2020 год
Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2020 год
Отделение физических наук
Секция общей физики и астрономии
Разработан недеструктивный метод фемтосекундной проекционной лазерной литографии пассивных и активных фотонных микроэлементов в плёнках свинцово-галогенидных перовскитов (CH3NH3PbI3). Метод позволяет недеструктивно изготавливать из перовскитов дифракционные микрорешетки с периодом до 400 нм и микрополосковые лазеры шириной до 500 нм и (рисунок 1). Продемонстрирована перспективность использования технологии в таких областях как сверхплотная запись и хранение оптической информации, квантовые коммуникации, солнечная электроэнергетика и т.д.
Рисунок 1. Схематическая иллюстрация метода прямой фемтосекундной проекционной лазерной печати в перовскитных пленках (по центру), а также соответствующих областей применения технологии – изготовление перовскитных микрополосковых лазеров, разделка модулей перовскитных солнечных батарей, оптическая запись/маркировка/шифрование информации в перовскитных пленках и придание поверхности определенного цветового оттенка за счет формирования упорядоченного микрорельефа («структурные» цвета)
ZhizhchenkoA.Yu., TonkaevP., GetsD., LarinA., ZuevD., StarikovS., PustovalovE.V., ZakharenkoA.M., KulinichS.A., JuodkazisS., KuchmizhakA., MakarovS. LightEmittingNanophotonicDesignsEnabledbyUltrafastLaserProcessingofHalidePerovskites // Small. 2020. Vol. 16. No. 19. Articlenumber2000410.
Синтезирован уникальный двумерный материал таллен, представляющий собой аналог графена, образованный атомами таллия на поверхности моноатомного слоя силицида никеля при пониженных температурах (рисунок 2).
Рисунок 2. Картина дифракции медленных электронов, изображение в сканирующем туннельном микроскопе и схематическая структура таллена на поверхности моноатомного слоя силицида, где атомы таллия показаны оранжевыми кружками, атомы никеля синими кружками, а атомы кремния желтыми и белыми кружками
L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, A.N. Mihalyuk, S.V. Eremeev, A.V. Matetskiy, N.V. Denisov, Y.E. Vekovshinin, A.V. Slyshkin, D.V. Gruznev, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Fabrication and characterization of a single monolayer NiSi2 sandwiched between a Tl capping layer and a Si(111) substrate // 2D Materials. 2020. Vol. 7. No.2. Article number 025009.
D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, A.N. Mihalyuk, S.V. Eremeev, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Thallene: graphene-like honeycomb lattice of Tl atoms frozen on single-layer NiSi2 // 2DMaterials. 2020. Vol.7. No.4. Articlenumber 045026.
Установлено, что пленка фуллерита С60 может служить идеальным защитным покрытием для моноатомных пленок металлов на кремнии, сформированных в сверхвысоком вакууме, так как позволяет сохранить их основные структурные и электронные свойства. Полученный результат открывает перспективы использования таких структур в наноэлектронике (рисунок 3).
Рисунок 3. Изображения в сканирующем туннельном микроскопе (верхняя панель) и схематическое представление структуры образцов (нижняя панель) с двумерным соединением Tl-Au на поверхности Si(111) до осаждения на него фуллеренов С60 и после наращивания на нем одного и двух мономолекулярных слоев С60
D.A. Olyanich, V.V. Mararov, T.V. Utas, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, A.V. Matetskiy, N.V. Denisov, A.N. Mihalyuk, S.V. Eremeev, D.V. Gruznev, A.V. Zotov, A.A. Saranin. C60 capping of metallic 2D Tl-Au compound with preservation of its basic properties at the buried interface // Applied Surface Science. 2020. Vol.501. Articlenumber144253.
