Главная
>
Курсовые

Темы курсовых работ

Отдел физики полупроводников

Алешкин Владимир Яковлевич ИФМ РАН к. 234, т. 417-94-82 (+234), aleshkin@ipmras.ru
  • В работе предлагается теоретически исследовать влияние электронов в квантовой яме на спектр оптических фононов и на электрон-фононное взаимодействие.
  • В работе предполагается провести расчет вероятности беспороговой оже-рекомбинации в квантовых ямах HgTe.
Дубинов Александр Алексеевич ИФМ РАН к. 234, т. 417-94-82 (+234), sanya@ipmras.ru
  • В настоящее время наиболее распространенными из компактных полупроводниковых источников когерентного излучения в терагерцовом диапазоне частот являются квантово-каскадные лазеры (ТГц ККЛ) на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs. Практическая потребность в подобных когерентных источниках во многом связана с актуальными задачами спектроскопии и анализа сложных соединений, в том числе органических, представляющих большой интерес в области биоинженерии, мониторинга окружающей среды, фундаментальных исследований и пр. Однако, до сих пор существует потребность в улучшении свойств волноводов ТГц ККЛ. В предлагаемой работе необходимо провести теоретическую оптимизацию свойств волноводов ТГц ККЛ.
Жукавин Роман Хусейнович ИФМ РАН к. 260, т. 417-94-79 (+260), zhur@ipmras.ru
  • Работа посвящена исследованию мелких кулоновских центров в кремнии, германии и алмазе с точки зрения развития источников когерентного излучения терагерцового диапазона частот. Предполагается участие в экспериментальной активности коллектива лаборатории 113, направленной как на изучение характеристик существующих источников на основе кремния, легированного «мелкими» донорами при оптическом возбуждении, так и поиск новых активных сред в терагерцовом диапазоне частот.
  • Квантово-каскадные лазеры являются сравнительно новым типом полупроводниковых источников стимулированного излучения, в которых используются переходы носителей заряда одной полярности (электронов) в отличие от традиционных инжекционных лазеров, в которых генерация кванта света происходит в процессе рекомбинации электронов и дырок. Основой механизма, ответственного за создание инверсии населенности, является наличие процесса резонансного туннелирования между квантовыми ямами, составляющими период гетероструктуры, повторяющегося десятки и сотни раз, а также особенности взаимодействия электронов и колебаний кристаллической решетки, приводящие к различию в релаксационных временах разных уровней энергии.
    Конкретная работа носит экспериментальный характер и посвящена ознакомлению с указанным типом лазеров, исследованию их характеристик (выходная интенсивность и спектр излучения) в различных лабораторных условиях (при изменении, например, температуры, приложенного напряжения, величины магнитного поля) и интерпретации полученных результатов.
Козлов Дмитрий Владимирович ИФМ РАН к. 262, т. 417-94-82 (+262), dvkoz@ipmras.ru
  • Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию примесей и дефектов в материалах кадмий-ртуть-теллур (КРТ), в том числе с квантовыми ямами (КЯ). Результаты работы могут быть полезны при «теоретическом конструировании» новых источников излучения ТГц и среднего ИК диапазона, работающих на переходах между состояниями примесей в КРТ-структурах. В этих материалах ширина запрещенной зоны зависит от состава твердого раствора и в узкозонных структурах энергия ионизации акцепторов оказывается сравнимой с шириной запрещенной зоны, т. е. примесь оказывается глубокой. Состояния глубоких акцепторов в КРТ материалах могут, в зависимости от состава твердого раствора, оказываться как в запрещенной зоне, так и попадать в зону проводимости, т. е. становиться резонансными. Таким образом, возникла необходимость разработать методы описания таких примесных состояний, научиться рассчитывать их энергии, а также матричные элементы оптических переходов между состояниями акцепторов и переходов примесь-зона и времена жизни состояний примеси, если они оказываются резонансными.
Лобанов Дмитрий Николаевич ИФМ РАН к. 102, т. 417-94-73 (+102), dima@ipmras.ru
  • В девяностых годах прошлого столетия произошел стремительный прогресс в технологии выращивания A3N материалов, и в настоящее время нитриды являются основой для создания эффективных светодиодов, лазеров и фотодиодов видимого и ультрафиолетового диапазонов, а также мощных СВЧ транзисторов. Бόльшая часть светодиодного освещения, использующегося в быту, промышленности и на улицах изготовлена на основе этих материалов. Нитрид индия (InN) является наименее изученный из полупроводниковых нитридов металлов III группы. Только в 2002 г. было установлено, что этот прямозонный полупроводник при комнатной температуре имеет ширину запрещенной зоны EG~0.64 эВ, лежащую в инфракрасной (ИК) области спектра. Это открыло перспективы расширения спектрального диапазона работы оптических приборов на основе нитридов до ИК, а также практического использования InN и твердых растворов на его основе в электронике, фотонике и солнечной энергетике. Однако трудности приборных применений InN связаны с все еще низким качеством выращиваемых эпитаксиальных слоев, обладающих большой концентрацией электрически активных примесей и дефектов, а также с трудностями получения этого материала с дырочным типом проводимости.
    В рамках работы планируется развитие технологии получения высококачественных слоёв InN методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота с целью улучшения их фотоприёмных, люминесцентных и транспортных характеристик.
Морозов Сергей Вячеславович ИФМ РАН к. 262, т. 417-94-82 (+262), more@ipmras.ru
