Главная – Журналы – Автометрия 2025 номер 6

Композитные слои кремния (Si), содержащие синтезированную фазу узкозонного арсенида индия (InAs), представляют интерес с точки зрения расширения области оптического поглощения и фотоотклика Si на ближнюю и среднюю инфракрасную область (λ = 1-3,5 мкм). Исследованы слои монокристаллического Si, подвергнутые последовательной высокодозной имплантации ионами In⁺ и As⁺ с последующим термическим отжигом в печи (твердофазная кристаллизация) или импульсным наносекундным отжигом пучком ионов C⁺/H⁺ (жидкофазная кристаллизация). С помощью методов сканирующей электронной микроскопии, вторичной ионной масс-спектрометрии, рентгеновской дифракции, оптической инфракрасной спектроскопии и фотопроводимости исследованы структурные, оптические и фотоэлектрические свойства композитных слоёв. Показано, что импульсный отжиг приводит к глубокой диффузии атомов As в Si до 1 мкм с образованием твёрдого раствора Si:As, а примесь In вытесняется к поверхности. Термический отжиг приводит к небольшому перераспределению примесей и образованию вторичных фаз InAs и In₂O₃. В обоих случаях достигалась высокая концентрация электронов (∼2 · 10²⁰ см^-3) и регистрировалась интенсивная полоса поглощения с максимумом при 3,6 мкм. Спектры фотоотклика мезадиодов при 300 К показывают область фоточувствительности 0,5-1,2 мкм, сравнимую с типовым Si-фотодиодом. Фотоотклик в области 1,2-2,4 мкм не обнаружен.

Исследован способ модуляции ТГц-излучения, основанный на явлении фазового перехода полупроводник-металл в диоксиде ванадия (VO₂). При термическом разогреве плёнки VO₂ на кремниевой подложке до металлического состояния наблюдается ослабление пропускания ТГц-излучения на ∼80 %. Для двухэлектродных структур с плёнкой VO₂ с межэлектродным расстоянием миллиметровых размеров при нагреве плёнки электрическим током ослабление пропускания составляет лишь ∼42 %. При этом из-за разогрева подложки, на которую нанесена плёнка VO₂, происходит медленная (секундная) динамика охлаждения и обратного перехода плёнки в полупроводниковое состояние. Для увеличения модуляционной частоты до сотен кГц предлагается вместо сплошной плёнки создать структурированную систему из отдельных VO₂-элементов микронных размеров, допускающих гораздо более быстрое охлаждение, что подтверждается экспериментально.

Проведено исследование температурно- и электрически инициированного фазового перехода в тонких плёнках диоксида ванадия методами спектральной и микроэллипсометрии. Показано, что сопротивление плёнки VO₂ резко изменяется более чем на три порядка при температуре около 67 °C, что связано с фазовым переходом полупроводник-металл. С использованием разработанного численного алгоритма решения обратной задачи эллипсометрии из экспериментально определённых параметров Ψ и ∆ рассчитаны спектральные зависимости показателей преломления n(λ) и поглощения k(λ) для полупроводниковой и металлической фазы диоксида ванадия. Установлено, что в ультрафиолетовой и видимой областях спектра изменения n и k при нагреве незначительны, тогда как в ближнем инфракрасном диапазоне наблюдается резкое перераспределение оптического отклика, связанное с фазовым переходом в диоксиде ванадия. Показано, что наибольшие изменения показателей преломления и поглощения происходят на длине волны 1100 нм и составляют от 2,94 до 1,57 и от 0,91 до 1,95 соответственно. Методом микроэллипсометрии зафиксировано обратимое изменение параметров Ψ и ∆ при электрически инициированном образовании тонкого проводящего филамента в диоксиде ванадия между двумя контактными площадками. Полученные результаты демонстрируют перспективность диоксида ванадия для применения в перестраиваемых оптических и оптоэлектронных устройствах ближнего и среднего инфракрасного диапазонов.

Представлены результаты разработки и экспериментального исследования макета датчика теплового потока на основе тонкоплёночного слоя YBaCuO, напылённого методом импульсного лазерного осаждения на монокристаллические подложки Al₂O₃ (1̅102). Предложен технологически простой подход к формированию ориентированных плёнок YBCO без применения дорогостоящих miscut-подложек, обеспечивающий реализацию поперечного термоэлектрического эффекта. Проведены комплексные исследования морфологии, фазового состава и термоэлектрических характеристик плёнок, полученных при различных температурах осаждения. Установлено, что максимальная чувствительность макета датчика теплового потока достигается при температуре 700 °C и составляет 177 мкВ ∙ см²/Вт, что сопоставимо с характеристиками эталонных водоохлаждаемых сенсоров.

