«Опережая время»: в ПГУ создают инновационное покрытие для двумерной электроники
В подведомственном Минобрнауки России Пензенском государственном университете разработали программу для исследования электромагнитных волн на плоском слое с графеновым покрытием. Разработка найдет свое применение в инновационных устройствах и приборах для медицины, электроники, в телекоммуникационных сетях. Пензенские ученые работают в рамках стратегии научно-технологического развития России. Главный разработчик ноу-хау — аспирант ПГУ Станислав Тихов заручился стипендией Президента РФ для аспирантов и адъюнктов. Об этом рассказала газета «КомерсантЪ».
В настоящее время по всему миру, в том числе и в России, активно исследуются перспективы использования графена для создания различных приборов и устройств.
Графен представляет собой тончайшую пленку из атомов углерода (толщиной в один атом). Благодаря своей структуре графен обладает рядом отличительных физических свойств, которые находят применение в различных областях науки и техники.
Так, например графен обладает значительной поверхностной проводимостью и способен поглощать свет в широком оптическом диапазоне: от ультрафиолета до средне-инфракрасного. Такие свойства графена используются для создания эффективных фотодетекторов, модуляторов и других электронных устройств. Эти компоненты повсеместно встраиваются в современные гаджеты.
По словам аспиранта Пензенского госуниверситета Станислава Тихова, их научному коллективу удалось найти два неординарных решения для создания устройств на основе графена. Они предлагают такой процесс математического моделирования, который обходит недостатки всех известных в мире. Моделирование можно применить при создании волноводов.
«Процессу создания и выпуску устройства на основе, к примеру графена, предшествует процесс математического моделирования. Потому что нужно посмотреть и просчитать все риски. Посмотреть на характеристики модели. Компьютерная симуляция помогает избегать неточностей и погрешностей в будущем устройстве. А также неоправданных финансовых трат на его производство», — поделился Станислав.
Ученые изучают рассеивание электромагнитных волн на плоском слое с графеновым покрытием. Они исследуют волновые характеристики волноведуших структур, то есть каким образом графеновое покрытие влияет на характеристики той или иной волноведущей структуры.
Для математического моделирования по использованию нового материала — графена в мире предлагается не так много методов. Все они имеют ряд недостатков. К примеру, в них не учитываются некоторые характеристики (нелинейность графена, свойства окружающих его объектов) или ограничивают диапазон электромагнитного излучения.
Пензенские ученые предлагают универсальный способ для расчета под любую техническую задачу: и создание электроники, и газовых сенсоров, и солнечных батарей.
«Кроме того, наш метод может оперировать не только с графеном, но и с любым другим двумерным материалом, обладающим свойствами близкими графену — это дисульфид молибдена, черный фосфор», — рассказал аспирант.
Их метод математического моделирования способен рассчитать все достаточно точно. К тому же он лишен недостатков, которые есть в предыдущих мировых исследованиях.
В ПГУ предлагают рассматривать задачу дифракции для двумерного уравнения Гельмгольца с нелинейными краевыми условиями. Отметим, в мировой практике такую задачу еще не решали. Это позволяет учесть поведение волны и в продольном, и поперечном направлении для графена или графенового покрытия. Кроме того, не требует никаких ограничений на характеристики графена и окружающих его объектов. При этом ученые сводят краевую задачу к гиперсингулярному интегральному уравнению. Для его решения они предлагают аналитический способ обработки гиперсингулярных операторов.
«До нас никто не решал двумерную задачу дифракции с нелинейными граничными условиями. Мы сводим ее к гиперсингулярному уравнению. И вот здесь тоже возникает ноу-хау. Такие уравнения решать очень сложно. Существует много различных методов. И они работают с какими-либо ограничениями. Мы обходим эти недостатки с помощью формулы, которая позволяет обработать уравнение аналитически», — пояснил Станислав Тихов.
Благодаря уникальным математическим расчетам на базе ПГУ создана программа, способная решить поставленную задачу в небольшие промежутки времени и эффективно. С помощью программы станет возможным также подбирать самый выигрышный материал под определенную задачу. Универсальность метода делает программу ученых ПГУ применимой для разных производств.
«Наш продукт поможет разработчикам, заинтересованным в использовании графена и не только, создавать высококлассные продукты. Программа просчитает все риски. Ее можно адаптировать под разные конфигурации волноведущих структур», — добавил Тихов.
По словам разработчика, будущее уже наступило. Потому что активно создают электронные устройства с использованием новых материалов. Одним из таких является графен. На его основе создаются устройства, взаимодействующие со светом в широком диапазоне частот. И даже в терагерцовом диапазоне (невидимый свет).
В настоящее время научный коллектив исследовал процесс рассеяния ТЕ-поляризованных электромагнитных волн на плоском слое, покрытом графеном. В планах — продолжить рассматривать другие типы волн: ТМ-поляризованные волны, гибридные ТЕ-ТЕ, ТЕ-ТМ и ТМ-ТМ поляризованные волны. И материалы (черный фосфор, дисульфид молибдена).
Программу также ученые продолжают тестировать, прибегая к реальным экспериментам. Кроме того, научный коллектив планирует подать заявку в Роспатент на регистрацию программы для ЭВМ. В планах — коммерциализировать ее.