Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Получение композиционных материалов с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений и применение многослойных структур на их основе в устройствах хранения и обработки информации

Гребенников Евгений Петрович

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Москва - 2010 г.

Работа выполнена в Отделе нейросетевых технологий Открытого акционерного общества «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» (ОАО «ЦНИТИ «Техномаш»).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Панфилов Юрий Васильевич;

доктор химических наук, старший научный сотрудник Иванов Геннадий Анатольевич;

доктор технических наук, профессор Нестеров Сергей Борисович.

Ведущая организация: ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», г. Москва.

Защита состоится «16» декабря 2010 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.132.03 в ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» (121108 Москва, ул. Ивана Франко, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ЦНИТИ «Техномаш».

Автореферат разослан: 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Сахно Э.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Государственные программы и исследовательские планы частных компаний промышленно развитых стран направлены на создание элементной базы информационных систем путем применения новых фотоуправляемых функциональных материалов, конструктивных принципов, системотехнических решений и технологических методов.

Ожидается, что оптические методы, реализуемые с использованием таких материалов, позволят на порядки повысить производительность, упростить решение проблем параллельной обработки информации и создания трехмерных функциональных структур для нейросетевой обработки информации, трехмерной (3D) оптической памяти и др. Речь идет не столько о радикальном улучшении параметров существующих типов приборов, сколько о создании принципиально новых устройств, способных реализовать рекордные быстродействие и уровень интеграции элементов, создать новые архитектуры высокопроизводительных систем, а также устройства хранения информации большой емкости.

Реализация нейросетевых технологий в микроэлектронике осложнена применением проводников для создания межэлементных соединений, что в случае систем с большим числом нейронов ведет к задержкам в линиях связи и снижению быстродействия нейронных сетей, уменьшению плотности связей между нейронами обратно пропорционально квадрату расстояния. Применение полимерных пленок, содержащих уникальный биомолекулярный фотохром - бактериородопсин (БР) в составе многослойных структур, позволяет осуществлять основные нейросетевые операции оптическим способом, без проводников и промежуточных оптоэлектронных преобразований, и соединять нейроны в трехмерном пространстве, что обеспечивает высокую интеграцию элементов, скорость преобразования и передачи информации.

Светочувствительный белок БР характеризуется упорядоченным расположением молекул, будучи встроенным в полимерные пленки толщиной от 5 нм (монослой) до десятков мкм, сохраняет свои свойства в течение длительного времени (>15 лет). БР-содержащие полимерные пленки ведут себя как фотохромные материалы и характеризуются рекордной цикличностью (>10⁶) и высоким оптическим разрешением (?5000 лин/мм). Многослойные структуры, включающие слои на основе БР, перспективны для создания компонентов информационных систем, используемых в качестве пространственно-временных модуляторов света, в устройствах для записи динамических голограмм, хранения и отображения, нейросетевой обработки информации.

Одной из значительных проблем является создание оптической памяти, обеспечивающей увеличение быстродействия и информационной емкости. В применяемых носителях (CD, DVD, BluRay дисках) запись-стирание информации осуществляются за счет изменения локальных оптических свойств среды при фазовом переходе вещества в результате локального нагрева. Очевидно, что построение действительно трехмерного многослойного оптического диска на тепловом фазовом переходе невозможно из-за поглощения оптического излучения в вышележащих слоях.

Решением данной проблемы является использование иных физических принципов, в частности, обусловленных фотоиндуцированным изменением (обратимым и необратимым) оптических свойств (преломления, спектров поглощения, пропускания, флуоресценции) ряда соединений под воздействием света с определенной длиной волны. При этом могут быть реализованы двухфотонные механизмы записи и считывания. В этом случае изменение оптических свойств материала происходит только при достижении определенной пороговой плотности мощности излучения, при меньших плотностях свет проходит через фоточувствительный материал без изменения его свойств. Таким образом, обеспечивается возможность многократного увеличения количества функциональных слоев и информационной емкости устройств оптической памяти.

В ходе решения задачи совершенствования функциональных композиционных материалов, пригодных для применения в информационных устройствах, рассмотрены проблемы синтеза гибридных наноструктур и системотехнического применения свойственных им физических процессов. Исследовались возможности управления усилением или подавлением люминесценции флуорофорных соединений, квантовым выходом фотореакции и временем жизни спектральных интермедиатов БР в зависимости от расстояния между функциональной молекулой и нанообъектом.

Исследования нелинейных оптических эффектов в наноматериалах и явлений поверхностно-плазмонного резонанса в коллоидных металлических наночастицах ведут Институт Общей Физики РАН, Центр фотохимии РАН, Физический Институт РАН, Институт Спектроскопии РАН, Институт Проблем Физической химии РАН, Институт Химической Физики РАН, МГУ им. М.В.Ломоносова и др. Разработку 3D оптической памяти ведут крупнейшие зарубежные фирмы, например, Call/Recall Corporation (USA), Japan Science and Technology Corporation (Japan) и др. Для записи информации используются фотохромные, а также необратимые фотопревращения органических систем, сопровождающиеся изменением поглощения, отражательной способности, флуоресценции, показателя преломления. Однако, несмотря на интенсивную разработку, фоточувствительные регистрирующие среды для трехмерной оптической памяти, в полной мере удовлетворяющие условиям применения, до сих пор не созданы.

