авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |

Получение композиционных материалов с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений и применение многослойных структур на их основе в устройствах хран

-- [ Страница 1 ] --

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 «16» декабря 2010 г. в 14 час. 00 мин. 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 « » 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 5 нм (монослой) до десятков мкм, сохраняет свои свойства в течение длительного времени (>15 лет). БР-содержащие полимерные пленки ведут себя как фотохромные материалы и характеризуются рекордной цикличностью (>106) и высоким оптическим разрешением (5000 лин/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:

– выбор 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;

– разработка 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;

– разработка 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;

– разработка математической модели изменения физикохимических 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;  разработка и создание экспериментальных методик и установки для определения k570(t);

– разработка 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;

– разработка технологии получения прозрачных, оптически однородных суспензий БР 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;

 разработка 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;

 исследование 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;

– разработка 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;

– разработка 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. Предложен 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. Теоретически 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 1,5–2 раза, а стабильность в 8–10 раз.

3. Впервые 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. Исследованы 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. Предложены 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. Сконструировано 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. Разработаны математические модели фотоиндуцированного изменения физикохимических 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. Конструкторские 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. Результаты 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. Математические 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. Результаты 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. Сконструированное и изготовленное специальное технологическое оборудование для осаждения методами электроннолучевого испарения и магнетронного распыления пленок различных материалов на многофункциональные слоистые структуры, содержащие БР, без нарушения его функциональных свойств.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.