Отделение физических наук
Секция общей физики и астрономии

 

Металлический слой атомной толщины, встроенный в кремний

Возможность контролировать материалы на атомном уровне и создавать структуры с атомной точностью является основной задачей нанотехнологии. В настоящей работе впервые в мире была сформирована структура дельта-типа, в которой слой металла, встроенный в полупроводниковую кремниевую матрицу, имел моноатомную толщину (рисунок 1).

Рисунок 1. Микроскопические изображения поперечного среза сформированной структуры дельта-типа с моноатомным слоем NiSi2 и ее атомное строение, где атомы Si и Ni показаны серыми и оранжевыми кружками, соответственно 

Bondarenko L.V., Tupchaya A.Y., Vekovshinin Y.E., Gruznev D. V., Mihalyuk A.N., Ivanov Y.P., Olyanich D.A., Matetskiy A.V., Zotov A.V., Saranin A.A. Metal sheet of atomic thickness embedded in silicon // ACS Nano. 2021. Vol. 15. Iss. 12. P. 19357-19363. DOI 10.1021/acsnano.1c05669.

 

Сверхразрешающая лазерная абляционная литография светоизлучающих перовскитных материалов 

Разработан метод формирования сверхгладкого микрорельефа на поверхности светоизлучающих перовскитных монокристаллов CsPbBr₃ с использованием фемтосекундных лазерных импульсов с длиной волны λ=515 нм. Сверхнизкая теплопроводность CsPbBr₃, а также его быстрая суб-пикосекундная термализация посредством Оже-рекомбинации обеспечивают субволновое (до λ/7) разрешение при лазерной записи, позволяя создавать на поверхности различные активные элементы микрооптики для управления светоизлучающими характеристиками CsPbBr₃ микрокристаллов (рисунок 2).

Рисунок 2.  (A) СЭМ-изображение единичного микрокристалла CsPbBr₃ с изготовленным на его поверхности методом лазерной печати массивом микроаксиконов. (Б) Изображение фокальной плоскости микроаксиконов, демонстрирующее их фокусирующие свойства при засветке микрокристалла лазерным излучение с длиной волны 633 нм снизу. (В) СЭМ-изображение единичного микрополоскового CsPbBr₃ лазера  длиной 40 мкм с напечатанной на его верхней поверхности решеткой с периодом 260 нм. (Г) Схематическое изображение частичного вывода решеткой в вертикальном направлении вынужденного излучения, генерируемого накачиваемым снизу микрополосковым CsPbBr₃ лазером. На вставке приведено фотолюминесцентное изображение в Фурье плоскости микрополоскового лазера, подтверждающее вертикальный вывод излучения

 

Zhizhchenko A.Yu., Cherepakhin A.B., Masharin M.A., Pushkarev A.P., Porfirev A.P., Kulinich S.A., Kuchmizhak A.A., Makarov S.V. Direct Imprinting of Laser Field on Halide Perovskite Single Crystal for Advanced Photonic Applications // Laser & Photonics Reviews. 2021. Vol. 15. Is. 8. Article 2100094. DOI 10.1002/lpor.202100094.

 

Zhizhchenko A.Yu., Cherepakhin A.B., Masharin M.A., Pushkarev A.P., Kulinich S.A., Kuchmizhak A.A., Makarov S.V. Directional Lasing from Nanopatterned Halide Perovskite Nanowire // Nano letters. 2021. Vol. 1. Iss. 23. P. 10019-10025. DOI 10.1021/acs.nanolett.1c03656. 

 

 

Управление электронными свойствами квазиодномерной системы с помощью адсорбции Bi

Продемонстрирована возможность управления электронными свойствами квази-одномерной системы Au/Si(111)5×2-Au, представляющей собой упорядоченный массив нанопроволок атомного размера, путем осаждения на нее малых концентраций висмута. Полученный результат открывает перспективы использования таких структур в электронных приборах нового типа.