Исследованиям в области разработки нейросетевых технологий посвящены работы Я.З. Цыпкина, А.И. Галушкина, Н.Н. Евтихиева, А.Н. Бубенникова и др., а исследованию БР-содержащих сред и их техническому применению - Ю.А. Овчинникова, В.П. Скулачева, Н.Н. Всеволодова, Н. Хампа, Р.Р. Берча. В указанных работах, по понятным причинам, не представлены материалы, методы получения и технические решения по построению в одном конструктиве планарных оптических волноводных многослойных структур со встроенными элементами интегральной оптики, включающих слои на основе БР или синтетических органических фотохромов, или слои, содержащие хромоны и флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромонов, или слои, содержащие гибридные наноструктуры с использованием полупроводниковых и металлических наночастиц. Не рассмотрены вопросы применения таких конструкций для создания 3D многослойных оптических носителей информации, нейросетевых технологий и др. компонентов информационных систем, а также возможность отхода от традиционных технологий интегральной оптики, связанных с условиями вакуума и высоких температур.

Таким образом, исследования в области разработки технологий и оборудования для получения композиционных материалов с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений и применение многослойных структур на их основе в устройствах хранения и обработки информации актуальны и соответствуют передовым направлениям развития материалов и элементной базы приборов электронной техники нового поколения.

Цель работы.

Целью настоящей работы являлась разработка технологий и оборудования для получения функциональных композиционных материалов и пленок, включающих в различном сочетании биомолекулярные (бактериородопсин) и синтетические органические фотохромные и светоизлучающие соединения, полупроводниковые и металлические наночастицы, а также получение многослойных структур на этой основе, направленных на создание новых архитектур высокопроизводительных систем обработки информации, реализующих на базе оптических механизмов процессы хранения, считывания и обработки данных с высокой степенью интеграции и параллелизма.

При достижении поставленной цели решались следующие основные задачи:

- выбор основанных на оптических механизмах базовых процессов для многослойных устройств нейросетевой обработки информации, а также базовых процессов записи, считывания и хранения данных, применимых для создания 3D многослойных оптических носителей информации; разработка способа построения формального нейрона на основе выбранного базового процесса;

- разработка конструктивных принципов формирования многослойных структур для 3D оптических носителей информации, реализующих базовые процессы записи, хранения, считывания данных, обеспечивающих обращение к произвольно заданной точке или области произвольно выбранного слоя регистрирующей среды и параллельный режим считывания;

- разработка конструктивных принципов формирования многослойных структур, обеспечивающих реализацию базовых процессов оптической нейросетевой обработки информации, содержащих слои на основе БР, светоотражающие и волноводные слои, а также встроенные полимерные компоненты интегральной оптики для ввода оптического излучения в многослойную структуру;

- разработка математической модели изменения физико-химических характеристик материалов на основе БР, хромонов и светоизлучающих соединений - продуктов фотоперегруппировки хромонов в зависимости от параметров воздействующего светового потока; введение комплексного параметра k₅₇₀(t), характеризующего чувствительность материалов на основе БР; разработка и создание экспериментальных методик и установки для определения k₅₇₀(t);

- разработка компонентного состава и технологических методов получения функциональных композитных материалов и полимерных пленок с заданными геометрическими характеристиками, оптической плотностью и динамическими параметрами фотоиндуцированных процессов на основе синтетических органических фотохромов или хромонов и флуоресцирующих продуктов фотоперегруппировки хромонов для 3D оптических носителей информации;

- разработка технологии получения прозрачных, оптически однородных суспензий БР и БР-содержащих пленок с заданными геометрическими характеристиками, оптической плотностью и динамическими параметрами фотоиндуцированных процессов; подбор и введение модифицирующих химических (неорганических и органических) соединений, способствующих формированию слоев с повышенными стабильностью и чувствительностью;

- разработка технологии получения гибридных наноструктур и пленок с управляемыми спектральными характеристиками на основе использования БР, синтетических органических фотохромных и светоизлучающих соединений и наночастиц на основе механизмов специфического связывания и самоорганизации, обеспечиваемых подбором сшивающих молекул-спейсеров с различными линейными размерами и соответствующими функциональными группами, а также фоточувствительных молекул-спейсеров с фотоиндуцированным изменением взаимного положения функциональных групп;

- исследование взаимосвязи параметров процесса получения, особенностей строения, состава, физических и функциональных свойств композиционных материалов и пленок на основе БР, синтетических органических фотохромов или хромонов и флуоресцирующих продуктов фотоперегруппировки хромонов, гибридных структур с использованием металлических и полупроводниковых наночастиц;

- разработка технологии и оборудования, и изготовление на этой основе многослойных структур с использованием композиционных материалов, включающих в различном сочетании биомолекулярные (БР) и синтетические органические фотохромы, или хромоны и флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромонов, гибридные структуры на основе металлических и полупроводниковых наночастиц для формирования устройств нейросетевой обработки информации, 3D многослойных оптических носителей информации и других компонентов информационных систем;

- разработка и создание экспериментальных методик и установок, и исследование на этой основе многослойных структур в составе макетов устройств нейросетевой обработки информации, 3D многослойных оптических носителей информации и других информационных систем.

Научная новизна.

1. Предложен способ построения формальных нейронов и осуществления нейросетевых операций в БР-содержащих средах оптическими методами. Предложены конструктивно-технологические решения по созданию многослойных структур для 3D оптических носителей информации, реализующих двухфотонные процессы записи данных и фотофлуоресцентное считывание, обеспечивающее обращение к произвольно заданной точке или области произвольно выбранного слоя регистрирующей среды и параллельный режим считывания.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность формирования оптически прозрачных БР-содержащих полимерных пленок с высокой концентрацией БР и включением модифицирующих соединений, позволяющих увеличить чувствительность пленок БР в 1,5-2 раза, а стабильность в 8-10 раз.