Отделение нанотехнологий и информационных технологий
Секция: нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника
Методом низкотемпературной (250°C) молекулярно-лучевой эпитаксии выращен солнечный элемент с гетеропереходом (ГП) n-Mg2Si/p-Si с эпитаксиальным слоем Mg2Si толщиной 1,4 мкм. ГП продемонстрировал выпрямление и фотоотклик без смещения (рисунок 4Г) в диапазоне длин волн (400–1400) нм при комнатной температуре. При освещении AM 1.5 получены напряжение холостого хода 0,21 В, плотность тока короткого замыкания 3,3 мА/см2, коэффициент заполнения 0,35 и эффективность преобразования 0,24% (рисунок 4Д), что достигнуто впервые для данного ГП. Установлено, что динамика носителей заряда (рисунок 4 Б, В) и фотоэлектрические характеристики ограничены присутствием неэпитаксиальных зерен Mg2Si в верхнем слое силицидной пленки (рисунок 4А).
Рисунок 4. Графическая аннотация полученного солнечного элемента n-Mg2Si/p-Si.
(А) Изображение просвечивающей электронной микроскопии поперечного среза ГП. На вставках представлены картины микродифракции от различных областей плёнки Mg2Si.
(Б) и (В). Картирование времени жизни неосновных носителей заряда при различной длине волны возбуждающего излучения.
(Г) Спектральная зависимость внешней квантовой эффективности с указанными вкладами от плёнки и подложки.
(Д) Вольт-амперная характеристика солнечного элемента с ГП n-Mg2Si/p-Si, полученная в условиях экспонирования АМ1.5, и рассчитанные фотовольтаические параметры.
A.V. Shevlyagin, I.M. Chernev, N.G. Galkin, A.V. Gerasimenko, A.K. Gutakovskii, H. Hoshida, Y. Terai, N. Nishikawa, K. Ohdaira. Probing the Mg2Si/Si(111) heterojunction for photovoltaic applications // Solar Energy. 2020. Vol. 211. P. 383-395. DOI: 10.1016/j.solener.2020.09.085.
Исследовано низкотемпературное образование силицидов Ca на кремниевых подложках с ориентацией (100) и (111). Определен диапазон температур при отжиге тонкого (10 нм) слоя Ca на поверхности Si(100)2x1 для формирования Ca2Si (273-346 °C) и CaSi (554-663 °C). Установлено, что при отжиге смеси Ca-Si при Т=330 оС на поверхности Si(100)2x1 формируется аморфный Ca2Si с прямой шириной запрещенной зоны (1,16 эВ). При росте методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) (330 оС) и дополнительном отжиге при 330 оС формируется двухслойная структура Ca2Si/CaSi/Si(100). На поверхности Si(111)7x7 при МЛЭ росте (190 оС) смеси Ca-Si и отжиге Т=300 оС формируется аморфная матрица со встроенными нанокристаллами (НК) CaSi с размерами 3-7 нм. В НК-пленках CaSi впервые идентифицированы КРС-фононы в области 109 - 256 см–1 (рисунок 5).
Рисунок 5. Спектр комбинационного рассеяния света (КРС) при длине волны лазерного возбуждения 488 нм и его идентификация для нанокристаллической пленки CaSi в образце E
N.G. Galkin, K. N. Galkin, A.V. Tupkalo, Z. Fogarassy, B. Pécz. A low temperature growth of Ca silicides on Si(100) and Si(111) substrates: formation, structure, optical properties and energy band structure parameters // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 813. Articlenumber 152101. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152101.
Численное исследование оптического эффекта Керра систем наночастиц с высоким показателем преломления показало, что при приближении размеров наночастиц к размерам, соответствующим резонансам Ми (для сферических частиц) или анапольных мод (для дискообразных частиц), величина оптической нелинейности возрастает экспоненциально и меняет знак, превышая соответствующий коэффициент для такого же сплошного материала. Этот результат полезен для конструирования и создания метаматериалов с управляемой оптической нелинейностью.
