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:     | 1 |   ...   | 6 | 7 ||

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

-- [ Страница 8 ] --

Разработанный конструктив обеспечивает реализацию также режима двухфотонного последовательного считывания путем фокусировки микрообъективом импульсного излучения с  = 880 нм 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  = 326 нм (лазер ГКЛ-10У, 10 мВт), 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 100 мкс—2 с на основе КМОП сенсора Aptina с размером пикселя 2,2 мкм  2,2 мкм. Для каждого пикселя специальными измерениями определены среднее значение шума и стандартное отклонение, составившие, в частности, для зеленого канала (экспозиция 100 мс), соответственно, = 10,6 и = 0,49.

Для ввода считывающего излучения ( = 442 нм) использован лазер ГКЛ-50В мощностью 50 мВт. Диаметр пучка в точке ввода 2 мм, угол падения на дифракционную решетку  = 50,28о, плотность мощности 200 мВт/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  = 442 нм применялся фильтр ЖС18. На рис. 43 представлено цифровое изображение флуоресценции волноводного слоя, содержащего флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромона, полученное при условии: один записаный логический элемент («0» или «1») проецируется на один пиксель матрицы фотоприемника.

Определены границы области считывания (рис. 43, г), обусловленные, с одной стороны, локализацией фоновой флуоресценции неадресуемых функциональных слоев, через которые проникает возбуждающее излучение, не распространяющееся по адресуемому волноводу (200 мкм 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 Wer 104 может быть представлено в виде: .

Рис. 43. 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) Область считывания (заштрихована).

Область считывания представляет собой трапецию с высотой 2,0 мм и основаниями 0,8 мм и 0,3 мм, площадью S = 1,1 мм2. Для исследованных образцов при времени экспозиции t = 100 мс, и площади бита информации 2 мкм2 получено значение плотности записи и = 0,5·106 бит/мм2. При толщине функционального информационного слоя планарного волновода 1 мкм и толщине граничного слоя 20 мкм объемная плотность записи – 2,5·107 бит/мм3, скорость считывания 6·106 бит/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 5–10 мкм, уменьшить размер записываемого бита до 0,5–1,0 мкм и увеличить объемную плотность записи в 102–103 раз. 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 102 раз 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 10 раз.

Основные результаты работы

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

– получения прозрачных, оптически однородных суспензий с концентрацией БР до 15 мг/мл с размером частиц не более 8,7±0,5 нм;

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

– изготовления оптически однородных БР-содержащих полимерных слоев с заданными геометрическими характеристиками (площадь до 3 см2, толщина 614 мкм), оптической плотностью (0,81,3 на  = 570 нм) и динамическими фотохромными свойствами, а также повышенными, за счет введения в них модифицирующих химических соединений, чувствительностью (1,52 раза) и стабильностью (810 раз).

2. Исследовано 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. Изучены 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:

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

– для полученных БР-содержащих полимерных пленок неоднородность толщины по поверхности подложки (<50 нм на длине 10 мм) при толщине пленки более 5 мкм составляет <1%, отклонение от среднего значения по распределению концентрации БР не превышает 3%, объем;

– зависимость 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 пределах 1–100 мВт/см2 на  = 630 нм и 0,25–30 мВт/см2 на  = 530 нм.

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

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

– предельно допустимая экспозиция УФ-излучения, вызывающая уменьшение чувствительности на 20%, составляет 10 Дж/см2;

– значение энергии активации Еа = 1,1±0,05 эВ процессов взаимодействия БР с излучением ( = 630 нм). При нормальных условиях ресурс БР-содержащих полимерных пленок составляет >104 час.

4. 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.

5. Разработаны 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:

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

– условия 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;

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

– эффект 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. Предложены 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. Созданы технологии и изготовлены многослойные структуры:

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

– для 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. 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.

9. Исследованы на специализированных установках:

– многослойные 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 25 Вт/м2, 50 Вт/м2, 100 Вт/м2, 150 Вт/м2 и 200 Вт/м2 (время срабатывания 30 с);

– функциональные 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 1 мм2, при расходе БР 5 мкг, лежит в диапазоне 1,00,01 с;

– многослойные структуры на основе БР для нейросетевой обработки информации. Показано, что нейроподобные элементы в количестве 104–105 в 1 мм3 могут быть сформированы методами фотоиндуцированного изменения рельефа оптического поглощения/пропускания БР-содержащих слоев при темпе взаимодействия 107–108 связей в секунду;

– функциональные 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 23°–53° с шагом 1°) возбуждающего флуоресценцию излучения на основе использования встроенных непрерывных дифракционных решеток с различным периодом в диапазоне 0,4–0,65 мкм.

Осуществлена оценка эксплуатационных характеристик многослойных структур для 3D оптической памяти, для чего установлено пороговое значение плотности мощности двухфотонной записи Р 3·108 Вт/см2 на длине волны  = 680±10 нм. Для изготовленных образцов определены размеры области параллельного считывания (S = 1,1 мм2) и объем параллельно считываемой информации (6·105 бит) 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 «Протериус–Про» 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

  1. 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 ’97. 1997. Vol. 3402. P. 460–465.
  2. Гребенников Е.П. Устройство оптической нейронной сети / Патент на изобретение №2165644 (приоритет от 04.07.2000). Опубликовано 20.04.01.
  3. Гребенников Е.П. Технологические и оптико-физические характеристики бактериородопсин-содержащих пленок // Микросистемная техника. 2000. № 2. С.42–46.
  4. Гребенников Е.П. Технологические и оптико-физические характеристики бактериородопсин-содержащих пленок // Микроси

    Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 ||
     





 
© 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.