3. Впервые предложены и экспериментально подтверждены методы получения гибридных наноструктур и пленок с управляемыми спектральными характеристиками на основе использования БР, синтетических органических фотохромных и светоизлучающих соединений и наночастиц на основе механизмов специфического связывания и самоорганизации, обеспечиваемых подбором сшивающих молекул-спейсеров с различными линейными размерами и соответствующими функциональными группами, а также фоточувствительных молекул-спейсеров с фотоиндуцированным изменением взаимного положения функциональных групп.

4. Исследованы состав, строение и функциональные характеристики пленок БР с введением модифицирующих химических соединений, пленок на основе композиционных материалов и гибридных наноструктур в зависимости от параметров технологического процесса. Проведены теоретические и экспериментальные оценки ресурса пленок в составе многослойных структур при различных условиях эксплуатации. Впервые установлена зависимость между изменением строения и функциональными характеристиками пленок БР в процессе эксплуатации.

5. Предложены методы изготовления и экспериментально подтверждена возможность получения и применения многослойных структур на основе композиционных материалов, включающих в различном сочетании биомолекулярные (БР) и синтетические органические фотохромные и светоизлучающие соединения, полупроводниковые и металлические наночастицы, а также волноводные, светоотражающие слои и полимерные элементы интегральной оптики для 3D оптических носителей информации, нейросетевых технологий и других компонентов информационных систем.

6. Сконструировано и изготовлено специальное технологическое оборудование для осаждения методами электронно-лучевого испарения и магнетронного распыления пленок различных материалов на многофункциональные слоистые структуры, содержащие БР, без нарушения функциональных свойств БР. Впервые разработаны технологии и оборудование для получения многофункциональных слоистых структур, включающих ориентированные слои БР и проводящие полимерные материалы, методами электрофоретического осаждения и электрополимеризации в едином технологическом цикле.

7. Разработаны математические модели фотоиндуцированного изменения физико-химических характеристик материалов на основе БР, хромонов и светоизлучающих соединений - продуктов фотоперегруппировки хромонов - в зависимости от параметров воздействующего светового потока; введены комплексные параметры, характеризующие чувствительность материалов и обеспечивающие выбор оптимальных композиционных составов; созданы экспериментальные методики и установки для макетирования и отработки конструктивно-технологических решений.

На защиту выносятся.

1. Конструкторские и технологические решения по получению на основе композиционных материалов многослойных структур со встроенными элементами интегральной оптики, включающих слои на основе БР или синтетических органических фотохромов, или слои, содержащие хромоны и флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромонов, или слои, содержащие гибридные наноструктуры с использованием полупроводниковых и металлических наночастиц, а также волноводные и светоотражающие слои для 3D оптических носителей информации, нейросетевых технологий и других компонентов информационных систем.

2. Результаты экспериментальных исследований по формированию гибридных наноструктур с использованием БР, синтетических органических фотохромных и светоизлучающих соединений и наночастиц, а также результаты экспериментов по исследованию композиционных материалов на этой основе.

3. Математические модели фотоиндуцированного изменения физико-химических характеристик материалов в зависимости от параметров воздействующего светового потока, экспериментальные методики и установки для определения комплексных параметров, характеризующих чувствительность материалов и обеспечивающих выбор оптимальных композиционных составов на основе БР, хромонов и светоизлучающих соединений _ продуктов фотоперегруппировки хромонов.

4. Результаты исследования влияния параметров процесса получения, особенностей строения и состава на функциональные свойства пленок и композиционных материалов на основе БР, синтетических органических фотохромов, хромонов и продуктов их фотоперегруппировки, гибридных наноструктур с использованием полупроводниковых и металлических наночастиц. Теоретические и экспериментальные оценки ресурса пленок в составе многослойных структур при различных условиях эксплуатации. Результаты исследования зависимости между изменением строения и функциональными характеристиками пленок БР в процессе их эксплуатации.

5. Сконструированное и изготовленное специальное технологическое оборудование для осаждения методами электронно-лучевого испарения и магнетронного распыления пленок различных материалов на многофункциональные слоистые структуры, содержащие БР, без нарушения его функциональных свойств.

6. Результаты экспериментальных исследований по определению функциональных параметров многослойных структур на базе разработанных специализированных установок для макетирования устройств хранения и обработки информации.

Практическая ценность.

