![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Актуальность исследования определяется тем, что оптические покрытия используются во всех лазерных системах большой мощности, а также тем, что современные технологии математического моделирования, ориентированные на использование параллельных вычислений, позволяют исследовать важнейшие свойства составляющих покрытия тонких пленок. Устойчивая работа оптических покрытий зависит от величины порога лазерного разрушения - мощности и длительности импульса, вызывающего необратимые структурные изменения и потерю функциональных свойств покрытия (прозрачности, высокого отражения в заданном диапазоне длин волн, и др.). Повышение порога лазерного разрушения (лучевой прочности) покрытий имеет критическое значение для развития лазерных систем большой мощности. Величина порога лазерного разрушения зависит от свойств материалов, из которых формируются покрытия и от условий их напыления. Такие зависимости могут изучаться как экспериментально, так и методами математического моделирования. Значительный рост мощности суперкомпьютеров и развитие технологий параллельных вычислений, в том числе с использованием графических процессоров, позволяют моделировать атомистические кластеры технологически значимых размеров для выявления зависимостей между технологическими параметрами напыления и структурными свойствами оптических тонких пленок, влияющими на порог лазерного повреждения. Таким образом, развитие методов математического моделирования существенно дополняет и расширяет возможности исследования свойств оптических тонких пленок. В проекте предполагается впервые провести многомасштабное исследование образования наноразмерных и точечных дефектов в оптических тонких плёнках и характеристик этих дефектов, влияющих на величину порога лазерного повреждения пленок. При этом впервые будут разработаны методы моделирования роста тонких оптических пленок при осаждении как отдельных атомов, так и молекулярных кластеров, формируемых из мишеней различного состава. Кроме того, будет разработана система моделирования роста пленок при ионном ассистировании процесса напыления. Научная новизна проекта состоит также в том, что впервые методами математического моделирования будет проведено многомасштабное исследование формирования дефектов в переходной области между пленками различных составов. В качестве объектов исследования будут выбраны пленкообразующие диэлектрические материалы как с высоким, так и с низким показателем преломления, широко используемые при изготовлении оптических покрытий различного назначения. Исследование зависимости концентрации структурных дефектов тонких пленок от технологических параметров различных методов напыления покрытий будет проведено с использованием технологий суперкомпьютерного моделирования, в том числе на основе графических процессоров. При моделировании будут использованы классические и квантовые методы атомистического уровня, а также континуальные методы, описывающие распространение лазерного излучения и тепловых потоков в многослойных оптических покрытиях. По результатам выполнения проекта будет создан программный комплекс, реализующий моделирование процессов напыления оптических тонких пленок различными методами, и позволяющий исследовать структурные свойства пленок, влияющие на величину порога лазерного повреждения.
The relevance of the study is determined by the fact that optical coatings are used in all high-power laser systems. Also, the modern mathematical modeling technologies focused on the use of parallel computing make it possible to investigate the most important properties of thin films composing optical coatings. The stable operation of optical coatings depends on the threshold of laser induced damage - the power and duration of the pulse, which causes irreversible structural changes and loss of the functional properties of the coating (transparency, high reflection in a specified wavelength range, etc.). Increasing the laser damage threshold of coatings is of critical importance for the development of high-power laser systems. The value of the laser damage threshold depends on the properties of the materials forming the coatings and on the conditions of their deposition. Such dependencies can be studied both experimentally and by mathematical modeling methods. A significant increase in the power of supercomputers and the development of parallel computing technologies, including those using graphic processors, make it possible to simulate atomistic clusters of technologically significant sizes to reveal the dependencies between the technological parameters of deposition and the structural properties of optical thin films affecting the laser induced damage threshold. Thus, the development of mathematical modeling methods significantly expands the possibilities of studying the properties of optical thin films. In the frame of the project, it’s supposed for the first time to carry out a multiscale study of the formation of nanosized and point defects in optical thin films and the characteristics of the defects acting the threshold of laser induced damage of films. The method for modeling the growth of thin optical films during the deposition of both individual atoms and molecular clusters formed from targets of various compositions will be developed for the first time. In addition, a system for simulating film growth with ion assisted deposition will be developed. The scientific novelty of the project also lies in the fact that, for the first time, a multiscale study of the formation of defects in the transition region between films of different compositions will be carried out. The objects of study will be film-forming dielectric materials with both high and low refractive index, widely used for producing of optical coatings for various purposes. The study of the dependence of the concentration of structural defects in thin films on the technological parameters of various methods of coating deposition will be carried out using supercomputer simulation technologies, including those based on graphic processors. The simulation will use classical and quantum methods of the atomistic level, as well as continuum methods that describe the propagation of laser radiation and heat transfer in multilayer optical coatings. Based on the results of the project, a software package allowing the simulation of the processes of deposition of optical thin films by various methods will be elaborated. This package makes it possible to study the structural properties of films affecting the value of the laser induced damage threshold.