Panov A.V. Giant Enhancement and Sign Inversion of Optical Kerr Nonlinearity in Random High Index Nanocomposites near Mie Resonances // Annalen der Physik. 2020. Vol. 532. Iss. 6. Article number 1900574. DOI 10.1002/andp.201900574.
Panov A.V. Optical Kerr nonlinearity of arrays of all-dielectric high-index nanodisks in the vicinity of the anapole state // Optics Letters. 2020. Vol. 45. Iss. 11. P. 3071-3074. DOI 10.1364/OL.391991.
Секция информационных технологий и автоматизации
Создана онтология для описания причинно-следственных связей в различных предметных областях для распознавания аномальных процессов с использование нечетких множеств. Для нечеткого описания предложены модальности отдельных признаков, количественные спецификаторы достаточного количества признаков для распознаваемой аномалии, а также определение множества вариантов под-диапазонов значений для нечетких проявлений. Реализация модели на платформе IACPaaS обеспечивает интеграцию знаний об аномалиях разной степени сложности с несколькими методами приобретения знаний. Адекватность применения модели была проверена в нескольких предметных областях (диагностика в медицине, диагностика состояния сельскохозяйственных культур, диагностика неисправностей автономного подводного робота).
Рисунок 6.
Gribova V., Shalfeeva E. Ontology of anomalous processes diagnosis // International Journal of Intelligent Systems. 2020. DOI: 10.1002/int.22300.
Проведены исследования поведения плавучих трассеров на поверхности океана (хлорофилл, пластик, нефтяные пятна). Эти объекты образуют ярко выраженные кластеры, поэтому понимание и предсказание данного явления является важной и актуальной задачей. Выполнены вычислительные эксперименты на основе разработанных математических моделей, а также сравнение полученных результатов со спутниковыми данными (рисунок 7). В результате получены зависимости кластеризации плавучих трассеров от кинематических характеристик скорости поверхности океана.
Рисунок 7. Кластеризация плавучих трассеров на поверхности океана
Stepanov D.V., Ryzhov E.A., Zagumennov A.A., Berloff P., Koshel K.V. Clustering of Floating Tracer Due to Mesoscale Vortex and Submesoscale Fields // Geophysical Research Letters. 2020. Vol. 47. Iss. 3. Articlenumbere2019GL086504 .DOI: 10.1029/2019GL086504.
Показано, что динамика популяции определяется величиной среднего репродуктивного потенциала зрелых особей и интенсивностью процессов саморегуляции. В модели при пониженном репродуктивном потенциале гетерозиготы возникает мультистабильность динамики частот генов: в системе одновременно существуют оба мономорфных равновесия и колебательные режимы динамики генетического состава популяции (рисунок 8). Данные сценарии микроэволюции генетического состава популяции, согласуются с результатами исследований популяции Тихоокеанской горбуши, которая демонстрирует не только колебания численности, но и наличие генетически дифференцированных субпопуляций смежных поколений.
Рисунок 8.
Neverova G.P., Zhdanova O.L., Frisman E.Ya. Effects of natural selection by fertility on the evolution of the dynamic modes of population number: Bistability and multistability // Nonlinear Dynamics. 2020. Vol.101. No.1. P.687-709. DOI: 10.1007/s11071-020-05745-w.
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. 2020. Vol. 94. Articlenumber 105554. DOI: 10.1016/j.cnsns.2020.105554.
Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления
Секция проблем машиностроения и процессов управления
Предложен подход к повышению надежности функционирования роботов различного вида и назначения за счет непрерывного контроля работоспособности их исполнительных элементов. Решение задачи основано на использовании комплекса диагностических наблюдателей с переменной структурой (НПС) для определения возникающих дефектов. Для этого созданы новые процедуры построения НПС (рисунок 9), которые в отличии от известных синтезируются таким образом, чтобы формируемая ими невязка реагировала на появление различных комбинаций возможных дефектов. Это позволяет за счет анализа невязок не только точно определить каждый конкретный дефект, но и произвести его точную оценку.