Представленные в диссертации исследования выполнены в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» по госбюджетным темам: Научное мероприятие «Первоочередные работы в области нанотехнологий, наноматериалов, наноиндустрии»; НИР «ОПК-003-Техномаш» «Анализ состояния и развития перспективных и прорывных технологий и прогноз развития науки и техники на период до 2015 года (в т.ч.: экспериментально обоснованы конструктивные принципы и технологические методы создания композитных наноматериалов с управляемыми спектральными характеристиками, разработаны принципы нейросетевой обработки информации с использованием БР)»; ОКР «Олимп» «Разработка и создание устройства технического зрения и интеллектуального управления автоматом поверхностного монтажа электро-радиоэлементов на печатные платы»; ОКР «ИнтТех» «Исследования по созданию ключевых компонентов перспективных интеллектуальных средств управления оборудованием на основе межотраслевых технологий двойного применения»; ОКР «Схема» «Создание системы управления автоматом поверхностного монтажа как основы роботизированных производств»; НИР «2007-3-1.3-07-01-092» «Создание наноструктурированных материалов молекулярной фотоники и слоистых структур на их основе для оптической нейросетевой обработки информации», НИР «Структура» «Создание базовых технологий получения многослойных структур на основе бактериородопсина, синтетических органических фотопреобразующих, фотохромных и светоизлучающих соединений, материалов с запрещенной фотонной зоной»; ОКР «Структура-ПР» «Разработка на основе органических фотопреобразующих соединений и фотонно - кристаллических материалов многослойных функциональных сред и технологий их производства для устройств оптической памяти, органических светодиодов и компонентов оптических информационных систем» и др. Кроме того, работа проводилась в соответствии с договорами о научно-техническом сотрудничестве с МИФИ по теме «Разработка научных основ технологии органических нанопорошков (бактериородопсина)», с НПО «Энергомаш» им. ак. В.П.Глушко по теме «Разработка и изготовление элементной базы био-, нейрокомпьютеров, реализующей оптические методы обработки информации», с ФГУП НИИЭМ, г. Владикавказ по теме «Разработка самоадгезионных полимерных композиций с низкой температурой отверждения для послойной бескорпусной герметизации биологических нейроподобных элементов на основе бактериородопсина» (руководитель и ответственный исполнитель перечисленных НИОКР и договоров - Е.П. Гребенников).

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по нанотехнологии (Москва. 1993); Всероссийской научно-практической конференции «Новые высокие технологии и проблемы реконструкции управления и приватизации предприятий» (Екатеринбург, 1995); Конференции Международной академии информатизации (Москва, 1995); V-VII Всесоюзных конференциях «Нейрокомпьютеры и их применение». (Москва, 1999-2001); V-XII, XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 1999-2006, 2009, 2010); Х Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Ярославль, 1999); Научной конференции «Механизмы структурной, функциональной и нейрохимической пластичности мозга» (Москва, 1999); XLIX научно-технической конференции (Москва, 2000); International conference «Optical Information Science Technology '97» (Москва, 1997); II-IV Всероссийских научных конференциях «Молекулярная физика неравновесных систем» (Иваново, 1999-2001); ХХХ Всероссийском совещании по проблемам высшей нервной деятельности (С._Петербург, 2000); ХI научно-технической конференции «Тонкие пленки в электронике» (Йошкар-Ола, 2000); ХVIII съезде физиологического общества им. И.П. Павлова РАМН (Казань, 2001); Международной научной конференции «Кристаллизация в наносистемах» (Иваново, 2002); 6 Международной научной конференции «Молекулярная биология, химия и физика неравновесных систем в неравновесных системах» (Иваново-Плес, 2002); XIV, XVI Международных симпозиумах «Тонкие пленки в оптики и электронике» (Харьков, 2002; Москва, 2004); International conference «Biocatalysis_2002: fundamentals & applications» (Москва, 2002); 1 Международном конгрессе МИТХТ им. М.В. Ломоносова «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, 2002); 1, 2 Межрегиональных семинарах «Нанотехнологии и фотонные кристаллы» (Йошкар-Ола, 2003; Москва, 2004); International conference «Photonics Europe» (Страсбург, Франция, 2004); Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2004); Ганноверской промышленной ярмарке (Ганновер, Германия, 2005, 2006); International Conference «Organic Nanophotonics». Simposium «Molecular Photonics» dedicated to A.N.Terenin (С._Петербург, 2006, 2009); Международной семинар-ярмарке «Российские технологии для индустрии: Нанотехнологии и оптоэлектроника в биологии, медицине и экологии» (С._Петербург, 2006); Симпозиуме РАН «Нанофотоника» (г. Черноголовка, 2007); XXII IUPAC Symposium on photochemistry (Гётеборг, Швеция., 2008); Конференции VII Международного форума «Высокие технологии ХХI век» (Москва, 2008); The International Conference For Nanotechnology Industries, the Leading Nanotechnology of 21st Century (Рийярд, Саудовская Аравия, 2009); XXIV International Conference on Photochemistry (Толедо, Испания, 2009); 4^th and 5^th International Conference on surfaces, coatings, and nanostructured materials (Рим, Италия, 2009; Реймс, Франция, 2010); ICOOPMA 2010 _ Fourth International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (Будапешт, Венгрия, 2010), XXIV-th European colloquium on heterocyclic chemistry (Вена, Австрия, 2010).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 статьях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 12 журналах, входящих в перечень ВАК (подчеркнуты в списке основных публикаций), в 8 патентах на изобретение и 2 патентах на полезную модель, а также в 61 материале всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 337 наименований и приложений. Приложения включают 9 актов использования и внедрения результатов работы. Работа содержит 362 страницы основного текста, включающих 26 таблиц и 243 рисунка.

Личный вклад автора.

В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором в течение более 20 лет лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку основных конструктивных решений и методик исследований, проведение теоретических расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов.

Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с Г.Е. Адамовым, В.А. Барачевским, А.Ф. Беляниным, И.С. Голдобиным, А.Г. Девятковым, М.М. Краюшкиным, которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество. Автор выражает также благодарность сотрудникам и аспирантам, работающим под его руководством в ОАО «ЦНИТИ «Техномаш».

