Данное исследование было просмотрен 264 раза

Многофунциональные стеклообразные материалы нового поколения для микрооптики и наноплазмоники

Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).

Срок реализации: 2020-2025 гг.

Исполнитель: Научно-исследовательская лаборатория «Многофункциональные стеклообразные материалы» (МСМ)

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Проведена оценка существующих подходов и материалов, разработана методика локальной модификации стеклообразных материалов.

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

Проведена оценка существующих подходов и разработана методика локальной модификации стеклообразных материалов. Постоянное напряжение, приложенное к многокомпонентному стеклу при температуре, достаточной для активации ионной проводимости, может привести к изменениям субанодной области стекла как по составу, так и по структуре. Охлаждение стекла под действием приложенного напряжения «замораживает» эти изменения, поскольку кинетические ограничения предотвращают процессы релаксации. В целом процедура называется термополингом. Модификация многокомпонентных стекол путем термополинга влияет на их свойства, включая молярный объем, твердость, показатель преломления, химическую стойкость, приводит к потере центральной симметрии этих изначально изотропных сред и изменяет коэффициент диффузии ионов в модифицированных областях. Последнее, в сочетании с изменениями структуры и состава, должно существенно повлиять на образование кристаллических зародышей и кристаллизационную способность стекол, склонных к фазовому распаду, что важно для образования стеклокерамики, стекол с полупроводниковыми квантовыми точками, металлическими наночастицами и диэлектрическими нановключениями, легированными редкоземельными элементами.

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем

К настоящему времени лишь в нескольких научных работах сообщается об инициированном полингом образовании кристаллитов в стеклах, а именно об образовании микрокристаллов титаната бария в стекле 15BaO-15TiO2-70TeO2, подвергнутом термической поляризации выше температуры стеклования, и моноклинного двухкальциевого силиката, диопсида и β-кристобалита в натриево-силикатном стекле при температуре ниже температуры стеклования с последующей термообработкой. Во всех этих случаях не обработанная область стекол оставалась аморфной, что свидетельствовало в пользу того, что именно термополинг стимулировал кристаллизацию стекла.

В настоящем проекте предложена методика кристаллизации стекла K2O-TiO2-SiO2, поляризованного ниже температуры стеклования без дополнительной термообработки. Полученные результаты демонстрируют возможность термополинга как метода формирования кристаллических наноструктур TiO2 в приповерхностной области щелочно-титаносиликатных стекол и представляют интерес для катализа. Подход в целом открывает путь к локальной модификации стеклообразных материалов для получения стекол, склонных к фазовому распаду, которые невозможно получить прямым синтезом, и для формирования областей с измененными свойствами на поверхности стабильных стекол.

3. Ссылки на статьи, публикации, мероприятия и РИД, представленные в соответствующих приложениях к отчёту о реализации программы создания и развития центра.

  • Проведена научная сессия Политехнического сообщества студентов-физиков в рамках: Всероссийской конференции Неделя науки ИФНиТ, 16–20 ноября 2020 г., Санкт-Петербург, https://phnt.spbstu.ru/events/phntsw/
В 2021 году
  • Разработаны подходы к локальной модификации стеклообразных материалов. Получены образцы новых материалов
  • Проведена диагностика состава и исследование структуры полученных материалов. Выработаны рекомендации по целенаправленной модификации и наноструктурированию материалов.
В 2022 году
  • Проведено исследование физических свойств полученных материалов. Установлена связь между режимами получения материалов, их составом, структурой и физическими свойствами.
В 2023 году
  • Получены образцы оптимизированных материалов для применения в микрооптике и наноплазмонике.
В 2024 году
  • Разработаны демонстрационные структуры на основе диагностики оптимизированных материалов.
В 2025 году
  • Изготовлены демонстрационные структуры микрооптики и наноплазмоники. Проведены испытания и диагностика структур. На основе новых стеклообразных материалов повышенной функциональности изготовлены приборные структуры микрооптики и плазмоники нового поколения, продемонстрирована работоспособность и применимость изготовленных инновационных структур.