Рисунок 9. Структурная схема банка НПС для обнаружения и идентификации дефектов в исполнительных элементах роботов
Zuev A.V., Zhirabok A.N., Filaretov V.F. Fault identification in underwater vehicle thrusters via sliding mode observers // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. 2020. Vol. 30. No. 4. P. 1-6.
Предложен и протестирован на промышленных данных процесса производства метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) алгоритм функционирования адаптивного виртуального анализатора (ВА) с применением «движущегося окна» и кластеризации. Проведено исследование зависимости точности показаний ВА от ширины окна обучающей выборки и рассмотрены критерии для выбора оптимального значения ширины окна. Увеличение точности (уменьшение средней абсолютной ошибки) адаптивных ВА (рисунок 10) может быть достигнуто в среднем на 5%, а сокращение времени для пересчета параметров модели (адаптации) и расчета показаний ВА составляет в среднем 15%.
Рисунок 10. Сравнение средних абсолютных ошибок (MAE) адаптивных ВА для оценки качества выходного продукта массообменного технологического объекта
Снегирев О.Ю., Торгашов А.Ю. Разработка адаптивных виртуальных анализаторов для промышленных ректификационных колонн с применением кластеризации // Автоматизация в промышленности. 2020. № 8. С. 44-50.
SamotylovaS. A., TorgashovA. Yu. Developing a soft sensor for MTBE process based on a small sample // Automation and remote control. 2020. Vol. 81. Is. 11. P. 345-355.
Решена задача построения модели для оценки показателя качества выходного продукта нелинейного массообменного технологического объекта (МТО) на основе экспериментальных данных. Для анализа структурной идентифицируемости исследуемого процесса и выявления факторов, влияющих на точность индекса структурной идентифицируемости модели, предлагается методика на основе алгоритма чередующихся условных математических ожиданий (alternating conditional expectation – АСЕ). Определяется пороговое значение индекса структурной идентифицируемости на основе аналитической модели объекта, т.е. с учетом физико-химических особенностей рассматриваемого МТО. Применение предлагаемого подхода проиллюстрировано на синтетических и экспериментальных данных (рисунок 11).
Рисунок 11. Результаты функционирования непараметрической модели, построенной на основе алгоритма ACE, для оценки показателя качества выходного продукта на проверочной выборке
Можаровский И.С., Самотылова С.А., Торгашов А.Ю. Предсказательное моделирование массообменного технологического объекта с использованием алгоритма чередующихся условных математических ожиданий // Математическое моделирование. 2020. Т.32. № 3. С. 127-147.
Mozharovsky I.S., Samotylova S.A., Torgashov A.Yu. Predictive modeling of mass-transfer of plant using an algorithm of alternating conditional expectations // Mathematical Models and Computer Simulations. 2020. Vol. 12. No. 6. P. 915-925.
Секция механики
С использованием оригинальной численной модели исследовано влияние формы тепловых аккумуляторов на эффективность их зарядки и разрядки для накопителей тепловой энергии на основе гранулированных материалов с фазовыми переходами. Показано, что форма накопителя энергии влияет на динамику газового теплоносителя, что оказывает влияние на процессы теплообмена, накопления и отдачи тепла (рисунок 12). Наиболее оптимальная форма накопителя энергии в процессах как зарядки, так и разрядки зависит от выбора критерия эффективности и конкретных условий процесса, таких как граничные условия, температура фазового перехода гранулированного материала и так далее. Сужающиеся или расширяющиеся накопители тепловой энергии имеют преимущества в редких случаях, чаще наиболее предпочтительны накопители энергии с прямыми стенками.