оптический пленка нейросетевой бактериородопсин

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность разработок технологий и оборудования для создания новых композиционных материалов и многослойных функциональных структур с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений, направленных на формирование элементной базы высокопроизводительных систем хранения, считывания и обработки данных; формулируются цель работы и задачи, решаемые для достижения поставленной цели; перечислены основные научные результаты, выносимые на защиту; показаны научная новизна исследования и его практическая ценность.

В первой главе рассмотрены материалы и устройства оптической памяти, нейросетевой обработки информации на основе: микро- и оптоэлектронной элементной базы, оптические нейрокомпьютеры и конструктивно-технологические решения в области биомолекулярной и гибридной электроники, приборы на основе: молекулярных сред, включая слоистые структуры для информационных систем, в том числе, реализующих голографические принципы хранения данных; функциональных сред с использованием бистабильных молекул, имитирующих работу полупроводникового транзистора; сред на основе явления электронно-структурной неустойчивости проводящих молекулярных комплексов.

Обоснована актуальность разработки композиционных материалов и многослойных структур, реализующих процессы записи, хранения, считывания и обработки информации на основе фотоиндуцированных управляемых изменений оптического пропускания, преломления, флуоресценции. Представлены схема этапов работы для достижения поставленной цели и последовательность их выполнения.

Рассмотрены физические, химические и технологические свойства БР, основные БР-содержащие среды (суспензии, гели, твердые слои и другие) и способы их формирования (метод Ленгмюра-Блоджет, центрифугирование, полив, электрофоретическое осаждение). Анализ рассмотренных БР-содержащих сред и способов их формирования показал, что наиболее технологичными при получении твердых слоев, отвечающих требованиям стабильности, долговечности, управляемости оптическими и динамическими характеристиками, являются методы центрифугирования и полива, дающие возможность формирования пленок на основе полимерных матриц. Для различных водорастворимых полимеров (поливиниловый спирт, полиакриламид, желатина и другие) рассмотрены совместимость с БР и другими фазами (соли различных металлов, наночастицы), а также возможность воздействовать на оптические параметры БР-содержащих полимерных пленок.

Представлены конструкции для компонентов информационных систем. Приведены примеры использования БР в многослойных структурах и в голографических элементах для устройств обработки, записи, хранения и считывания информации, коммутационных устройств, а также информационно-измерительных приборов для диагностики технологических процессов изготовления материалов электроники. Показаны функциональные преимущества и перспективность применения БР в приборах электронной техники. На основе результатов аналитического обзора обосновываются: оптимальность многослойной структуры, включающей слои на основе БР, волноводные и светоотражающие слои, для изготовления компонентов информационных систем и нейросетевых технологий; целесообразность использования желатины в качестве полимерной матрицы для БР.

Рассмотрены физические, химические и технологические свойства сред на основе органических соединений, испытывающих необратимые и фотохромные превращения под действием лазерного излучения и обеспечивающих запись и недеструктивное считывание оптической информации флуоресцентным и фоторефрактивным методами. Предложены базовые процессы, реализуемые в функциональных средах на основе фотохромов (БР), хромонов и светоизлучающих соединений - продуктов фотоперегруппировки хромонов, перспективные для построения устройств нейросетевой обработки информации, 3D многослойных носителей данных и других компонентов информационных систем.

Базовый процесс в фотохромных БР-содержащих средах. Нейросетевая обработка информации на основе выбранного базового процесса. Базовый процесс в БР связан с изменением концентрации поглощающих центров БР (максимум поглощения на = 570 нм (БР570)) в результате их взаимодействия с квантами света и переходом БР570 в форму М412 (максимум поглощения на = 412 нм). Этот базовый процесс может быть использован (рис. 1) для создания формальных нейронов и выполнения основных нейросетевых операций в среде БР: взвешивание вектора входных сигналов в соответствии с матрицей весовых коэффициентов синаптических связей, сложение взвешенных значений входных сигналов, формирование выходного сигнала в соответствии с активационной функцией.

Рис. 1. Устройство нейронной сети на основе базового процесса: 1, 6 _ плоские волноводы, включающие дифракционные решетки ввода и вывода излучения; 2, 4, 7 _ БР-содержащие слои (фотоприемный, слой весовых коэффициентов и слой нейронов); 3, 5 _ цилиндрические линзы.

Рис. 2. Пропускание (Р_вых/Р_вх) БР-содержащего слоя в зависимости от плотности мощности (Р_вх) воздействующего излучения.

Световой поток (входной вектор), воздействует на БР-содержащий слой 2 и создает в нем фотоиндуцированное распределение измененного показателя поглощения. Волновод 1 формирует световой фронт, который модулируется по интенсивности в соответствии с распределением показателя поглощения БР-слоя 2 и, посредством линзы 3, распределяется на поверхности БР-слоя 4 (слоя весовых коэффициентов, в данном случае, коэффициентов пропускания соответствующих участков БР-слоя). Взвешенные компоненты входного вектора формируются линзой 5 в световой поток, поступающий на входы нейронов БР-слоя 7. Функция сложения входных сигналов осуществляется как результат совместного воздействия на один и тот же участок слоя 7 световой энергии соответствующих взвешенных компонент входного вектора и изменения пропускания этого участка согласно зависимости нелинейной активационной функции нейрона от суммы взвешенных входов (рис. 2). Формирование выходного сигнала нейрона осуществляется активирующим световым фронтом, создаваемым в волноводе 6. Значение выходного сигнала определится как доля энергии активирующего фронта, прошедшая через соответствующий участок БР-слоя 7. Выходные сигналы нейронов БР-слоя 7 образуют непрерывный световой фронт. Обучение системы, заключающееся в формировании весовых коэффициентов (коэффициентов пропускания БР-слоя 4), может быть достигнуто оптически - методом обратного распространения. Для практического исполнения устройств на основе базового процесса предложены многослойные структуры, включающие БР-содержащие полимерные слои.