  • Наногетероструктуры на основе твердых растворов Hg1-xCdxTe представляют собой перспективный материал для создания компактных полупроводниковых лазеров на диапазон длин волн 20 — 50 мкм. Данный диапазон недоступен для квантово-каскадных лазеров на основе соединений А3В5 ввиду сильного решеточного поглощения. К настоящему времени единственными источниками когерентного излучения в диапазоне длин волн 20 — 50 мкм остаются диффузионные лазеры на основе халькогенидов свинца-олова, которые характеризуются низкой мощностью и низкими рабочими температурами. C другой стороны, структуры на основе Hg1-xCdxTe, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии, обладают рядом технологических преимуществ, основным из которых является возможность контролируемого роста гетероструктур с квантовыми ямами. Варьирование параметров квантовых ям позволяет управлять шириной запрещенной зоны и гибко «подстраивать» энергетический спектр носителей, в том числе делая его «графеноподобным», что способствует подавлению безызлучательных механизмов рекомбинации В настоящее время нами получено стимулированное излучение на рекордной длине волны 10.2 мкм. В задачи работы входит разработка дизайнов волноводных структур с квантовыми ямами на основе Hg1-xCdxTe для дальнейшего увеличения длины волны генерации, получение стимулированного излучения и экспериментальное исследование его спектральных и мощностных характеристик.
Румянцев Владимир Владимирович ИФМ РАН к. 262, т. 417-94-82 (+262), rumyantsev@ipmras.ru
  • Твердые растворы Hg1-xCdxTe — лидирующий материал при создании фотоэлектрических детекторов среднего ИК диапазона (окна прозрачности атмосферы 3 — 5 мкм, 8 — 14 мкм). Недавние работы показывают, что наногетероструктуры на основе твердых растворов Hg1-xCdxTe оказываются перспективными и при разработке длинноволновых лазеров. В обоих случаях ключевым является вопрос о времени жизни носителей в материале, так как оно определяет потенциальную чувствительность приемника и пороговую мощность накачки, необходимую для создания инверсии населенности в активной среде лазера. Несмотря на существенный прогресс в технологии роста, проблема снижения влияния примесей и дефектов на времена жизни носителей в твердых растворах Hg1-xCdxTe все еще актуальна, в особенности для узкозонных материалов (ширина запрещенной зоны менее 100 мэВ, х < 0.2). Кроме того, остается открытым вопрос о роли оже-рекомбинации в условиях высокой концентрации носителей, который становится особенно важным при разработке лазеров. Обзор литературных данных показывает, что процессы оже-рекомбинации требуют экспериментального исследования, а их теоретическое описание — дальнейшего совершенствования. В работе предполагается детальное исследование процессов рекомбинации носителей в узкозонных твердых растворах Hg1-xCdxTe и гетероструктурах с квантовыми ямами на их основе в широком интервале температур и интенсивностей возбуждения с помощью разрешенных по времени исследований фотопроводимости и фотолюминесценции, а также методом pump-probe с использованием лазера на свободных электронах HZDR FELBE (Дрезден, Германия).
Степихова Маргарита Владимировна ИФМ РАН к. 273, т. 417-94-82 (+273), mst@ipmras.ru
  • Работа предполагает проведение исследований низкоразмерных фотонных структур, сформированных на базе кремниевых материалов, методами микро-фотолюминесценции с высоким пространственным и спектральным разрешением. Задачи работы включают в себя анализ возможностей усиления люминесцентного отклика активной среды, управления диаграммой направленностью и поляризационными особенностями излучения с конечной целью создания новых оптических элементов для схем интегральной фотоники. Исследуемые структуры: резонаторы Ми, резонаторы мод шепчущей галереи, метаструктуры на их основе, а также двумерные фотонные кристаллы с разными параметрами кристаллической решетки и дефектами, обеспечивающими локализацию в них фотонных мод. Теоретические расчеты исследуемых структур выполняются методами: конечно-разностных элементов (программный пакет COMSOL Multiphysics) и Фурье-модальным методом в формализме матриц рассеяния (программный пакет теоретической группы Сколтеха).
Юрасов Дмитрий Владимирович ИФМ РАН к. 102, т. 417-94-80 (+102), inquisitor@ipmras.ru
  • Одной из актуальной проблем развития современной кремниевой нано- и оптоэлектроники является интеграция на кремниевой подложке устройств на основе германия (Ge). Ge по целому ряду свои параметров превосходит кремний, что позволяет создавать на его основе быстродействующие транзисторы, приемники и источники излучения ближнего ИК диапазона. Но для интеграции приборов на основе Ge с традиционной кремниевой технологией необходимо решить задачу получения на Si(001) подложках тонких (1 мкм и менее) высококачественных слоев Ge и их селективного легирования донорами. Решению этих задач и посвящена предлагаемая курсовая работа.
    Работа является, в основном, экспериментальной и предполагает освоение современного технологического оборудования эпитаксии полупроводниковых SiGe гетероструктур и анализ результатов исследований, полученных структур широким набором методов. В настоящей работе предполагается проведение исследования возможностей роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии на Si(001) подложках релаксированных и растянутых Ge слоев высокого кристаллического качества, изучение способов внедрения доноров в Ge матрицу без деградации структур, формирование образцов для потенциальных приборных применений.
Яблонский Артём Николаевич ИФМ РАН к. 261, т. 417-94-82 (+261), yablonsk@ipmras.ru
  • Работа посвящена экспериментальному исследованию люминесцентных свойств полупроводниковых наноструктур, излучающих в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. В качестве объектов исследования будут рассмотрены: структуры с пространственно упорядоченными Ge(Si) наноостровками и фотонными кристаллами на их основе; одноосно и двухосно растянутые микроструктуры на основе слоев Ge; структуры с нитевидными нанокристаллами («вискерами») InAsP/InP и GaAs/AlGaAs; эпитаксиальные структуры InN.
    В ходе работы предполагается ознакомление с такими современными методами исследования как:
    •     спектроскопия фотолюминесценции видимого и инфракрасного диапазона с наносекундным временным разрешением;
    •     спектроскопия возбуждения фотолюминесценции с использованием перестраиваемых по длине волны лазерных источников излучения;
    •     спектроскопия микро-фотолюминесценции с пространственным разрешением 1-2 нм;
    •     измерения при криогенных температурах и исследования температурных зависимостей фотолюминесценции в диапазоне от 4.2 до 300 К;
    •     исследование стимулированного излучения и лазерной генерации в полупроводниковых структурах.