К наиболее значимым ожидаемым результатам проекта относятся следующие: 1. Программный комплекс, реализующий моделирование процессов напыления, наиболее широко используемых на практике для создания оптических покрытий с высокими значениями порога лучевой прочности. Программный комплекс позволит варьировать при моделировании основные технологические параметры процессов напыления. 2. Зависимости влияющих на порог лазерного повреждения характеристик точечных и наноразмерных дефектов от технологических параметров процессов напыления. Такие зависимости будут получены как для отдельных пленок, так и для граничных областей между пленками из различных материалов. 3. Результаты континуально-атомистического моделирования нагрева и начальной стадии испарения пленки при поглощении лазерного излучения, включая временные зависимости распределения температуры в поглощающих слоях и параметры процесса испарения вещества пленки. Научная значимость ожидаемых результатов обусловлена возможностью установления закономерностей между физико-химическими условиями роста тонких оптических пленок и характеристиками структурных дефектов, определяющих величину порога лазерного разрушения пленок. Установление таких закономерностей способствует более глубокому пониманию механизма лазерного повреждения оптических тонких пленок. Предполагаемые результаты проекта существенно превысят достигнутый к настоящему времени мировой уровень исследований по тематике проекта. К настоящему времени проведено большое число экспериментальных работ, связанных с этой тематикой. Проводятся также исследования с использованием методов математического моделирования. Однако, многие исследования, основанные на технологиях математического моделирования, не используют или же используют в недостаточной мере современные возможности технологий параллельных вычислений. Уровень ожидаемых результатов определяется использованием многомасштабного подхода к моделированию: континуальные методы будут опираться на результаты классического молекулярно-динамического моделирования, результаты классического уровня атомистического моделирования будут использоваться также на квантовом уровне. При этом все вычисления будут проведены с использованием суперкомпьютерных технологий параллельных вычислений, реализованных в том числе и на графических процессорах. Общественная значимость предполагаемых результатов обусловлена быстрым развитием лазерных технологий высокой мощности для различных научных и промышленных приложений. Для дальнейшего развития этих технологий необходимы оптические покрытия с высоким порогом лазерного повреждения. Выявление зависимости между технологическими параметрами напыления оптических покрытий и структурными дефектами, влияющими на порог лазерного повреждения, позволит оптимизировать процесс проектирования и технологии изготовления оптических покрытий для лазерных систем высокой мощности.