Требования к параметрам БР-содержащих полимерных пленок по формированию и взаимодействию нейронов определены методом программно-математического моделирования.

БР-содержащие полимерные пленки предназначены для формирования нейронов путем изменения поглощения этих пленок воздействием на них модулированных световых потоков. Разработанная программно-математическая модель позволяет реконструировать изменения распределения показателя поглощения пленок на основе БР и модуляции интенсивности световых фронтов (при многократном последовательном или совместном прохождении световых фронтов через БР-содержащие среды) для пленок, полученных из суспензий, пленок, полученных методом Ленгмюра-Блоджетт (моно- и многослойных), а также полимерных БР-содержащих пленок. В модели использовано упрощенное балансное уравнение для скорости изменения концентрации молекул в форме БР570 (С_БР570) и форме М412 (С_М412):

dС_М412/dt = d_БР570 (l)A₁М_вх(t)С_БР570 - d_М412(l)A₂М_вх(t)С_М412 - (1/t)С_М412,

где d_БР570 и d_М412 - сечения взаимодействия молекул БР570 и М412 на длине волны, соответствующей импульсу света; А₁, А₂ - квантовые выходы переходов

БР570 ® М412 и М412 ® БР570;

М_вх - плотность потока фотонов; t - время жизни М412. Предполагается, что

С_БР570 + С_М412 = С -

общая концентрация молекул БР, принимающих участие в фотоцикле.

В модели использовались значения сечения взаимодействия: излучение при l = 570 нм для БР570 - 2,322Ч10^-2 нм²; излучение при l = 412 нм для БР570 - 1,617Ч10^_2 нм², для М412 - 0,291Ч10^_2 нм²; излучение при l = 630 нм для БР570 - 0,442Ч10^-2 нм². Квантовые выходы переходов

БР570 ® М412 и М412 ® БР570 п

риняты равными 0,3. В результате моделирования и программно-математических компьютерных исследований определены требования к БР-содержащим полимерным пленкам. Оптическая плотность пленок должна лежать в пределах 0,8-1,3 при толщине БР-содержащих полимерных пленок 6-14 мкм. В этом случае изменение поглощения-пропускания составляет 10-50% от первоначального значения при воздействии световых потоков с плотностью мощности (Р) 1-100 мВт/см² на л = 630 нм и длительностью 0,1-10 с.

Базовые процессы записи и считывания данных в средах на основе синтетических хромонов и светоизлучающих соединений -- продуктов фотоперегруппировки хромонов для 3D многослойных оптических носителей информации. Базовые процессы предлагается реализовать в функциональных материалах, выполненных в виде многослойной волноводной структуры, с чередующимися полимерными и фоточувствительными слоями (рис. 3). В состав центрального волноводного слоя входит соединение класса хромонов, которое в исходном состоянии (форма А) не поглощает в видимой области спектра и поглощает в УФ диапазоне (<350 нм). Воздействие на длине волны в этой области необратимо переводит молекулу хромона в люминесцирующую форму с l_мах = 520 нм с поглощением на l_мах = 440 нм.

Рис. 3. Схематическое изображение базовых процессов записи и считывания информации. 1 _ граничные слои планарных волноводов; 2 - хромон-содержащие слои; 3 - световые потоки записывающего излучения; 4 - области записи в однофотонном режиме; 5 - область записи в двухфотонном режиме.

Базовый процесс записи, пригодный для 3D многослойного оптического носителя информации, основан на явлении двухфотонного поглощения, которое реализуется при достижении достаточного значения плотности мощности (Р) излучения (измеренное пороговое значение для применяемых материалов на l = 680 нм составляет ?3Ч10⁸ Вт/см²), при этом осуществляется одновременное поглощение сразу двух одинаковых квантов света через виртуальный уровень, что соответствует удвоенной энергии кванта и l = 340 нм. Запись реализуется с использованием острой фокусировки излучения и позволяет обеспечить локальные необратимые фотоиндуцированные превращения светочувствительных соединений в заданной точке без изменения состояния в других областях (рис. 3). Во избежание перегрева используется импульсный лазер. Процесс считывания данных в многослойной структуре может быть реализован как последовательно на основе двухфотонного возбуждения флуоресценции отдельных записанных битов, так и параллельно на основе однофотонного возбуждения флуоресценции множества записанных битов в заданной области заданного слоя (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение процесса параллельного считывания в многослойных волноводных структурах. 1 - граничные слои волновода; 2 - хромон-содержащие слои; 3 - записанные биты информации.