Рисунок 3. (а) Атомное строение системы Au/Si(111)5×2-Au, где атомы Au и Si показаны красными и серыми кружками, соответственно. Места адсорбции атомов Bi показаны синими кружками. (б) Смещение уровня Ферми системы, как функция концентрации адсорбированных атомов Bi

 

D.A. Olyanich, T.V. Utas, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, D.V. Gruznev, A.N. Mihalyuk, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Structural and electronic effects of adsorbed Bi on the metallic atomic chains in Au/Si(111)5x2. Applied Surface Science. 2021. Vol. 558. P. 149859-6.

 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий
Секция нанотехнологий

 

Инверсия низкотемпературной термо-эдс в кремниевой матрице с нанокристаллами узкозонных полупроводников

 

Продемонстрирована возможность упорядоченного внедрения нанокристаллов (НК) CrSi₂ и β-FeSi₂ в подложку Si(111) n-типа проводимости, определены типы НК (рисунок 4), их согласование с кремнием и деформации. Для шестислойных гетероструктур с внедренными НК CrSi₂ и CrSi₂+β-FeSi₂ впервые наблюдалось изменение знака коэффициента Зеебека с отрицательного на положительный в интервале температур 250-400 К. Построены зонные диаграммы гетеропереходов β-FeSi₂-p NC/Si-n и CrSi₂-p NC/Si-n, определен минимальный барьер (0,065 эВ) для дырок в системе Si-p/NC β-FeSi₂-p/Si-n, указывающий на их тепловую генерацию в кремний. Основным механизмом инжекции дырок из системы Si-p/NC CrSi₂-p/Si-n является туннелирование через поверхностные состояния в запрещенной зоне Si из-за большого разрыва (1,075 эВ) в валентной зоне Si.

 

Рисунок 4. Тепловая генерация дырок из НК b-FeSi₂ и туннелирование дырок из НК CrSi₂ в n-Si происходят в соответствии с зонными диаграммами НК / кремний

Galkin N.G., K.N. Galkin, S.A. Dotsenko, I.A. Serhiienko, V.V. Khovaylo, A.K. Gutakovskii. Effect of embedding of CrSi2 and b-FeSi2 nanocrystals into n-type conductivity silicon on the transport and thermal generation of carriers // Applied Surface Science. 2021. Vol. 566. Article 150620. DOI 10.1016/j.apsusc.2021.150620.

 

Нанокомпозитные материалы для фотокаталитического разложения токсичных органических соединений под действием солнечного света

 

Проведены комплексные исследования гетерогенных нанокомпозитных материалов, получаемых путем плазменного электролитического окисления металлического титана в растворе солей различных металлов. Определены условия анодирования и тип электролита, обеспечивающие формирование композитного слоя титан-кобальт-вольфрам на титановой подложке, высокая эффективность которого позволяет протекать реакции фотокаталитического разложения токсичных органических соединений под действием солнечного света.

Рисунок 5. Морфология поверхности (а, б), оптические свойства (в, г) и схема формирования реакции фотокаталитического разложения органических соединений под действием солнечного света с помощью функциональных титан-кобальт-вольфрамовых нанокомпозитов, полученных методом плазменного электролитического окисления при токе разряда 0.1 А (а) и 0.15 А (б)

 

Lukiyanchuk I.V., Vasilyeva M.S., Sergeev A.A., Nepomnyashchii A.V., Serov M.M., Krit B.L. Role and behavior of ultra-thin gold films on the fiber materials surface in the CO oxidation process // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 852. Article 157042. DOI 10.1016/j.jallcom.2020.157042.

 

Vasilyeva M.S., Lukiyanchuk I.V., Sergeev A.A., Ustinov A.Yu., Sergeeva K.A., Kuryavyi V.G. Ti/TiO2-CoWO4-Co3 (PO4) 2 composites: Plasma electrolytic synthesis, optoelectronic properties, and solar light-driven photocatalytic activity // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 863. Article 158066. DOI 10.1016/j.jallcom.2020.158066.