Отдел физики сверхпроводников

Аладышкин Алексей Юрьевич ИФМ РАН к. 026, т. 417-94-85 (+257, +258, +311), aladyshkin@ipmras.ru
  • Измерение температурной зависимости глубины проникновения магнитного поля в тонкопленочных сверхпроводящих структурах является одной из важных методик диагностики сверхпроводящего состояния. В рамках предлагаемой работы предполагается участие в модернизации исследовательской установки, разработка автоматизированной системы сбора данных, непосредственное проведение измерений, анализ результатов, знакомство с математическими пакетами LabView, Matlab и Python. Студент при должном усердии получит практический опыт работы в области криогенной техники, методов СВЧ измерений, знакомство с базовыми теориями сверхпроводимости (Гинзбурга-Ландау и Бардина-Купера-Шриффера) и навыки анализа полученных данных. Работа проводится в рамках исследовательских проектов ИФМ РАН.
  • Хорошо известно, что спектр энергии электрона в ультратонких металлических пленках отличается от спектра энергии свободной частицы из-за наличия границ (иначе говоря, локализации волновой функции частицы в пределах металлического слоя). В рамках предлагаемой работы предполагается участие в напылении тонкопленочных металлических структур (Pb, Al) термическим методов в условиях сверхвысокого вакуума и исследовании локальных электронных свойств методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, а также активное участие при анализе полученных результатов. Студент получит представление о современной вакуумной и криогенной технике, методиках создания образцов и исследования их методом СТМ.
Андронов Александр Александрович ИФМ РАН, т. 8 910 792 4876, andron@ipmras.ru
  • Работа стимулирована экспериментальны исследованием японской группы по наблюдению такого излучения в графене в полосковых резонаторах и опубликованными предварительными аналитическими расчетами руководителя и его коллеги. В этих работах продемонстрирована возможность создания непрерывного, перестраиваемого по частоте источника ТГц излучения при комнатной температуре. И моделирование должно исследовать и проанализировать эти утверждения. Их подробные доказательства позволят создать проект таких источников и начать находить группы в России и мире, где их можно сделать.
    Надо познакомиться с этими работами, познакомиться со свойствами графена и механизмами рассеяния электронов, поведением электронов в сильных электрических полях, с методом Монте-Карло анализа такого поведения.
Водолазов Денис Юрьевич ИФМ РАН к. 226, т. 417-94-85 (+226), vodolazov@ipmras.ru
  • В сверхпроводниках отсутствует сопротивление, и одним из следствий этого свойства является наличие кинетической индуктивности Lk. Lk характеризует запасенную кинетическую энергию сверхпроводящих электронов, и в некоторых случаях Lk может превышать обычную индуктивность L, связанную с энергией магнитного поля, создаваемую проводником с током. Существенным свойством Lk является ее зависимость от тока I. Это позволяет использовать ее в различных приложениях, включая однофотонные счетчики и низкотемпературные параметрические усилители, используемые для усиления сигнала от кубитов. В работе предлагается экспериментально исследовать сильную нелинейность Lk(I), характерную для композитных сверхпроводников.
Галин Михаил Александрович ИФМ РАН к. 225, т. 417-94-83, galin@ipmras.ru
  • В настоящее время наблюдается дефицит в компактных и перестраиваемых генераторах терагерцового диапазона частот («проблема терагерцовой щели»). Одним из перспективных подходов в решении данной проблемы является реализация генератора на основе джозефсоновского контакта. Однако мощность, излучаемая одиночным контактом, довольно мала, поэтому для получения мощности, требуемой для практических применений, необходимо создавать массивы (цепочки) джозефсоновских контактов. В таком случае возникает задача синхронизации контактов в массиве.

    Работа направлена на исследование возможности построения генератора терагерцового диапазона частот на массивах большого числа (~10^2-10^4) дискретных джозефсоновских контактов. Планируется экспериментальное исследование массивов Nb/NbSi/Nb контактов различной конфигурации, а также численное моделирование джозефсоновских антенн, основанное на методе FDTD расчёта эл./маг. поля и решении нелинейных уравнений джозефсоновского контакта в рамках резистивной модели.
Самохвалов Алексей Владимирович ИФМ РАН т. (831) 417-94-85
  • Работа предполагает теоретическое изучение взаимодействия сверхпроводимости, спин-орбитальной связи и обменного поля в модельных гибридных структурах с эффектом близости: сверхпроводник-ферромагнетик или сверхпроводник-топологический изолятор. Спин-орбитальная связь в сочетании с магнитным обменным полем может способствовать образованию необычного неоднородного сверхпроводящего состояния, которое крайне интересно для изучения взаимодействия между магнетизмом и сверхпроводимостью, приводит к образованию джозефсоновского перехода со спонтанной разностью фаз в основном состоянии и играет важную роль в физике майорановских фермионов.
Беспалов Антон Андреевич ИФМ РАН к. 225, bespalov@ipmras.ru
  • Предлагается теоретически исследовать колебания сверхпроводящего параметра порядка (моды Хиггса) в различных сверхпроводящих системах при низких температурах. Работа включает в себя изучение механизмов возбуждения и детектирования Хиггсовских мод.
Копасов Александр Андреевич ИФМ РАН к. 256, kopasov@ipmras.ru
  • Полупроводниковые нанопровода покрытые сверхпроводящей оболочкой на сегодняшний день являются одной из самых перспективных платформ для поиска майорановских состояний в твердотельных системах. В данной работе предлагается теоретический расчет топологических фазовых диаграмм таких гетероструктур, а также исследование их транспортных и магнитных свойств.
Миронов Сергей Викторович ИФМ РАН к. 257, т. +7 951 9142322, svmironov@ipmras.ru
  • Целью работы является разработка теоретических основ нового направления физики конденсированных сред, находящегося на стыке оптики, сверхпроводимости и магнетизма — сверхпроводниковой оптофлаксоники. Работа предполагает теоретическое изучение механизмов оптического управления бездиссипативными токами и топологически защищенными магнитными состояниями в сверхпроводящих системах. Результаты могут быть использованы для разработки сверхбыстрых ячеек памяти и элементов управления зарядовыми и спиновыми токами в криоэлектронике и спинтронике.
Новиков Михаил Афанасьевич ИФМ РАН к. 234, т. +7 920 2529398, mnovik@ipmras.ru
  • На первом этапе работа теоретическая, а на втором предполагается создание оптической экспериментальной установки для проверки полученных результатов теоретических расчетов.
Савинов Денис Александрович ИФМ РАН к. 257, т. 417-94-85 (+257), 8-910-121-72-14, savinovda@ipmras.ru
  • В работе будет предложено ознакомиться с теоретическими представлениями об экранировании внешнего магнитного поля сверхпроводниками и изучить основные особенности фундаментального масштаба сверхпроводников — лондоновской длины. В рамках метода вариационного исчисления и дифференциального анализа предстоит решить простые теоретические задачи для типичных геометрий сверхпроводников. Работа также ориентирована на проведение соответствующих экспериментальных исследований в рамках имеющегося в ИФМ РАН криогенного оборудования и обработку полученных результатов.
  • В работе будет предложено ознакомиться с теоретическими основами физики сверхпроводников 2 рода во внешних магнитных полях. В частности, предстоит изучить отличительные свойства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Работа также ориентирована на проведение экспериментальных исследований ВТСП наноструктур в рамках имеющегося в ИФМ РАН криогенного оборудования и обработку полученных результатов.
Токман Иосиф Давыдович ИФМ РАН к. 227, т. +7 903 6064080, tokman@ipmras.ru
  • Требуется расчитать нелинейный ток намагничивания, определяющий обратный эффект Фарадея.