У коллектива заявителей проекта имеется большой научный задел по тематике проекта, отраженный в более чем 30 публикациях в журналах из списков РИНЦ, Wed of Science, Scopus. Из них около половины – в журналах из первого и второго квартилей. Научный коллектив имеет многолетний опыт совместной реализации проектов, в числе двух проектов РНФ. Все эти проекты были выполнены успешно и со значительным превышением по планировавшимся результатам и числу публикаций. Наиболее значимый задел для выполнения данного проекта составляют следующие ранее разработанные методы: атомистического моделирования процесса высокоэнергетического напыления тонких оптических пленок, моделирования отжига пленок после напыления, получения структуры стеклообразного состояния из кристаллического, расчета поверхностной шероховатости и пористости, континуально-атомистический многомасштабный метод расчета тензора показателя преломления высокопористых анизотропных пленок, метод расплавления-отвердевания для изучения аморфных состояний пленкообразующих материалов, основанный на квантовой молекулярной динамике. Из полученных ранее результатов наиболее значимыми для выполнения настоящего проекта являются результаты исследования структуры высокопористых анизотропных пленок, полученных напылением под большим углом, GLAD (glancing angle deposition). Дополнительно, к важному заделу по проекту относится накопленный ранее опыт разработки программных комплексов, реализующих разработанные методы моделирования и ориентированных на использование технологий суперкомпьютерного моделирования, в том числе реализованных на графических процессорах.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 мая 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Моделирование напыления аморфных оптических пленок и исследование структурных особенностей, влияющих на их лучевую прочность |
Результаты этапа: Предложенный ранее метод молекулярно-динамического моделирования осаждения тонких пленок из металлических мишеней адаптирован к случаю диэлектрических мишеней и применен к пленкам диоксида кремния. Возможность выхода из мишени не только атомов кремния, но и кластеров с атомами кислорода учтена добавлением в поток осаждаемых атомов молекул O=Si=O. Атомистические кластеры пленок получены как высокоэнергетическим, так и низкоэнергетическим напылением при различном процентном содержании молекул в потоке осаждаемых на подложку частиц. Если поток осаждаемых частиц движется перпендикулярно подложке, то введение в поток молекул O=Si=O приводит к уплотнению пленки. При низкоэнергетическом напылении (E(Si) = 0.1 эВ) увеличение плотности достигает 0.5 г/см3, что в два раза превышает аналогичный эффект при высокоэнергетическом напылении (E = 10 эВ). Такое уплотнение связано с изменением взаимной ориентации структурных тетраэдров SiO4, поскольку длина связей Si-O и угол Si-O-Si изменяются незначительно. Изменение показателя преломления вследствие уплотнения пленки достигает 0.025 для низкоэнергетических пленок. Рассчитаны величины компонент тензора напряжений. При высокоэнергетическом осаждении наблюдаются сжимающие напряжения, при низкоэнергетическом – растягивающие. Абсолютные значения диагональных компонент тензора напряжений растут с увеличением доли молекул в потоке осаждаемых частиц. Выполнено моделирование осаждения (напыления) под большими углами. При угле напыления α = 60 град. плотность пленки меняется примерно так же, как и при нормальном напылении. В случае α = 70 град. увеличение доли молекул O=Si=O приводит к разнонаправленным изменениям зависимости плотности пленки от ее толщины. Проведено классическое молекулярно-динамическое моделирование напыления тонких пленок ZnO. Начальная энергия осаждаемых на подложку атомов Zn равна 10 эВ, энергия атомов кислорода — 0.1 эВ. Эти параметры удовлетворяют условиям высокоэнергетического напыления. Значения углов напыления равны 0 (нормальное напыление), 70 град (напыление под большим углом) и 40 град. (промежуточное значение угла напыления). Показано, что нормальное напыление приводит к образованию плотной пленки ZnO. Увеличение угла до 40 град. приводит к образованию пор и увеличению доли свободного объема до 4% от 0% при нормальном напылении. Дальнейшее увеличение угла напыления до 70 град приводит к образованию наноструктурированной пленки с наклонными столбцами. Доля свободного объема увеличивается до 40% за счет пустого объема между столбцами. Моделирование проводится с использованием параллельных вычислений на 32 ядрах. По оценкам, эффективность распараллеливания составляет около 90%. Проведено исследование эффективности и точности МД-моделирования тонких пленок диоксида кремния для различных параметров метода Particle Mesh