Резюме (Исследование оптического диэлектрического микрорезонатора для детектирования наночастиц)

1ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ»На правах рукописиМИНЬКОВ КИРИЛЛ НИКОЛАЕВИЧИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГОМИКРОРЕЗОНАТОРА ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦРЕЗЮМЕ ДИССЕРТАЦИИна соискание ученой степени кандидата технических наук НИУ ВШЭНаучный руководитель:к.т.н., доцентЮрин Александр ИгоревичМосква — 20182ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫПостановка проблемыПроблема контроля наличия твердых частиц, в том числе наночастиц, вчистой газовой среде имеет критическое значение в большом числеприложений, начиная от обеспечения безопасной атмосферы для дыханиялюдей, в том числе в ходе космических полетов, и заканчивая контролематмосферы внутри литографических машин, изготавливающих микросхемывысокой степени интеграции с наноразмерными элементами.

В последнемслучае для исключения брака речь идет даже о единичных частицах.Вусловияцифровойтрансформацииотраслейэкономики,проектирования фабрик будущего и перехода к промышленному интернетувещей возникает необходимость в создании не просто высокочувствительныхдетекторов наночастиц, а недорогих, малогабаритных, не нуждающихся внастройке и обслуживании. И если для относительно крупных частиц (> 0,5мкм) такая задача решена на основе регистрации рассеяния света, то длянаноразмерного диапазона частиц решение пока не найдено.Существующие приборы контроля концентрации наночастиц необладают чувствительностью к единичным наночастицам, имеют большиегабаритные размеры, требуют сложной пробоподготовки, имеют высокуюстоимость.Дляработынатакомприборенеобходимвысококвалифицированный оператор.Использование методов регистрации наночастиц, основанных наприменении оптических диэлектрических микрорезонаторов, позволяетсоздатьдетекторы,удовлетворяющиетребованиям,цифровой экономикой к измерительным системам.предъявляемым3Степень разработанности проблемыНа данный момент большое количество научных групп занимаютсяизучением вопроса детектирования наночастиц при помощи оптическихдиэлектрических микрорезонаторов (далее по тексту — ОДМР).

Группа изUniversityofWisconsin-Madison,USAпоказываетвозможностьдетектирования нанотрубок разных размеров при помощи установки,собранной в составе электронного микроскопа. В своих исследованияхгруппа использует литографические резонаторы с добротностью 10 6, а такжеметод детектирования сигнала при помощи сдвига частоты. Одними излидеров в этой области являются коллектив из Max Planck Institute for theScience of Light, Germany. В своих работах группа исследует биологическиеобъекты в жидкости. Стоит особо отметит их работы по сравнениюпоказателей чувствительности различных методов детектирования объектовразного размера. Еще одной группой являются исследователи из Center forPhotonicsTechnology,USA,здесьделалисьпопыткидетектироватьнаночастицы в воздухе при помощи цилиндрических резонаторов из стекла,однако их добротность очень низкая - 106 , в связи с чем чувствительностьоставляет желать лучшего.Цель и задачиИсследование методов и средств контроля концентрации наночастицпри помощи оптических диэлектрических микрорезонаторов.Для достижения поставленной цели было необходимо решить рядзадач, к которым относятся:1.Исследование методов изготовления ОДМР.2.Исследованиефакторов,влияющихнаметрологическиехарактеристики ОДМР в процессе изготовления.3.Исследование влияния внутренних неоднородностей ОДМР наего метрологические характеристики.4.Исследование4разработкаиметодовоптическойсвязи,обеспечивающих максимальную добротность ОДМР.5.Исследованиеианализметодовконтролясчетнойконцентрации наночастиц в воздушной среде.6.Разработкаметодовсозданиясчетнойконцентрациинаночастиц для определения метрологических характеристик детектора наоснове ОДМР в воздушной среде.7.Исследованиеиразработкаметодовповышениячувствительности ОДМР при взаимодействии с наночастицами в жидкойсреде.Актуальность темыВ настоящее время ОДМР находят широкое применение в науке итехнике.ОДМРявляетсявысокодобротнымселективнымэлементом,являющимся аналогом высокодобротного контура или СВЧ резонатора,имеющим узкую резонансную кривую, возможность перестраиваться почастоте и устойчивость к помехам.