Работа посвящена численному исследованию электромагнитных характеристик мультирезонансных метаматериалов, состоящих из микрорезонаторов на основе диоксида ванадия и кремния, предназначенных для работы в инфракрасном диапазоне. Анализируются зависимости спектрального отклика от геометрических параметров метаматериала и контраста коэффициента отражения при фазовом переходе полупроводник-металл в диоксиде ванадия. Показано, что электромагнитный отклик в инфракрасном диапазоне определяется резонансами Ми, плазмонными и квазиволноводными резонансами. Установлено, что гибридные метаматериалы на кремниевой подложке позволяют достигать высококонтрастных переключений коэффициента отражения в более широком спектральном диапазоне по сравнению с аналогичными структурами на кварцевых подложках. Определены спектральные зависимости пороговых мощностей перехода для метаматериалов на кварцевых и кремниевых подложках.

Очистка поверхности InSb от оксидов является важным этапом при эпитаксиальном росте и постростовых технологических процессах, поскольку оксидный слой приводит к образованию дефектов в эпитаксиальных слоях и деградации параметров устройств. Показано, что очистка поверхности InSb от оксидов с помощью отжига в потоке индия позволяет уменьшить максимальную температуру отжига и шероховатость поверхности по сравнению с термическим отжигом в вакууме: среднеквадратичная шероховатость поверхности InSb составила 1,2 нм после очистки отжигом в вакууме при 400 °C и 0,9 нм после очистки отжигом в потоке индия при 355 °C c последующим отжигом в вакууме при 380 °C. Меньшая шероховатость поверхности подложек InSb после этапа очистки позволит улучшить кристаллическое качество выращиваемых эпитаксиальных слоёв. На основе in situ контроля процесса десорбции оксидов методом дифракции быстрых электронов показано, что поток сурьмы замедляет процесс десорбции оксида индия, что приводит к необходимости увеличивать максимальную температуру отжига.

Приведены результаты исследования слоёв Al_xGa_1-xN с различной мольной долей алюминия, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии из аммиака на подложках Al₂O₃ методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Показано, что инверсионные домены, присутствующие в буферных слоях AlN, не прорастают на поверхность плёнки при дальнейшем росте слоёв Al_xGa_1-xN с мольной долей алюминия x ≤ 0,2. В слоях с мольной долей алюминия 0,2 ≤ x ≤ 0,5 над инверсионными доменами формируются объёмные платообразные дефекты, простирающиеся на глубину более 200 нм, а при x ≥ 0,5 платообразные дефекты прорастают через весь слой Al_xGa_1-xN.

Рассмотрено численное решение прямой задачи рассеяния для одномерного уравнения Гельмгольца. В рамках метода трансфер-матриц интегральным методом получена неявная разностная схема для трансфер-матрицы, второго порядка точности аппроксимации. На основе стратегии дублирования, теоремы о свёртке и быстрого преобразования Фурье представлен алгоритм ускоренного решения уравнения Гельмгольца, асимптотически требующий всего O(Nlog²N) арифметических операций. Проведено численное моделирование задачи рассеяния на примере экспоненциального гладкого слоя, решение которого известно. Численное моделирование подтвердило точность и высокую скорость работы предложенного алгоритма, необходимую в практических приложениях для оптического и акустического зондирования сред в прикладной оптике и акустике.

Рассматривается субволновое рассеяние плоской электромагнитной волны, падающей на решётку параллельных цилиндров по нормали к её плоскости, в квазистатическом приближении, когда длина волны много больше периода решётки. Решение для потенциала электрического поля представлено в виде ряда по собственным функциям оператора Лапласа. Для нахождения коэффициентов ряда используется конформное отображение, при котором граничные условия кардинально упрощаются. Результат решения уравнения Лапласа в рамках метода конформного преобразования сравнивается с расчётом волновой задачи в среде COMSOL^® Multiphysics. Количественное различие между полученными интенсивностями электрического поля составляет менее 1 % при длине волны, в 60 раз превышающей период решётки.