Отдел многослойной рентгеновской оптики

Гарахин Сергей Александрович ИФМ РАН к. 127, т. 417-94-85 (+127), garahins@ipmras.ru
  • Апериодические зеркала — подкласс многослойных рентгенооптических элементов, структура которых представляет собой последовательность слоев двух и более материалов, с изменяющимися по определенному закону толщинами. Такая вариативность позволяет гибко настраивать профиль отражательной способности под конкретные задачи.

    В рамках работы планируется расчет, синтез методом магнетронного напыления и изучение апериодических зеркал с полосой пропускания, повторяющей формы эмиссионных линий Si Lа (13,5 нм), Be Ka (11,4 нм) и B Ka (6,7нм), что представляет интерес для безмасочной рентгеновской нанолитографии.

    Второй задачей является теоретическое и экспериментальное исследование возможностей апериодических многослойных зеркал по управлению спектральными, угловыми и временными характеристиками отраженных рентгеновских пучков, для чего требуется разработка алгоритма, позволяющего по заданным характеристикам зеркала рассчитывать рентгенооптические и временные характеристики отраженных импульсов рентгеновского излучения.
Михайленко Михаил Сергеевич ИФМ РАН к. 119, mikhaylenko@ipmras.ru
  • Развитие современных технологий, науки и техники требует повышения качества оптических элементов и оптических систем в целом. За последние 10 лет требования к точности формы и шероховатости поверхности перешли в субнанометровую область. В первую очередь это связано с переходом в коротковолновый диапазон длин волн: от вакуумного ультрафиолетового (длины волн 100-200 нм) до экстремального ультрафиолетового (длины волн 10-100 нм) и даже мягкого рентгеновского (длины волн 3-10 нм). Здесь появляется все больше как научных задач, связанных, например, с изучением физики Солнца и верхних слоев атмосферы, так и прикладных, таких, как системы мониторинга околоземного пространства в ВУФ, активно развиваются технологии создания микроэлектроники посредством ЭУФ нанолитографии, а также разрабатываются методики нанодиагностики в области «водяного окна» (длины волн 2.4-4 нм). Такие точности формы и шероховатости (атомарного уровня) могут быть доступны только при использовании технологии ионно-пучкового травления. В работе предлагается развитие методов ионной коррекции с целью получения прецизионных оптических элементов.
Нечай Андрей Николаевич ИФМ РАН к. 156, nechay@ipmras.ru
  • В настоящее время в отделе 8130 многослойной рентгеновской оптики проводятся работы по разработке, изготовлению и запуску установки по получению ускоренных кластерных пучков
    На данной установке будут решаться следующие научные задачи:
    • Изучение структуры кластерных пучков и процессов кластеризации.
    • Изучение эмиссии излучения при столкновении кластеров с поверхностью.
    • Полировка различных поверхностей с помощью кластерных пучков.
    Результатом проведения исследовательской работы на данной установке станут экспериментальные данные, необходимые для построения теории кластеризации газовых пучков, теории планаризации поверхностей кластерами, теории генерации мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения в столкновительных процессах.
  • В настоящее время в отделе 8130 многослойной рентгеновской оптики проводится поиск эффективных лабораторных источников излучения в диапазоне мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового диапазона длин волн. Такие источники востребованы для различных лабораторных приложений: рефлектометрических измерений, в литографических целях, МР микроскопии и тд. Данный источник излучения представляет собой газовую струю, в которую фокусируется излучение возбуждающего лазера. На данной установке предлагается решать следующие научные задачи:
    • Изучение эмиссионных спектров лазерной плазмы различных элементов.
    • Изучение эмиссионных спектров лазерной плазмы кластерных газовых мишеней.
    • Изучение влияния параметров газовой мишени на интенсивность и спектральную зависимость эмиссионного излучения спектров.
    Результатом проведения исследовательской работы на данной установке станут экспериментальные данные, необходимые для построения теории формирования ЭУФ излучения в газовых мишенях различной структуры.
Пестов Алексей Евгеньевич ИФМ РАН к. 119, aepestov@ipmras.ru
  • В работе предлагается использовать пакет LAMMPS (GitHub) для моделирования процессов распыления твёрдых тел потоком ускоренных ионов. Расчёты, основанные на квантовой механике, обладают существенными перспективами, но они все еще находятся на очень ранней стадии своего развития. Хотя они основываются на точном описании процессов в системе ускоренные ионы-поверхность, они всё еще не могут осуществлять надежные прогнозы. Классическое описание процесса распыления не позволяет предсказать поведение шероховатости поверхности и структуры приповерхностного слоя. Причина в том, что на границе раздела заряженные частицы — твердое тело происходит огромное разнообразие сложных физических и химических процессов, которые включают вторичную эмиссию электронов, распыление, нейтрализацию и проникновение (остановка) ионов, адсорбцию и десорбцию нейтральных частиц, а также химические реакции. Применение моделирования методом молекулярной динамики для изучения механизма физико-химических процессов, протекающих при ионном распылении твердых тел, значительно ускоряет получение результатов, по сравнению с экспериментальными исследованиями. Это даёт возможность сократить время, необходимое для оптимального планирования экспериментов, проверки и подтверждения результатов расчётов, а затем и для принятия решений о направлении совершенствования технологий ионного травления.
Полковников Владимир Николаевич ИФМ РАН к. 127, т. 417-94-76 (+127), kiniokop@rambler.ru
