рассеяния света, записанные при комнатной температуре с помощью микрорамановского спектрометра с разрешением 0,8 см^–1. Обнаружено, что обработка в водородной плазме приводит к сдвигу полос Si — Si, Ge — Ge и Si — Ge в спектрах в сторону более низких частот. Показано, что данный эффект связан с тем, что в процессе плазменной обработки атомы водорода проникают в междоузлия кристаллической решетки и вызывают ее растяжение. Рассчитанные величины коррелируют со значениями параметров решетки, найденными прямым методом рентгеновской дифракции. Полосы Si — H, наблюдаемые в спектрах чистого кремния, невозможно четко выделить в спектрах твердых растворов кремний – германий. Полученные результаты означают, что релаксация упругих напряжений в рассматриваемом случае происходит за счет изменения как длины связей Si — Si, так и угла между ними.

Создание полимерных микролинзовых защитных элементов с оптически изменяющимся эффектом

2024-06-10T09:38:13+03:00

Отмечено, что оптические защитные элементы на основе полимерных микрооптических систем являются перспективной платформой для создания новых визуальных признаков, которые можно применять в технологиях защиты ценных бумаг и документов. Представлены физические принципы формирования стерео- и вариоизображений с помощью матрицы микролинз. Показано, что в результате комплексного взаимодействия между массивом микролинз и массивом микроизображений формируются мнимые синтезированные изображения, которые смещаются при изменении угла наблюдения, т. е. плавающие изображения. Такие изображения используются как защитный признак. С применением технологии цифровой записи голограмм получены решетки микроизображений с высоким разрешением, которое невозможно достичь с помощью традиционных методик печати. Разработан способ повышения контрастности между областями, содержащими микроизображения, и чистой пленкой.

Фотолюминесценция эпитаксиальных слоев GaP, полученных из расплавов на основе индия

2024-06-10T09:38:15+03:00

Исследованы эпитаксиальные слои фосфида галлия, выращенные на подложках GaP и легированные редкоземельными элементами (РЗЭ) Gd и Dy в процессе кристаллизации из расплавов-растворов на основе In в интервале температур 975– 670 °C. Концентрация РЗЭ в эпитаксиальных слоях была ниже предела обнаружения рентгеноспектральным анализом (0,01 ат. %). Измерение спектров фотолюминесценции проводилось в диапазоне температур 4,2–300,0 К. В спектрах исследованных образцов наблюдались типичные для монокристаллического GaP линии: линия экситона, связанного на сере и фосфоре, а также серия узких линий на фоне широкой полосы, обусловленной донорно-акцепторной парой с участием примесей углерода и серы. В ближнем инфракрасном диапазоне (1,4 –1,8 эВ) присутствовала широкая полоса, обусловленная суперпозицией четырех полос с максимумами вблизи 1,53; 1,69; 1,85 и 1,35–1,40 эВ. Спектральная форма и интенсивность этой полосы зависели от условий роста и легирования. Введение Gd и Dy в расплав-раствор приводило к появлению узкой Х-линии (λ = 541 нм). Ее интенсивность возрастала с увеличением концентрации РЗЭ в расплаве. Интегральная интенсивность фотолюминесценции во всей исследуемой области длин волн также возрастала при добавлении РЗЭ в расплав-раствор. Скорее всего, это связано с увеличением времени жизни неравновесных носителей заряда в GaP : РЗЭ. Упомянутая X-линия наблюдалась и в особо чистых слоях GaP. Однако ее интенсивность была значительно ниже, чем в эпитаксиальных слоях GaP : РЗЭ. Экспериментальные данные объясняются геттерированием в расплаве донорных примесей (S, Se, Te) и образованием дефектов акцепторного типа (предположительно, V_P или Ga_P) в эпитаксиальных слоях фосфида галлия при введении в расплав РЗЭ.