При обработке спутниковых снимков Земли широко используются методы регистрации изображений. При этом решается задача установления соответствия изображений одного и того же ориентира, полученных с разных расстояний и ракурсов, при различных условиях освещения, в разное время года и т. д. Представлен метод оценки потенциальной точности локализации площадных и линейных ориентиров значительных размеров, которые могут считаться плоскими с учётом высоты орбиты, с которой производится съёмка. Точность локализации определяется в зависимости от формы векторного эталонного изображения, его размеров, точности и точности локализации границ наблюдаемого изображения объекта. Показано, что при благоприятных условиях возможно получение субпиксельной точности локализации площадных и линейных объектов значительных размеров.

Рассматривается задача создания системы управления угловыми движениями квадрокоптера, учитывающей переходный процесс тяговых двигателей. Получены уравнения движения для двумерной модели аппарата, установленного на гироскопическом стенде, которые учитывают смещение центра вращения аппарата относительно центра масс и переходный процесс двигателей в виде реакции звена первого порядка. Предложен регулятор на основе метода структурного синтеза, обеспечивающий выход квадрокоптера в заданную ориентацию. Эффективность алгоритма подтверждается результатами HIL-моделирования с учётом шумов и временных задержек реального аппарата.

Подавление, а также различный спуфинг сигналов систем спутниковой навигации наиболее эффективных на сегодняшний день по точности позиционирования подвижных объектов порождают необходимость поиска альтернативных методов навигации, обеспечивающих как точность, так и автономность решения навигационной задачи. Среди таких подходов можно выделить различные методы интеграции инерциальных навигационных систем (НС) с оптическими НС как наиболее точные на длительном интервале движения и наименее затратные. Для объектов, движущихся по произвольным траекториям (при отсутствии карт местности и опорных точек), существующие методы обработки информации, полученной от оптических НС в виде поля скоростей оптического потока, обеспечивают возможность оценки проекций текущей скорости объекта - как линейной, так и угловой. Но применение традиционных методов, во-первых, не позволяет решить навигационную задачу в целом (определить координаты объекта и углы его пространственной ориентации), а во-вторых, приводит к вычислительным затратам, зачастую критичным для бортовых вычислителей. В связи с этим рассмотрен подход, объединяющий возможности инерциальной НС, которая обеспечивает решение задачи автономной навигации в целом, и разработанного оптического наблюдателя параметров движения объекта, позволяющего осуществлять автономную оценку навигационных параметров без предварительного вычисления поля скоростей, т. е. с минимальными вычислительными затратами. Для более полного освещения проблемы рассмотрены случаи жёсткого крепления видеокамеры на объекте, а также её двух- и трёхосной стабилизации. Окончательный синтез алгоритмов стохастической оценки параметров движения объекта, учитывающий неопределённость вероятностных характеристик помех в реальной инерциально-оптической НС, был проведён с учётом возможности последующего применения методов современной теории нелинейной фильтрации. В силу особенностей, возникших при разработке рассмотренной инерциально-оптической НС-коррелированности шумов объекта и наблюдателя, для стохастической оценки вектора навигационных параметров был использован вариант расширенного фильтра Калмана для коррелированных шумов. Результаты численного моделирования предложенного навигационного алгоритма иллюстрируют возможность его эффективного практического применения.

Работа посвящена проблеме дистанционного мониторинга лесных массивов в труднодоступных местах на предмет раннего обнаружения возгораний. Проведён анализ методов и технологий автоматизации данного процесса, в том числе с использованием беспилотных летательных аппаратов и нейросетевых алгоритмов детектирования пламени и дыма на изображениях, получаемых с удалённых камер оперативного мониторинга. Предложено решение по организации беспроводной связи и передачи информации в центры оперативного реагирования на базе прототипа энергоэффективной ad-hoc-сети, которая может быть использована в условиях ограничений, накладываемых рельефом местности, удалённостью и размером территории, и позволяет учитывать погодные условия и различные географические особенности региона, в котором организовывается видеонаблюдение. Приведены результаты тестирования как прототипа всей информационной системы детектирования возгораний, так и пропускной способности ad-hoc-сети, созданной во время выполнения данной работы. Сделаны выводы о перспективах развития предложенного аппаратно-программного комплекса.