Их используют в качестве фильтровчастот, в которых перестройка может осуществляться за cчет механическогосдавливания или растяжения, а также вследствие изменения температуры.ОДМР позволяют реализовать высокочастотные генераторы сигнала смалыми фазовыми шумами. В литературе описывается возможностьсоединения нескольких микрорезонаторов в различные конфигурацииузкополосных фильтров, теоретическая ширина пропускания амплитудночастотной характеристики такого фильтра ничем не ограничена. Также наоснове ОДМР изготавливают многокаскадные фильтры с пропускнойспособностью до 100 ГГц.В лаборатории Jet Propulsion Laboratory, Пасадина, США используютОДМР в составе интегрированного гироскопа в спутниках и космическихкораблях. Детекторы на основе ОДМР способны измерять температуры откриогенных до комнатных с разрешением 10-6 K.

ОДМР возможно5использовать как приставки для стабилизации лазеров. Посредством связис ОДМР сужается спектр излучения лазера, а также появляетсявозможность создавать перестраиваемые по частоте лазеры.Резонаторы позволяют создавать оптические гребенки. Особыйинтерес представляет использование детекторов наночастиц на основерезонаторов, способных значительно увеличить предел чувствительностисовременных методов измерения концентрации наночастиц.Наночастицыразличныхматериаловширокоприменяютсянапроизводстве, в науке, а также медицинских исследованиях.

Среди нихнаиболее распространены частицы Аl2О3, ТiО2, SiO2 и ZnO. Из параметровнаночастиц наиболее часто исследуют геометрические размеры, морфологиюповерхности, массовую и счетную концентрацию и заряд.Одной из важных задач при изучении наночастиц является определениемалых концентраций наночастиц в различных средах. Эта задача можетрешаться при помощи большого количества методов, которые можноразделить на две группы: детерминированные и вероятностные.

Кдетерминированным относятся сканирующая электронная микроскопия,просвечивающая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия,пьезобалансный метод. К вероятностным методам относятся: методдифракции на краю, метод динамического рассеивания света, методдифференциальной электрической подвижности, а также метод акустическойспектроскопии.Использование вышеописанных методов в большинстве случаевпозволяет производить измерение какого-то одного из вышеприведенныхпараметров наночастиц.

Также на рынке не представлены приборы,способные работать как в воздушной, так и водной среде, за исключениеммикроскопии, где это возможно сделать посредством трудоемкой подготовкипробы. Другим существенным недостатком всех обозначенных методовявляется отсутствие возможности измерять сверхмалые концентрациинаночастиц размером до 5 нм.6Другим перспективным методом является использование в качестведетекторов наночастиц оптических диэлектрических микрорезонаторов смодами шепчущей галереи. Микрорезонатор представляет собой теловращения диаметром от сотен нанометров до десятков микрометров.Для создания ОДМР, предназначенных для детектирования наночастицособое значение имеют два параметра: локализация поля, которая определяетобъемчувствительнойобластиидобротность,котораяпрямопропорциональна чувствительности ОДМР к минимальной концентрациинаночастиц.Личный вкладВ диссертации приведены результаты работы, выполненные автором втечение 4 лет.

Личный вклад автора в диссертационную работу:1) постановка цели и задач исследования;2) анализ литературы и методов исследования;3) конструирование, сбор и отладка экспериментальных установок;4) проведение экспериментов в полном объёме;5) обработка результатов и формулирование выводов исследования.Практическая ценность работы заключается в том, что на основепроведенных исследований был создан прототип ОДМР, пригодный дляопределения концентрации наночастиц в воздушной среде.

Получены актывнедрения и 2 патента.РаботавыполненаприфинансовойподдержкеМинистерстваобразования и науки Российской Федерации в рамках выполнениясоглашения №14.625.21.0041 от 26.09.2017 г. (уникальный идентификаторприкладных научных исследований RFMEFI62517X0041).7Методы исследованияВ теоретических исследованиях применялись методы разработкисредств измерений, эмпирические и статистические методы исследованияметрологическиххарактеристик.Обработкаизмерительныхсигналовпроизводилась в пакетах программ MATLAB, WinPython, Origin.Припроведенииэкспериментаприменялисьметодырастровойэлектронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии,метод дифференциальной электрической подвижности, метод динамическогорассеивания света, оптической микроскопии, конфокальной микроскопии,интерференционной микроскопии.