 

 

Эффект влияния бинарного изменения спектра облучения  на показатели развития микроклональных растений

 

Впервые исследовано  влияние бинарного изменения спектра облучения  на морфометрические и биохимические показатели развития микроклональных растений Eruca sativa, как регулирующего фактора абиотического фотонного стресса. Установлено главенствующее влияние соотношения интенсивностей «синего» и «красного» спектральных диапазонов в бинарно переключающихся световых потоках (рисунок 6) на морфогенез растений. Выявлена возможность регуляции повышенного биосинтеза вторичных метаболитов противовирусного действия в растениях посредством их абиотического фотонного стресса.

 

Рисунок 6. Изменения массовых характеристик растений Eruca sativa, культивированных при различных сочетаниях спектров LED источников света в течение 6 недель

 

Yu. N. Kul’chin, V. P. Bulgakov, E. P. Subbotin [et al.] Effect of LED Lighting on Morpho-genesis and Content of Ascorbic Acid, P, K, and Ca in Eruca sativa Plants // Russian Journal of Plant Physiology. 2021. Vol. 68. No 2. P. 356-366. DOI 10.1134/S1021443721020138.

 

 

Секция информационных технологий и автоматизации

 

Динамика численности лимитированной популяции с неперекрывающимися поколениями под действием естественного отбора

 

Исследованы режимы динамики численности лимитированной популяции с неперекрывающимися поколениями в процессе эволюции. На основе предложенной модели показано, что при пониженном репродуктивном потенциале гетерозиготы наряду с мономорфизмом существует полиморфизм, представляющий собой колебания генетического состава популяции (рисунок 7). Такие колебания соответствуют генетической дифференциации особей смежных поколений, которая давно подтверждена результатами наблюдений за реальными популяциями. В данной работе это явление получило еще и модельное описание.

 

Рисунок 7. a-г) бассейны притяжения динамических режимов модели при r_Aa=5, r_AA=9.9, r_aa=22.4. Числа соответствуют длине наблюдаемого цикла. Индекс 1 отражает, что популяция мономорфна относительно аллеля а, 2 – популяция мономорфна относительно аллеля А. д-ж) возможные сценарии: д) генотип с заведомо большим потенциалом закрепится; е) более перспективная форма не может естественным образом вытеснить явно более слабого; ж) полиморфизм, в рамках которого генетический состав будет колебаться.

x, y – численности младшего и старшего возрастных классов, соответственно;
p, q – частота аллеля А в старшем и младшем возрастном классе, соответственно;
параметры r_АА, r_Аа и r_аа – репродуктивные потенциалы генотипов АА, Аа и аа старшего возрастного класса

 

Neverova G. P., Frisman E.Ya. Dynamic modes of population size and its genetic structure for species with nonoverlapping generations and stage development // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. Vol. 94. Article number 105554. DOI 10.1016/j.cnsns.2020.105554.

 

 

Влияние возрастной структуры и материнского отбора на поддержание полиморфизма у долгоживущих видов в циклически изменяющейся внешней среде

 

Возможности поддержания полиморфизма в условиях изменяющейся среды значительно увеличиваются за счет материнских генетических эффектов и перекрывающихся поколений. Исследовано комплексное влияние обоих факторов при несимметричном циклическом отборе, имитирующем флуктуации внешних условий по аналогии с циклами пищевых ресурсов с редкими всплесками численности жертвы и долгими спадами. Моделирование ориентировано на описание ситуации, наблюдаемой в сообществе песцы-мышевидные грызуны. Моделирование показало, что отбор по материнской линии и наличие возрастной структуры увеличивают возможность сохранения полиморфизма по размеру помёта в популяции континентальных песцов (рисунок 8).