  • Работа носит преимущественно экспериментальный характер и посвящена разработке и созданию новых высоко эффективных многослойных зеркал, предназначенных для создания схем телескопов орбитального базирования. В ближайшие годы в России предполагается создать и вывести на орбиту, как минимум, три новейшие космические солнечные обсерватории. Новые задачи, стоящие перед ними, возможно решить только с использованием многослойной рентгеновской оптики с улучшенными характеристиками. То есть с характеристиками, превосходящими всё имеющееся в мире на данный момент.
  • Многослойные зеркала являются основой оптических схем приборов наблюдения для диагностики лабораторной и солнечной плазмы, проекционной литографии (технологии изготовления чипов микроэлектроники), рентгеновской микроскопии и многих других отраслей науки и техники. Научно-технический прогресс в этих областях взаимосвязан с качеством и свойствами изготавливаемых на практике зеркал. Поэтому остается актуальной задача совершенствования методов изготовления (синтеза) многослойных зеркал.
    До сих пор и в мире, и в России (ИФМ РАН) наиболее распространенным методом синтеза многослойных структур является магнетронное распыление. Однако здесь уже достигнут предел возможностей улучшения характеристик зеркал. Дополнительные возможности открываются через применение альтернативных методик — сильноточного магнетронного распыления, ионной полировки, ионного ассистирования и ионно-пучкового распыления. Это и является сутью работы. В данном случае она в большей степени экспериментальная. Необходимая теория остается в рамках классической электродинамики.
  • Многослойные зеркала (МЗ) являются универсальной основой оптических схем, предназначенных для работы в диапазоне длин волн 2-60 нм. Однако до сих пор не весь этот диапазон перекрыт имеющимися зеркалами. Развитию исследований во многих областях науки во многом препятствуют «белые пятна» многослойной зеркальной рентгеновской оптики. То есть отсутствие эффективно отражающих МЗ для ряда под-диапазонов длин волн.
    В данной работе в качестве основы высоко отражающих и частично закрывающих «белые пятна» зеркал предлагается применять бериллий. Важно отметить, что ни в мире, ни в России этот элемент до сих пор не применялся для создания МЗ. Этот факт дает преимущество тому, кто первым освоит работу с ним.
    Работа носит преимущественно экспериментальный характер. Тем не менее, остается место и для теории. В частности, очень важным моментом является умение извлекать точную детальную информацию о составе и структуре МЗ из результатов измерения отражения от них рентгеновского излучения.
Чхало Николай Иванович ИФМ РАН к. 128, chkhalo@ipmras.ru
  • Литография является ключевой технологией производства элементов микро(нано)электроники, определяющей топологические нормы и степень интеграции сверхбольших интегральных схем (СБИС). В ИФМ РАН предложен инновационный метод высокопроизводительной рентгеновской литографии. В настоящее время в рамках проекта Фонда Перспективных Исследований по этой теме выполняется аванпроект. В случае подтверждения физических принципов, заложенных в основу метода фондом планируется поддержка большого проекта по созданию впервые в мире литографа-демонстратора технологии высокопроизводительной рентгеновской литографии.

Отдел технологии наноструктур и приборов

Волков Пётр Витальевич ИФМ РАН к. 208, т. 417-94-55, volkov@ipmras.ru
  • Работа посвящена моделированию и экспериментальной проверке перспективных конструкций волоконно-оптических измерительных систем и волоконно-оптических сенсоров. Актуальность работы обусловлена активным развитием и внедрением оптических и волоконно-оптических измерительных систем в различных областях науки и техники.
  • Работа посвящена разработке, моделированию и последующей экспериментальной проверке интегрально-оптических элементов и устройств на их основе. В настоящее время наблюдается большой интерес к созданию и внедрению фотонных интегральных схем в системы связи и в устройства обработки данных. В работе будут исследоваться элементы фотонных интегральных схем для перспективных аналоговых вычислительных машин.
Королёв Сергей Александрович ИФМ РАН к. 255, pesh@ipmras.ru
  • Открытие новых материалов даёт возможность создавать полупроводниковые приборы с улучшенными характеристиками. Материалы на основе твёрдых растворов (Al,Ga,In)N находят широкое применение в оптической, силовой и сверхвысокочастотной электронике.
    В данной работе исследуются вопросы создания высокочуствительных приёмных элементов субтерагерцового диапазона частот (100 — 300 ГГц) на основе технологии GaN. Разрабатываемые приёмные элементы могут быть использованы в современных системах радиолокации, радиовидения и других системах, требующих регистрации слабого субтерагерцового излучения
Пахомов Георгий Львович ИФМ РАН к. 203, т. 417-94-59, pakhomov@ipmras.ru
  • Эксперименты по получению гибридных тонкоплёночных гетероструктур на основе природоподобных молекул. Полученные образцы исследуются несколькими аналитическими методами; на основании фотоэлектрических измерений рассчитываются фотовольтаические параметры. Изучаются процессы образования и распада молекулярных экситонов. Задачей является повышение эффективности ячейки за счёт применения новых материалов.
Юнин Павел Андреевич ИФМ РАН к. 238, т. 417-94-59, yunin@ipmras.ru
  • Курсовая работа предполагает участие в исследованиях структурных и электрофизических свойств слоев нитрида галлия, выращенных на подложках а-среза сапфира методом металлоорганической газофазной эпитаксии. Возможно участие в технологических процессах получения и подготовки эпитаксиальных структур, проведение рентгенодифракционных исследований и электрофизических измерений, выполнение кристаллофизических расчетов, обработка и интерпретация результатов.