Рисунок 12. Пример распределения температуры гранулированного материала в осесимметричном тепловом аккумуляторе с прямыми (a), сужающимися (б) и расширяющимися боковыми стенками (c)
Lutsenko N.A., Fetsov S.S. Effect of side walls shape on charging and discharging performance of thermal energy storages based on granular phase change materials // Renewable Energy. 2020. Vol. 162. P. 466-477. DOI:10.1016/j.renene.2020.08.029.
Фецов С.С., Луценко Н.А. Численный анализ влияния геометрии боковых стенок на эффективность тепловых аккумуляторов на основе гранулированных материалов с фазовыми переходами // Вычислительная механика сплошных сред. 2020. Т. 13. № 2. С. 189-204. DOI:10.7242/1999-6691/2020.13.2.15.
С целью теоретического обоснования и оптимизации перспективного метода извлечения ценных металлов из металлосодержащих сред посредством фильтрационного горения разработана оригинальная модель, описывающая совокупность физико-химических и газодинамических процессов при распространении волн горения в пористых средах с примесями металлов. Показано, что происходящие при гетерогенном горении пористых металлсодержащих сред фазовые превращения (плавление/затвердевание и испарение/конденсация) приводят к значительному накоплению конденсированного металла в области перед фронтом реакции (рисунок 13). Таким образом, показано, что посредством фильтрационного горения можно эффективно обогащать металлсодержащие среды, повышая в них концентрацию редких и ценных металлов в десятки раз.
Рисунок 13. Пример распределения эффективной плотности конденсированного металла по длине пористого реактора в разные моменты времени при распространении волны горения:
1 – через 3 с после начала процесса, 2 – через 600 с, 3 – через 1200 с, 4 – через 1800 с
Луценко Н.А. Моделирование процесса извлечения ценных металлов из металлсодержащих сред методом фильтрационного горения // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2020. Т. 491. С. 85-89. DOI: 10.31857/S2686740020020170. (Перевод: Lutsenko N.A. Modeling the process of extracting the valuable metals from metal-containing media by the method of filtration combustion // Doklady Physics. 2020. Vol. 65, No. 3. pp. 123-127. DOI:10.1134/S1028335820030106)
Salgansky E.A., Lutsenko N.A., Toledo M. The model of the extraction process of rare metals under condition of filtration combustion wave // Frontiers in Chemistry. 2020. Vol. 8. Article number 511502. DOI:10.3389/fchem.2020.511502.
В рамках феноменологической механики деформируемых тел предложена геометрически и термодинамически непротиворечивая математическая модель больших деформаций материалов с упругими, вязкими и пластическими свойствами, одновременно учитывающая и медленный процесс ползучести, и более быстрый процесс пластического течения. Основные положения предложенной модели, позволяющей прогнозировать результаты операций формовки и обтяжки с помощью предварительных расчетов, иллюстрируются решением в ее рамках краевых задач о деформировании упруговязкопластических материалов в цилиндрических трубах с жесткими стенками при прямолинейном движении (рисунок 14) или повороте одной из них.
Рисунок 14. Изменение упругопластической границы при развитии (a) и торможении (b) прямолинейного течения в цилиндрическом слое
Begun A.S, Burenin A.A, Kovtanyuk L.V, Lemza A.O. On the mechanisms of production of large irreversible strains in materials with elastic, viscous and plastic properties // Archive of Applied Mechanics. 2020. V. 90. P. 829-845.DOI: 10.1007/s00419-019-01641-x.
Ковтанюк Л.В., Панченко Г.Л. Об изменяющихся механизмах производства больших необратимых деформаций в условиях прямолинейного движения в цилиндрическом слое // Известия РАН. Механика твердого тела. 2020. № 2. С. 10-21. DOI: 10.31857/S0572329920020099.
L.V. Kovtanyuk, G. L. Panchenko. On the Changing Mechanisms of the Production of Large Irreversible Deformations in the Conditions of Rectilinear Motion in a Cylindrical Layer // Mechanics of Solids. 2020. Vol. 55. No. 2. P. 162-171. DOI: 10.3103/S0025654420020132.