 

Рисунок 8. Выживаемость половозрелых особей

 

Zhdanova O.L., Frisman E. Ya. Genetic polymorphism under cyclical selection in long-lived species: the complex effect of age structure and maternal selection // Journal of Theoretical Biology. 2021. Vol. 512. Article nubmber 110564. DOI 10.1016/j.jtbi.2020.110564.

 

Жданова О. Л., Фрисман Е. Я. Математическое моделирование отбора по ограниченному полом признаку: к вопросу о существовании полиморфизма по размеру помета в естественных популяциях песцов // Генетика. 2021. Т. 57. № 2. С. 229-240. DOI: 10.31857/S0016675821020156 (Zhdanova O.L., Frisman E.Ya. Mathematical modeling of selection by sex-limited trait: to the question of maintenance of litter size polymorphism in natural populations of arctic foxes // Rus. J. Genet. 2021. Vol. 57. № 2. P. 227-237. DOI  10.1134/S1022795421020150).

 

 

Секция вычислительных, локационных, телекоммуникационных систем и элементной базы

 

Навигация автономного подводного робота по видеоизображениям при инспекции объектов подводной инфраструктуры

 

Предложен метод точной навигации автономного подводного робота (АПР) в координатном пространстве подводного объекта при выполнении обследования. Отличительными особенностями метода являются: разработанный алгоритм распознавания объекта по стереоизображениям с применением заданной точечной 3D модели объекта и критерия структурной когерентности; и методика расчета матрицы координатной привязки АПР к объекту (рисунок 9). Метод ориентирован на инспекцию объектов подводной инфраструктуры с использованием АПР.

 

Bobkov V., Kudryashov A., Inzartsev A. Method for the Coordination of Referencing of Autonomous Underwater Vehicles to Man-Made Objects Using Stereo Images // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9. Iss. 9. Article 1038. DOI 10.3390/jmse9091038. 

 

Бобков В.А., Морозов М.А., Шупикова А.А., Инзарцев А.В. Распознавание подводного трубопровода по стереоснимкам с борта АНПА в задачах инспекции подводных объектов // Подводные исследования и робототехника. 2021. No. 3(37). С. 36-45. DOI: 10.37102/1992-4429_2021_37_03_04.

 

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов упрвления

Секция проблем машиностроения и процессов управления

 

Оперативное диагностирование сложных мехатронных систем

 

Решена проблема оперативного диагностирования сложных мехатронных систем (МС), динамика которых описывается дискретными и непрерывными гибридными моделями. Эти модели позволяют исследовать динамику исполнительных механизмов МС в различных режимах их эксплуатации при использовании цифрового управления. Решение указанной проблемы основано на использовании нового типа гибридных диагностических наблюдателей с переменной структурой, построенных на базе редуцированных моделей МС. Определены условия устойчивости созданных наблюдателей. Результаты исследований подтвердили высокую эффективность новых диагностических наблюдателей при выявлении различных дефектов и определении их величин в исполнительных элементах и датчиках сложных МС (рисунок 10).

 

Рисунок 10. Результат обнаружения и идентификации величины ошибки в показаниях одного из датчиков гибиридной мехатронной системы

 

Zhirabok A.N., Zuev A.V., Filaretov V.F., Shumsky A.E. Fault Identification in Nonlinear Hybrid Systems // Nonlinear Analysis: Hybrid Systems. 2020. Vol. 39. P.1-15. Number 100984. DOI: 10.1016/j.nahs.2020.100984.

 

 

Разработка многомерного виртуального анализатора с многомерным фильтром для предсказания ошибки промышленного технологического процесса реакционной ректификации

 

Решена проблема разработки многомерного виртуального анализатора (ВА) для системы автоматического управления технологическим процессом реакционной ректификации. В отличие от существующих подходов к построению ВА, предлагается использовать многомерный фильтр (рисунок 11) для прогнозирования ошибок модели, которые затем учитываются в качестве поправок в окончательных прогнозах выходных переменных. Предложена декомпозиция задачи оптимальной оценки временных задержек для каждого входа ВА. Практическое применение предложенного подхода для оценивания концентраций метил-трет-бутилового эфира, метанола и суммы димеров и тримеров изобутилена в выходном продукте процесса реакционной ректификации показало улучшение точности оценок на 32%, 67% и 9,5%, соответственно.