Отдел магнитных наноструктур

Гусев Сергей Александрович ИФМ РАН к. 122, т. 417-94-89 (+122), gusev@ipmras.ru
  • В работе предлагается провести исследование влияния структурных характеристик наноразмерных систем, которые могут быть сформированы из различных материалов (одиночные и многослойные металлические структуры, многослойные элементы рентгеновской оптики, нанотрубки и т. п.) на магнитные, оптические или электрические свойства. На выбор студенту предлагается несколько тем:
    • Диагностика структур (металлических, полупроводниковых …) методом спектроскопии характеристических потерь электронов (EELS в англоязычной литературе), что подразумевает получение информации о пространственном распределении элементов в образце, их количественном составе; изучение ближнего порядка в расположении атомов; анализ магнитных характеристик пленок с применением нового метода хирального магнитного дихроизма с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Содержание работы: эксперимент + компьютерная обработка результатов, моделирование спектров и ТЕМ изображений.
    • Исследование структурных превращений в металлических пленках при ионной либо термической обработке методами высокоразрешающей ПЭМ и электронного микродифракционного анализа. Содержание работы: эксперимент + компьютерная обработка результатов и моделирование изображений высокого разрешения (информационный предел разрешения у нас 0,12 нм).
    • Растровая (сканирующая) электронная микроскопия наноструктур. Предлагается освоить методы диагностики и провести экспериментальные исследования структур на основе тонких пленок или допированных металлами многослойных углеродных нанотрубок с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Задача состоит в изучении структурных и морфологических особенностей этих объектов в зависимости от их состава и способа получения. Требуется объяснить особенности контраста СЭМ изображений, полученных с помощью разных детекторов, что предполагает разработку (или освоение существующих) методов моделирования изображений.
    Общие требования к студентам — знание английского языка, основ кристаллографии, аккуратность и регулярность посещений. Особо поощряется тяга к программированию (есть большая библиотека лицензионного и свободного программного обеспечения для обработки изображений и спектров, возможно написание оригинальных скриптов).
Караштин Евгений Анатольевич ИФМ РАН к. 121, т. 417-94-88, eugenk@ipmras.ru
  • Ферромагнетик является колебательной системой. В нём возможно возбуждение резонанса осцилляций магнитного момента с характерными частотами, соответствующими СВЧ диапазону. Если магнитное вещество неоднородно в пространстве, спектр возбуждений в нём может быть довольно сложный. В последнее десятилетие особый интерес вызывает так называемая гиромода в диске с вихревым распеределением намагниченности: кор (центральная часть) вихря в такой моде вращается вокруг геометрического центра диска по окружности, а частота соответствует сотням мегагерц. Преимуществом такой моды в сравнении с однородным колебанием намагниченности считается значительная устойчивость к случайным флуктуациям параметров системы. К недостаткам можно отнести довольно низкую частоту колебаний. Одним из способов повышения частоты и управления ей является изготовление диска, состоящего из двух слоёв: ферромагнитного и антиферромагнитного. При этом магнитный вихрь в ферромагнетике оказывается как бы закреплён на поверхностном магнитном моменте, выходящем на интерфейс антиферромагнетика; для перемагничивания же последнего требуются обычно большие поля. Поэтому частота колебательных мод в ферромагнитном диске возрастает. В рамках курсовой работы предлагается провести микромагнитное моделирование с использованием пакета MuMax3 и исследовать спектр колебаний намагниченности в такой системе, а также выполнить теоретические оценки, показывающие рост частоты гиромоды при усилении влияния антиферромагнетика. При желании возможно участие в проведении эксперимента по регистрации указанного явления.
  • Известно, что переходы электронов проводимости между спиновыми подзонами ферромагнетика под действием электромагнитной волны запрещены в электродипольном приближении. Этот запрет снимается, если пространственное распределение намагниченности в ферромагнетике неколлинеарно. Ранее данное явление было теоретически рассчитано для геликоидальной (спиральной) магнитной структуры, а также для многослойной системы с однородными, но не коллинеарными друг другу магнитными моментами слоёв. Это позволило объяснить пик поглощения в гольмии, который наблюдался в эксперименте при температуре ниже температуры Нееля, когда реализовывалось спиральное распределение намагниченности с нулевой средней намагниченностью. В рамках данной курсовой работы студенту предлагается рассчитатть аналогичное явление в антиферромагнетиках, к которым приложено внешнее магнитное поле, оценить величину и определить условия возникновения дополнительного вклада в поглощение ими света.
  • Известно, что переходы электронов проводимости между спиновыми подзонами ферромагнетика под действием электромагнитной волны запрещены в электродипольном приближении. Этот запрет снимается, если пространственное распределение намагниченности в ферромагнетике неколлинеарно, и в частности, в магнитной спирали. Такое антиферромагнитное распределение наблюдается, например, в гольмии и диспрозии при температуре ниже температуры Нееля, в результате особенностей обменного взаимодействия в них. Также оно может реализоваться в системах с объёмным спин-орбитальным взаимодействием типа Дзялошинского-Мория (сплавы MnSi, FeGe). В результате описанных переходов возникает максимум поглощения электромагнитной волны ИК диапазона (наблюдался в гольмии). Пространственная ориентация оси геликоида очень важна для этого явления: поглощается только волна, в которой электрическое поле параллельно этой оси. В упомянутых материалах ось геликоида ориентируется в соответствии с кристаллической структурой. Но ей можно управлять, прикладывая внешнее магнитное поле или приводя материал в контакт со слоем ферромагнетика. В рамках курсовой работы студенту предлагается рассчитать зависимость распределения намагниченности в плёнке, изготовленной из материала с геликоидальным распределением намагниченности, от парметров приведенного с ней в контакт слоя однородного ферромагнетика и приложенного поля. Результатом работы будет оптимальный набор параметров для экспериментального наблюдения явления.