Ewald (PME) с использованием программы GROMACS. Для моделирования используются два кластера, представляющие собой изотропную плотную и анизотропную пористую пленки. Выявлено, что увеличение параметра fourierspacing с 0.05 до 0.2 нм сокращает время моделирования в 2-3 раза. Это уменьшение сопровождается ростом дальнодействующего слагаемого в электростатической энергии. Рост параметра interpolation order с 4 (значение по умолчанию) до 12 приводит к увеличению времени моделирования примерно на порядок. Таким образом, высокое значение interpolation order следует использовать только тогда, когда требуется высокая точность моделирования. Для всех значений исследованных параметров PME короткодействующее слагаемое электростатической энергии отрицательно. Значения основных компонент тензора давления изменяются в пределах нескольких процентов при изменении параметров fourierspacing и interpolation order в исследуемом интервале. Эффективность параллельных вычислений снижается незначительно с увеличением числа вычислительных ядер с 8 до 64. Проведено атомистическое исследование аморфных композитных оксидов HfO2-SiO2 для объяснения экспериментально наблюдаемого аномального поведения показателя преломления с увеличением содержания Si. Аномальное поведение заключается в том, что высокий показатель преломления HfO2 еще больше увеличивается при добавлении диоксида кремния, имеющего низкий показатель преломления. Использован метод получения аморфных состояний высокотемпературных оксидов путем плавления-закалки исходного кристалла HfO2, содержащего различное количество примесных атомов Si. Расчеты проведены методом квантовой молекулярной динамики. Координационные числа атомов Hf, Si и O рассчитаны при различных уровнях легирования. Изменение атомной структуры a-HfO2 и его плотности в зависимости от уровня легирования объясняет аномальное поведение показателя преломления. Впервые проведено моделирование методами квантовой молекулярной динамики атомистической и электронной структуры ламинатных квантовых нанослоёв Ta2O5 в диоксиде кремния. Показано, что электронный спектр, в частности запрещенная зона, существенно зависит от того, как атомы Ta распределены в диоксиде кремния: равномерно распределены в матрице диоксида кремния, или сгруппированы в нанослои Ta2O5. Исследование свойств таких квантовых нанослоёв может привести к созданию нового класса оптических покрытий. | ||
2 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Моделирование напыления аморфных оптических пленок и исследование структурных особенностей, влияющих на их лучевую прочность |
Результаты этапа: Разработана система моделирования переходной области между двумя слоями оптических пленок. В результате МД моделирования впервые получены атомистические кластеры технологически значимых размеров с переходной областью между диоксидом кремния (SiO2, материал с низким показателем преломления) и диоксидом титана (TiO2, материал с высоким показателем преломления). Размеры кластера в плоскости подложки 13,8 нм × 13,8 нм, вертикальный размер (толщина пленки) около 30 нм, из которых 20 нм составляет толщина подложки и пленки диоксида титана, и 10 нм – толщина пленки диоксида кремния, которая напыляется поверх пленки диоксида титана. Разработано силовое поле для моделирования переходной области, которое помимо параметров для диоксида титана и диоксида кремния содержит параметры, описывающие взаимодействие атомов кремния и титана. Эти параметры получены с использованием комбинационных правил. По профилям плотности определена толщина переходной области – около 3 нм, что близко к толщине переходной области между пленкой и вакуумом. Длины связи и валентные углы в переходном слое близки к тем, которые получены для отдельных слоев диоксида кремния и диоксида титана. Наиболее распространенные типы точечных дефектов в переходных слоях следующие: атомы кислорода, титана и кремния с координацией, отличной от типичной для слоев TiO2 и SiO2, атомы кислорода, связанные как с атомами кремния, так и с атомами титана. В переходных слоях в заметных концентрациях наблюдаются атомы титана с координацией от 5 до 7, атомы кремния – от 3 до 5, атомы кислорода – от 1 до 4. В переходной области в два раза увеличивается доля недокоординированных атомов кислорода, связанных с титаном. Доля атомов кислорода, имеющих связи как с атомами кремния, так и с атомами титана, доходит до 10%. Перечисленные атомы следует рассматривать как точечные дефекты, которые могут обладать оптической активностью. По результатам молекулярно-динамического моделирования получено, что отжиг пленки с переходным слоем приводит к увеличению ее толщины. Разработана версия силового поля DESIL для Ta2O5 (пленкообразующий материал