 

Рисунок 11. Оценивание многомерного выхода с использованием фильтра: G_p – объект управления; Ĝ_p – модель в составе ВА; G_B – многомерный фильтр; u_t – вход; y_t – измеряемый выход; ŷ_m,t – оценка выхода на основе ВА в момент времени t

 

Klimchenko V., A. Torgashov, Y.A.W. Shardt, F. Yang. Multi-Output Soft Sensor with a Multivariate Filter That Predicts Errors Applied to an Industrial Reactive Distillation Process // Mathematics. 2021. Vol. 9 (16). Article number 1947. DOI 10.3390/math9161947.

 

 

Построение виртуального анализатора на основе кластеризации с адаптацией структуры, параметров модели и с учетом фактора времени для реакционно-ректификационного процесса

          

Решена задача построения виртуального анализатора (ВА) с адаптацией структуры и параметров модели и учетом фактора времени с использованием методов кластеризации на примере реакционно-ректификационного процесса. Предложено улучшение разработанного раннее алгоритма функционирования адаптивного ВА с применением «движущегося окна» и кластеризации, заключающееся в обновлении модели на основе алгоритма условных чередующихся математических ожиданий и учетом фактора времени, а также показано преимущество нового адаптивного ВА по точности, по сравнению с известными адаптивными нелинейными ВА на основе нейронных сетей (рисунок 12).

 

Рисунок 12. Сравнение средних абсолютных ошибок (MAE) нелинейных адаптивных ВА

 

Snegirev O. Yu., Torgashov A. Yu. Adaptation of the structure and parameters of nonlinear soft sensors by the example of an industrial reactive distillation process // Automation and remote control. 2021. Volume 82. Iss. 10. P. 1774-1786.

 

Секция механики

 

Исследование влияния характеристик твердого топлива на режимы работы низкотемпературного газогенератора высокоскоростного летательного аппарата

 

С использованием оригинальной численной модели исследована работа низкотемпературного газогенератора высокоскоростного летательного аппарата на трех видах топлива: полиметилметакрилате, полиэтилене и полибутадиене с концевыми гидроксильными группами. Показано, что режимы работы газогенератора определяются скоростью конверсии топлива (рисунок 13). Разложение полиметилметакрилата является самым быстрым среди исследованных топлив, поэтому его использование обеспечивает максимальный массовый поток продуктов газификации и наименьшее время работы газогенератора. Использование полиэтилена обеспечивает наименьший поток продуктов газификации и наибольшее время работы газогенератора, так как разложение полиэтилена является самым медленным среди рассмотренных топлив.

 

Рисунок 13. Зависимость степени превращения топлива (η) от времени (t) при использовании полиэтилена (PE), полибутадиена с концевыми гидроксильными группами (HTPB) и полиметилметакрилата (PMMA)

Salgansky E.A., Lutsenko N.A. Effect of solid fuel characteristics on operating conditions of low-temperature gas generator for high-speed flying vehicle // Aerospace Science and Technology. 2021. Vol. 109. Article 106420. DOI 10.1016/j.ast.2020.106420.

 

 

Исследование процесса извлечения редких и ценных металлов из металлсодержащих сред методом фильтрационного горения

 

С использованием оригинальной численной модели показана возможность массопереноса и накопления металла в узкой зоне реактора при горении пористых металлосодержащих сред (рисунок 14). Обосновано, что, изменяя скорость газа на входе в реактор, можно управлять процессом переноса и накопления редких и ценных металлов, извлекаемых из различных горючих сред. Показано, что исследуемый процесс извлечения редких и ценных металлов из пористых металлосодержащих сред методом фильтрационного горения может быть очень эффективным для горючих сред с низкой исходной концентрацией металлов.