  • Спиновый клапан, или туннельный магнитный контакт, представляет собой два однородных ферромагнитных слоя, разделённых тонкой туннельно-прозрачной диэлектрической прослойкой. Известно, например, что сопротивление такой системы зависит от взаимной ориентации намагниченностей ферромагнетиков. На этом явлении основаны датчики магнитного поля, которые с 2009 года используются в считывающих головках жёстких дисков. Разновидностью спинового клапана является нелокальный спиновый клапан, в котором используются не ферромагнитные слои, а магнитные полосы, соединённые проволокой из немагнинтого проводящего материала. Длина соединяюей магнитные берега полосы должна при этом быть меньше длины релаксации спина электронов проводимости. Поэтому в качестве немагнитного материала используются такие металлы, как медь или алюминий, в которых характерные длины релаксации спина составляют сотни нанометров, либо полупроводники, где соответствующие длины могут достигать микрон и десятков микрон. Эффект Ханле заключается в том, что при пропускании тока между немагнитной проволокой и одним из магнитных берегов, между другим магнитным берегом и проволокой возникает напряжение, которое зависит от приложенного к системе магнитного поля. Это связано с диффузией электронов от одного магнитного берега к другому; их спин при этом прецессирует во внешнем магнитном поле. Если же намагниченности берегов и магнитное поле образуют некомпланарную тройку, эффект Ханле приобретает невзаимный характер, т. е. при смене местами источника и приёмника напряжение будет менять знак. Это связано с некоммутативностью спиновой алгебры для электронов проводимости как частиц со спином 1/2: важно, какой из ферромагнетиков является источником спина, а какой приёмником. Экспериментально это должно проявляться в нечётной по магнитному полю зависимости напряжения в эффекте Ханле. В рамках данной работы студенту предлагается провести расчёт эффекта Ханле в нелокальном спиновом клапане, состоящем из двух непараллельных магнитных полос, соединённых несколькими немагнитными каналами разной длины, и принять участие в эксперименте по измерению эффекта Ханле в нелокальном спиновом клапане с неколлинеарно ориентированными намагниченностями берегов, изготовленном на основе антимонида индия.
Кузнецов Михаил Алексеевич ИФМ РАН к. 121, т. 417-94-88, kuznetsovm@ipmras.ru
  • Магнитокалорический эффект (МКЭ) заключается в обратимом изменении температуры магнитного материала при его адиабатическом намагничивании или размагничивании. На основе этого эффекта можно организовать цикл магнитного охлаждения, результатом работы которого будет отвод тепла от нагрузки во внешнюю среду, в том числе при комнатной температуре. Ожидается, что такие холодильные устройства будут отличаться экологичностью, компактностью и энергоэффективностью. Одной из причин, по которой технология магнитного охлаждения до сих пор не получила широкого распространения, является необходимость приложения очень больших магнитных полей для достижения необходимой величины МКЭ. Эту проблему можно обойти, если перейти от объемных магнитокалорических материалов к наноструктурированным, которые в принципе можно использовать для охлаждения устройств микро- и наноэлектроники. В рамках курсовой работы предлагается проделать расчеты магнитокалорических характеристик наноструктурированного материала, представляющего собой антиферромагнитную матрицу, содержащую ферромагнитные гранулы. Гранулы являются источниками обменных полей, усиливающих МКЭ матрицы.
  • Магноника занимается поиском способов использования спиновых волн (магнонов) для передачи, обработки и хранения информации. В настоящее время проблема создания устройств на основе спиновых волн приобретает все большую актуальность, поскольку такие устройства могут иметь ряд преимуществ перед устройствами классической электроники. Среди преимуществ можно выделить следующие: (1) Магноны являются незаряженными квазичастицами, поэтому передача и обработка информации с их помощью не сопровождается джоулевыми потерями; (2) Закон дисперсии спиновых волн можно настраивать посредством изменения внешнего магнитного поля, а также геометрических характеристик системы. При этом длина спиновой волны находится в микро- и субмикромасштабе на микроволновых частотах, что способствует созданию магнонных микроустройств; (3) Спиновые волны распространяются только в магнитоупорядоченных средах и не взаимодействуют с немагнитным окружением. Все эти преимущества делают магнонику перспективным и быстроразвивающимся направлением электроники. В рамках курсовой работы планируется провести теоретическое исследование объемных и поверхностных мод спиновых волн в структуре ферромагнетик/парамагнетик; установить температурные зависимости спектров спиновых волн.
Сапожников Максим Викторович ИФМ РАН к. 113, т. 417-94-96, msap@ipmras.ru
  • В рамках работы предстоит освоить технику проведения стандартных магнитооптических измерений (эффект Керра и Фарадея) кривых намагничивания магнитных пленок. Предстоит принять участие в создании установки для проведения магнитооптических измерений при низкой температуре. Планируется исследовать магнитные свойства многослойных магнитных пленок Co/Pt и наноструктур на их основе. В случае активной работы возможна публикация результатов в научном журнале.