Требования к композиционному материалу центрального слоя волновода. Предложенные базовые процессы и физико-математическое моделирование определили комплекс требований к функциональным и технологическим характеристикам материалов многослойной структуры для 3D многослойных носителей данных. Область чувствительности к записывающему излучению, обеспечивающему фотоиндуцированный перевод молекул хромона во флуоресцирующую форму, должна лежать в пределах 330-360 нм. В этом случае излучение ? ?360 нм, применяемое в ходе технологического процесса отверждения полимера в присутствии соответствующего фотоинициатора, не вызывает несанкционированных фотоиндуцированных необратимых переходов. Коротковолновая граница определяется зоной поглощения (l 330 нм) материала матрицы центрального слоя планарного волновода. Область чувствительности к считывающему излучению возбуждающему флуоресценцию продуктов фотоперегруппировки хромонов, должна лежать в пределах 420-460 нм, область флуоресценции - 500-560 нм. Полимерная матрица для центрального слоя волновода должна обеспечивать получение оптически однородных полимерных пленок толщиной 1-3 мкм с массовым процентным содержанием (%, масс) хромона ?5 и n ?1,49 при оптической плотности на = 442 нм (после перевода хромона в люминесцирующую форму) в пределах 0,01-0,02.

Во второй главе рассмотрены конструктивные принципы создания многослойных структур на основе композитных материалов для компонентов информационных систем, в том числе 3D оптических носителей информации и оптической нейросетевой обработки информации. Предложенные многослойные конструкции, несмотря на различное назначение, обладают сходным набором элементов интегральной оптики (планарные волноводы, встроенные дифракционные решетки), конструктивные характеристики которых рассчитаны по единым методикам. Проведена оценка зависимых от коэффициента преломления параметров волновода (толщина) и дифракционной решетки (период и глубина).

Допустимые толщины волновода h в зависимости от значений n^* (n^* - эффективный показатель преломления) определялись из решения волноводного дисперсионного уравнения:

,

где k = 2p/l - проекция волнового вектора на ось, совпадающую с направлением распространения света в волноводе; p = 3,14; n₁, n₂ - показатели преломления граничных слоев и n₀ - показатель преломления центрального слоя волновода; m = 1, 2, ... - модовое число волновода. Предельное (критическое) значение толщины h_кр для условия одномодового волновода вычислялось по формуле:

...

С целью обеспечения контролируемого локального и направленного вывода световой энергии из планарного волновода выполнена оценка распределения интенсивности излучения вдоль дифракционной решетки.

Разработка многослойных структур на основе БР-содержащих сред для формирования устройств нейросетевой обработки информации. Многослойные структуры (рис. 5) включают в себя систему плоских одномодовых волноводов, БР-содержащие полимерные слои, элементы ввода оптического излучения в виде дифракционных решеток, устройство формирования поверхностного светового фронта, модуляторы интенсивности поверхностного светового фронта.

Рис. 5. Фрагмент многослойной структуры: 1 - подложка; 2, 10 - слои, содержащие БР; 3, 5 - граничные слои волновода; 4 - направляющий слой волновода; 6 - зона ввода излучения; 7 - адгезионный слой; 8 - вводимое и 9 - выводимое излучение; 11, 12 - дифракционные решетки вывода и ввода излучения; L - длина дифракционной решетки.

Устройство формирования поверхностного светового фронта (рис. 6) представляет собой одномодовый волновод с дифракционными решетками ввода и вывода излучения и предназначено для распределения световой энергии в БР-содержащих полимерных пленках с целью инициирования процессов параллельного формирования и взаимодействия нейронов. Варьируя период, глубину, длину дифракционных решеток, можно контролировать распределение интенсивности излучения вдоль выводимого в БР-содержащую среду поверхностного светового фронта, а также угол вывода излучения, активируя при этом соответствующие группы нейронов. Значения периодов дифракционной решетки для разных углов ввода-вывода излучения q получены по формуле:

sinq_1,2 = (n^* - N)/n_1,2,

где n^* - эффективный показатель преломления волновода; N = l/L - отношение длины световой волны (l) в вакууме к периоду решетки L; n_1,2 - показатели преломления нижнего и верхнего слоев волновода, соответственно.

Модулятор интенсивности поверхностного светового фронта (рис. 7), включающий светоотражающие слои, осуществляет преобразование поверхностного светового фронта для установления начальных состояний параметров нейронов в БР-содержащих полимерных пленках и поддержания локальных обратных связей. Создаваемые модулятором световые потоки проходят через дифракционные решетки других слоев, что позволяет уменьшить расстояние между волноводными слоями до 10 мкм. Расчеты показывают, что в пределах углов, под которыми излучение проходит через дифракционную решетку (q = 2-60), отражением от дифракционных решеток можно пренебречь (0,2%), если эти углы на 1отличаются от резонансных.

Рис. 6. Устройство формирования поверхностного светового фронта: И1, И2 - углы вывода излучения; Л - период дифракционной решетки; n0, n1, n2 - показатели преломления слоев.

Рис. 7. Модуляторы интенсивности поверхностного светового фронта: л - длина волны излучения; I₀ - интенсивность излучения.

Проведена оценка перераспределения световой энергии, обусловленного дифракционной расходимостью, для определения расстояний, на которых возможно осуществление взаимодействия между БР-содержащими полимерными слоями без значительного искажения картины распределения интенсивности вдоль светового фронта. Дифракционной расходимостью можно пренебречь на расстояниях 25 мкм, если размер зеркал 2 мкм и они отстоят друг от друга на 2 мкм.

Разработка многослойных структур на основе синтетических органических фотохромных и люминесцирующих соединений для 3D многослойных оптических носителей информации. Рассмотрены многослойные структуры в виде системы планарных волноводов в двух вариантах исполнения: на прямоугольной подложке и на подложке, соответствующей стандартному оптическому диску. Для обеспечения возможности обращения к произвольно выбранной области любого функционального слоя и ввода с этой целью излучения, возбуждающего флуоресценцию, на всей поверхности, разделяющей граничный и центральный слои каждого планарного волновода, размещены синусоидальные дифракционные решетки, каждая со своим индивидуальным периодом (Л = 0,40-0,65 мкм). Выбор слоя определяется шагом дифракционной решетки и соответствующим углом ввода излучения.

