В ПГУ знают, как сократить затраты на производство электронных компонентов на основе графена
Ученые Пензенского государственного университета разработали новый математический метод и программный комплекс для расчета структур с графеновым покрытием. Графен применяется в наноэлектронике и фотонике. Внедрение ноу-хау позволит сократить затраты на разработку устройств с графеновым покрытием. В разработке заинтересованы предприятия электронной промышленности. Об этом сообщают в ТАСС.
Графен — новый материал, открытый Андреем Геймом и Константином Новосёловым, за что им была присуждена Нобелевская премия по физике в 2010 году. Он представляет собой одноатомный слой углерода, организованный в двумерную гексагональную решетку. Она напоминает своим видом пчелиные соты.
Во всем мире внимание исследователей приковано к графену, потому что он обладает исключительными свойствами: прочный, гибкий, электро- и теплопроводимый, прозрачный, химически стабильный.
Возможно, именно этот материал позволит создавать сверхмощные компьютеры, смартфоны нового поколения, сверхёмкие аккумуляторы, биосенсоры, графеновые импланты для медицины и многое другое.
Отметим, графен хоть и уникальный материал, однако его внедрение требует детальной проработки. Одним из таких «помощников» выступает математическое моделирование. В Пензенском государственном университете д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Юрий Смирнов и аспирант Олег Кондырев разработали уникальный математический метод и программный комплекс для расчета структур, в которых диэлектрический слой покрыт графеном.
Поясним, диэлектрические материалы используются для производства электронных печатных плат, панелей, они — неотъемлемая часть оптических линз, фильтров, отражателей.
При нанесении на диэлектрик определенного материала его свойства могут изменяться. Покрытие придает образцу новые качества, которые открывают возможность использовать его в различных приборах и устройствах. Перед внедрением проходит ряд физических экспериментов, но предварительно прибегают к математическому моделированию.
«Использование математической модели существенно дешевле проведения физического эксперимента. Поэтому иметь математические пакеты для расчета диэлектриков с графеновым покрытием — необходимо. Это откроет возможность создавать высокотехнологичную продукцию, новые материалы», — подчеркивает Юрий Смирнов.
Вернемся к диэлектрикам, покрытым графеном. При попадании на них электромагнитных волн их свойства и качества также меняются. С точки зрения математики, этот процесс можно «рассчитать» с помощью краевой задачи сопряжения для системы уравнений Максвелла. Но графеновые диэлектрики содержат особое условие — наличие бесконечно тонкого слоя материала на поверхности раздела сред — графена.
«Поскольку графен имеет толщину в один атом, то его можно считать бесконечно тонким. Он самый тонкий материал известный человеку. Его наличие на поверхности раздела сред изменяет условия сопряжения», — рассказал Олег Кондырев.
Он добавил, что важно учитывать конечные размеры исследуемого тела — диэлектрика с графеновым напылением.
Стоит сказать, что такие краевые задачи сопряжения исследуют во всем мире, но, как правило, рассматривают периодические структуры. Расчет непериодических структур, учитывающих конечные размеры образца, является более сложной задачей. В ПГУ удалось ее решить.
В работу программного комплекса заложен ряд новых интегральных уравнений, предложенных исследователями в ПГУ. На базе Научно-исследовательского центра «Суперкомпьютерное моделирование в электродинамике» ученые проверили разницу расчетов между тестовыми примерами и диэлектриками с графеновым напылением. Обратим внимание, тестовыми примерами выступили известные структуры и подложки без графенового покрытия.
«Мы получили хорошие результаты: между известными структурами и материалом с графеном обнаружены небольшие различия. С одной стороны, это показывает устойчивость предложенного решения. С другой стороны, небольшие различия как раз и являются следствием наличия графена и проявлением его уникальных физических свойств», — отметил Юрий Смирнов.
Программный комплекс и математический пакет для него от новаторов Пензенского госуниверситета найдет широкое применение в фотонике, наноэлектронике, оптике, наноиндустрии.
«Моделирование значительно сэкономит время и ресурсы, позволяя быстро тестировать различные структуры и параметры без необходимости создания сложных установок», — подчеркивает Олег Кондырев.
Профессор Юрий Смирнов добавил, что изучение дифракционных эффектов на графеновых покрытиях способствует расширению теоретических знаний в области физики и материаловедения. Это позволит в будущем создавать новые материалы с заданными свойствами.
Внедрение разработки ученых ПГУ позволит не только улучшить существующие технологии, но и открыть новые горизонты в области коммуникационных систем, сенсоров и фотоники.
Проект «Математическое моделирование дифракций электромагнитных волн на диэлектрическом теле, покрытым графеном» поддержан программой «Ректорские гранты» ПГУ. В планах научного коллектива — работать дальше над проектом и пода ть заявку на государственную регистрацию программы для ЭВМ.