Отдел терагерцовой спектрометрии

Вакс Владимир Лейбович ИФМ РАН к. 182, т. 417-94-57, vax@ipmras.ru
  • В работе предполагается разработка методов повышения чувствительности спектрального анализа для экспериментального исследования состава выдыхаемого воздуха, а также запахов тканей и органов методами нестационарной газовой спектроскопии ТГц частотного диапазона с целью выявления характерных комбинаций молекул-маркеров для последующего использования в неинвазивной медицинской диагностике.
  • Терагерцевая спектроскопия является перспективным методом исследования пространственной структуры молекул: электромагнитные поля в терагерцевом (ТГц) диапазоне частот не повреждают биологические молекулы, кроме того, спектры поглощения высокочувствительны к особенностям структуры молекулы. При этом интерпретация ТГц спектров биомолекул является очень сложной задачей.
    Интересным модельным объектом для ТГц спектроскопии является молекула ДНК. Во-первых, высокая пространственная регулярность молекулы позволяет моделировать ее цепочкой связанных осцилляторов. Во-вторых, у ДНК есть несколько независимых параметров, например, длина цепочки, период двойной спирали и так называемый коэффициент специфичности (константа, зависящая от биологического вида, которому принадлежала исследуемая ДНК).
    В рамках данной работы предполагается моделирование зависимости ТГц спектра ДНК от соотношения ГЦ/АТ пар в молекуле.
  • В терагерцевой спектроскопии биологических жидкостей наиболее удобно работать с образцами в виде тонких пленок на прозрачных подложках, либо с образцами в виде плоского слоя жидкости, ограниченного стенками измерительных кювет из различных диэлектрических материалов.
    Суть работы заключается в формулировке теоретической концепции прохождения ТГц излучения через плоско-слоистые диэлектрические структуры, содержащие биомолекулы, для оценки оптических свойств данных структур в ТГц диапазоне с использованием как справочных, так и полученных в эксперименте данных. Также предлагается освоение программных методов расчета параметров плоско-слоистых диэлектриков.

  • Работа включает несколько основных задач — повышение чувствительности и точности метода, автоматизацию спектроскопических измерений для образцов в виде растворов. Может рассматриваться одна из задач на выбор более подробно.
    Для примера, одним из способов повышения чувствительности является использование открытых высокодобротных резонаторов (ВР). ВР активно используются в ИК, видимом и УФ диапазонах для анализа одно/двухкомпонентных газов. Также известны научные работы по измерению характеристик тонких диэлектрических пленок в миллиметровом диапазоне длин волн с применением ВР.
    Курсовая работа предполагает анализ литературы, изучение методов обработки результатов физического эксперимента, принципов работы с приборами, оптимизацию схемы существующей измерительной установки или разработку новой схемы, написание программного обеспечения для автоматического сбора необходимых данных и записи спектров, а также проведение тестовых измерений и, при необходимости, теоретическое обоснование полученных результатов.

  • ТГц спектр биомолекул обусловлен низкочастотными колебаниями, представляющими собой коллективные движения больших групп атомов, образующих молекулу. Вследствие своей «коллективной» природы такие колебания чувствительны к пространственной структуре молекул (конформации) и их внешнему окружению. При этом конформационная гибкость биомолекул (ДНК, РНК, белки, витамины, и т. д.) напрямую связана со способностью молекулы менять взаимное расположение отдельных частей внутри структуры, и поэтому играет важную роль в биохимических реакциях.
    В эксперименте можно выявить характерные полосы поглощения, отвечающие молекулам определенной конформации. Для этого нужно иметь представление о характере взаимодействий, дающих вклад в низкочастотный спектр конкретной биомолекулы, и разработать методику проведения эксперимента по выявлению «конформационных маркеров».

  • Наиболее перспективными материалами для разработки источников терагерцового (ТГц) излучения и высокочувствительных приемных систем ТГц и ИК диапазонов являются квантовые полупроводниковые сверхрешетки (КПСР). КПСР представляет собой многослойную периодическую структуру, в которой за счет чередования материалов или изменяющегося легирования возникает дополнительный периодический потенциал. В периодическом потенциале энергетический спектр электронов представляется совокупностью относительно узких энергетических минизон, движение электронов в которых сильно нелинейно. Такие материалы обладают уникальными возможностями для создания приборов ТГц и ИК диапазонов. Предлагаемая работа включает себя как основные методы расчета зонной структуры и параметров КПСР, так и экспериментальные исследования созданных образцов.
  • ТГц спектроскопия позволяет проводить быстрые и высокоточные измерения концентраций веществ в газовой смеси. Это можно успешно применять для исследования динамики протекания химических реакций, в том числе и протекающих очень быстро — за десятки миллисекунд, и изучения не только того, как меняется концентрация того или иного продукта или промежуточного соединения, но и пути протекания и стадийность химических реакций.
    В работе предполагается исследование динамики химических процессов с использованием методов нестационарной газовой спектроскопии ТГц частотного диапазона. В рамках этой работы пригодятся знания по электродинамике, квантовой физике, химии, численным методам и, возможно, желание участвовать в разработке и модификации частей измерительного комплекса.

Панкратов Андрей Леонидович ИФМ РАН к. 155, +79051913223, alp@ipmras.ru
  • В работе теоретически и экспериментально исследуются прототипы пороговых детекторов слабых микроволновых сигналов на основе джозефсоновских контактов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник. Исследуются как классический, так и квантовый режимы работы, где наблюдается счет одиночных фотонов диапазона 5-15 ГГц. Изучаются вероятности переключения при слабом СВЧ воздействии и среднее время темновых отсчетов в отсутствии сигнала в диапазоне температур от 10мК до 1К, см. https://www.nature.com/articles/s41534-022-00569-5 Экспериментальные исследования проводятся на криостате растворения в Центре квантовых технологий — базовом центре ИФМ РАН в НГТУ.
  • В работе теоретически и экспериментально исследуются детекторы с эффектом электронного охлаждения на чипе — болометры на холодных электронах, см. например, https://www.nature.com/articles/s42005-019-0206-9
    Работа включает в себя как расчет антенных систем, так и участие в изготовлении образцов болометров и их экспериментальное исследование в 3He криостате Лаборатории сверхпроводниковой наноэлектроники НГТУ.

  • Экспериментально и численно исследуются режимы взаимной и вынужденной синхронизации цепочек точечных и распределенных джозефсоновских контактов, см., например, http://dx.doi.org/10.1063/1.4978514 и  https://doi.org/10.1088/1361-6668/aadac8 Экспериментальные работы выполняются на 4К криостате замкнутого цикла, расположенном в к. 141 ИФМ РАН.