Рисунок 14. Пример распределения температуры конденсированной фазы (T_c), температуры газа (T_g) и эффективной плотности конденсированного металла (ρ_cm) по длине пористого реактора

 

Lutsenko N.A., Salgansky E.A. Numerical modeling of heterogeneous combustion with phase transitions in porous metal-containing media // International Journal of Multiphase Flow. 2021. Vol. 140. Article 103670. DOI 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103670.

 

 

Резонансные колебания в заливе Посьета Японского моря

 

С применением прогностической численной модели на нерегулярной треугольной сетке исследованы частотные характеристики и пространственная структура резонансных колебаний в заливе Посьет Японского моря. Получено хорошее соответствие узких спектральных пиков для результатов моделирования (рисунок 15a) и натурных измерений (расположение станций PAP, PG1, PG2 и PG3 показаны на рисунок 15b). Вид пиков указывает на резонансный характер этих колебаний. Показана возможность применения численной модели для цунами-районирования со сценариями метеоцунами. Знание пространственной структуры резонансных колебаний (рисунок 15b) позволяет выявить подверженные затоплению участки побережья.

 

Рисунок 15. a) Модельный спектр колебаний для станции Посьет (РАР). b) Рассчитанная форма резонансного колебания с периодом 87,5 мин в заливе Посьета

 

Smirnov S.V., Yaroshchuk I.O., Shvyrev A.N., Kosheleva A.V., Pivovarov A.A., Samchenko A.N. Resonant oscillations in the western part of the Peter the Great Gulf in the Sea of Japan // Natural Hazards. 2021. Vol. 106. Is. 2. P. 1729-1745. DOI 10.1007/s11069-021-04561-8.

 

 

Необратимое деформирование диска, вращающегося с угловым ускорением

 

Исследовано деформирование вращающегося диска при последовательном накоплении деформаций ползучести и пластических деформаций с учетом не только центробежных сил инерции, но и связанных с угловым ускорением. Изучены полый диск (рисунок 16) и диск с жестким включением. Получены дифференциальные уравнения, позволяющие рассчитывать напряжения, деформации, перемещения и скорости. Исследована эволюция области вязкопластического течения.  Для решения задач используются методы конечных разностей и конечных элементов. Проведено сравнение с классическим случаем упругопластичности.

 

Рисунок 16. Распределение напряжений в зависимости от радиуса в упруговязкопластическом полом диске в разные моменты времени

 

Begun A. S., Burenin A. A., Kovtanyuk L. V., Prokudin A. N. Irreversible deformation of a rotating disk having angular acceleration // Acta Mechanica. 2021. Vol. 2. Iss. 5. P. 1917-1931. DOI 10.1007/s00707-021-02942-5.

Бегун А.С., Ковтанюк Л.В. Необратимое деформирование вращающегося диска в условиях пластичности и ползучести // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2021. Т. 163, кн. 2. С. 167-180. DOI: 10.26907/2541-7746.2021.2.167-180.

 

Секция энергетики

 

Обеспечение достоверности измерений при учете тепловой энергии

 

Исследовано влияние на адекватность вычисления тепловой энергии совместного использования измерений и нормативных величин. На примере систем горячего водоснабжения жилых домов городов Владивостока и Уссурийска на основе данных с теплосчетчиков выполняется сравнительная оценка двух способов расчета тепловой энергии. Показано, что введение нормативных величин, устанавливаемых теплоснабжающей организацией, в вычисления при решении задач коммерческого учета может привести к значительным искажениям адекватности оплаты несмотря на усилия, направленные на повышение достоверности учета за счет использования высокоточных измерительных приборов.

 

Рисунок 17. Адекватность вычисления тепловой энергии в системах горячего водоснабжения

 

Чипулис В.П. Сравнительная оценка двух способов оплаты тепловой энергии, потребляемой системами горячего водоснабжения // Датчики и системы. №11. 2021.