с высоким показателем преломления), воспроизводящая основные структурные характеристики аморфного Ta2O5: плотность, координацию атомов тантала и кислорода, положение пиков радиальной функции распределения, длину связи Та-О. Силовое поле может быть использовано при моделировании напыления пленок Ta2O5, а также переходных слоев между пленками различного состава. С помощью МД моделирования впервые продемонстрирован эффект частичной компенсации положительных (растягивающих) напряжений в пленках TiO2 и отрицательных (сжимающих) напряжений в пленках SiO2. Этот эффект объясняет низкие напряжения, обнаруженные экспериментально в пленках TiO2-SiO2. При исследовании напряжений в пленках TiO2-SiO2, вызванных их нагревом (например, лазерным излучением) получено, что при температуре около 500 К тип напряжения меняется с растягивающего (положительный знак) на сжимающий (отрицательный знак). Дальнейший нагрев вначале приводит к почти линейному росту абсолютных значений напряжений, но затем эти значения достигают максимума и начинают уменьшаться, что объясняется размягчением пленки. Впервые показана возможность моделирования переходного слоя и границы раздела аморфных Ta2O5 и SiO2 методами квантовой молекулярной динамики с помощью функционала плотности. Для периодических граничных условий получена суперячейка, содержащая 234 атома, моделирующая аморфную двухслойную систему Ta2O5–SiO2, которая имеет хорошо определенную границу раздела этих двух материалов, сформированную мостиками Ta–O–Si. Аморфное состояние этой системы получено с помощью молекулярно-динамического моделирования методом расплавления-закалки при скоростях нагрева и закалки 0.5 К/фс и при стабилизации расплава при 3000 К и 2300 К. Окно пропускания такой системы (запрещенная зона) определяется материалом с наименьшей шириной запрещенной зоны, в данном случае – аморфным слоем Ta2O5, и равна Eg = 2.7 эВ при использовании функционалов PBE и при вычислении Eg = E(LUMO) – E(HOMO), где LUMO – низшая незаполненная электронами молекулярная орбиталь, HOMO – высшая заполненная двукратно электронами молекулярная орбиталь. При сравнении с экспериментами надо иметь в виду, что при таком вычислении запрещенной зоны для функционалов PBE получаются несколько заниженные значения. Впервые с помощью метода функционала плотности (DFT) проведены расчеты вакансии кислорода, расположенной на поверхности раздела аморфных слоев Ta2O5 и SiO2. Показано, что при образовании вакансии кислорода два соседних с вакантным кислородным узлом атома образуют между собой ковалентную связь Si–Ta. При этом наинизшая энергия электронных переходов уменьшается от 2.7 эВ в бездефектной структуре до 1.1 эВ при наличии кислородной вакансии. Это уменьшение энергии оптических переходов происходит за счет появления вблизи середины запрещенной зоны Ta2O5 заполненного двумя электронами состояния, сформированного в основном за счет связывающей комбинации орбиталей соседних с вакантным узлом атомов Si и Ta. Электронный переход с наименьшей энергией происходит из этого состояния вакансии вблизи середины запрещенной зоны на d-орбитали атомов Ta, формирующих дно зоны проводимости рассматриваемой системы. Таким образом, показано, что наличие кислородной вакансии типа Si–Ta на границе раздела аморфных оксидов Ta2O5 и SiO2 должно приводить к поглощению лазерного излучения в ИК диапазоне в окне прозрачности такого бездефектного двуслойного покрытия. Это поглощение должно способствовать снижению порога лазерного пробоя. Впервые с помощью метода функционала плотности (DFT) проведены расчеты немостикового атома кислорода, находящегося в слое аморфного диоксида кремния вблизи его границы с аморфным Ta2O5. Немостиковый атом кислорода даёт в запрещенной зоне рассматриваемой системы два заполненных двукратно электронами состояниям: одно находится вблизи потолка валентной зоны, а второе вблизи уровня Ферми. Показано, что электронный переход с p-орбитали немостикового атома кислорода на d-орбитали атомов Ta обуславливает оптическое поглощение в ближнем ИК диапазона с энергией перехода 0.81 эВ. Сила осциллятора такого перехода определяется перекрыванием p-орбитали немостикового атома кислорода и d-орбитали ближайшего к нему атома Ta. Такой переход может приводить к заметному поглощению в окне пропускания двухслойной системы Ta2O5–SiO2, если немостиковый атом кислорода находится вблизи границы раздела этих двух материалов. Это поглощение должно приводить к снижению порога лазерного пробоя. | ||
3 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Моделирование напыления аморфных оптических пленок и исследование структурных особенностей, влияющих на их лучевую прочность |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".