Конструктив для многослойных структур, выполненных на подложке в форме диска, накладывает дополнительные ограничения на условия эффективного ввода излучения с использованием дифракционных решеток в виде системы концентрических окружностей с убывающим по направлению к центру радиусом и постоянным шагом. Кривой участок решетки (рис. 8) будет вести себя подобно прямому, если фазовые сдвиги будут невелики ( << ). Оценка поперечного размера соответствующей области ввода для = 0,1 и = 0,5 мкм дает значение L = 140 мкм при R = 50 мм и L = 60 мкм при R = 10 мм.

Рис. 8. Фрагмент радиального штриха дифракционной решетки. - отклонение от линейности, - угол, определяющий поперечный размер области эффективного ввода L вдоль штриха решетки.

В третьей главе рассмотрены разработка составов и технологических методов получения композитных материалов и отдельных функциональных слоев на их основе, пригодных для формирования компонентов информационных систем, в том числе 3D оптических носителей информации и 3D структур оптической нейросетевой обработки информации.

Подготовка суспензий БР включает предварительную очистку центрифугированием и ультразвуковую обработку (30-40 мин, температура Ј36^оС). Повышение однородности размеров достигалось дополнительным центрифугированием (ультрацентрифуга Jouan KR-25i, 12000 об/мин, время 10 мин, температура 10^оC), разделением полученных фракций и их последующей гомогенизацией при помощи УЗ-воздействия (установка Реут-001, частота 33 кГц, акустическая мощность 52,5 Вт, время 15 мин, температура 3-10^оС). Исследования показали, что при рН <4,1 молекулы БР агрегируют, и оптическая прозрачность суспензий не достигается. Установлено, что ультразвуковое воздействие ведет к повышению рН суспензии на 0,2-0,4. Параметром рН управляли введением буферного 0,01 M раствора N₂B₄O₇·10H₂O с рН = 9,18. Получены оптически прозрачные суспензии с концентрацией БР до 15 мг/мл.

Размер частиц, влияющий на рассеяние в суспензиях, оценен с помощью измерения доли рассеянного HeNe_лазерного излучения при прохождении через кювету с суспензией с концентрацией БР 5,8·10^_5 М. Концентрация БР рассчитывалась по результатам измерения оптической плотности (спектрофотометр СФ-10) и значению коэффициента экстинкции БР 63000 л/моль·см на = 570 нм.

Диэлектрическая проницаемость БР ?40±3, необходимая для расчета размера частиц, определялась сравнением рассеяния излучения в водной суспензии БР и в суспензии БР на основе смеси воды и глицерина. Рассчитанное по формуле Рэлея характерное значение диаметра частиц лежит в пределах 6,7-6,8 нм (в исходной суспензии 500-1000 нм). Учет несферичности рассеивающих частиц приводит к значению наибольшего их размера 8,7±0,5 нм, которое соответствует минимальному комплексу белков БР. Таким образом, применяемые условия обработки суспензий не разрушают белок БР и обеспечивают оптическое разрешение полученной БР-содержащей среды >5000 лин./мм.

Получение пленок БР. Пленки БР осаждали из суспензий методом электрофоретического осаждения (ЭФО) с использованием специально сконструированной электрохимической ячейки, в которой катодное и анодное пространства разделены катионообменной мембраной. В качестве электродов применялись стеклянная подложка со слоем InSnO_x и пластина из Pt (Ni). В экспериментах была использована суспензия, содержащая БР штамма ЕТ1001 и анилин (С₆Н₅NH₂), при полимеризации дающий электропроводящий полимер - полианилин. Время проведения ЭФО рассчитывалось, исходя из заданной в пределах 10-20 мкм толщины получаемой пленки БР.

Для изготовления пленок БР методом полива применялись водные суспензии БР штаммов ЕТ1001, 353 и D96N с исходной концентрацией 4-7 г/л. Для получения пленок с более высокими значениями чувствительности в исходную суспензию вводили модифицирующие химические добавки: тетраборат натрия (Na₂B₄O₇), глутаровый альдегид (С₅H₈O₂), парафенилендиамин (С₆H₈N₂), глицин (С₂Н₅NO₂), изолейцин (С₆Н₁₃NO₂), лизин (С₆H₁₄N₂O₂). Пленки формировали в боксе (модель 518C, Electro-Tech Systems Inc) в потоке воздуха с контролируемыми температурой (8-35±1^оC) и влажностью (20-80±2%). В отдельных случаях для стабилизации относительной влажности на уровне 70% пленки покрывались защитным слоем поликарбонатметакрилата.

Получение оптически однородных прозрачных БР-содержащих полимерных пленок. Предварительно приготавливалась БР-содержащая полимерная смесь добавлением в 5% водный раствор желатины подготовленной суспензии БР. Учитывая, что при температурах <32°С БР агрегирует на молекулах полимера, прозрачные и оптически однородные полимерные смеси получены при температуре смешивания 34-35°С и итоговом значении показателя рН смеси суспензии БР и раствора полимера >4,1. После смешивания желатины и БР-содержащей суспензии для введения примесей металлов добавляются водные растворы солей с требуемой концентрацией металлов. В настоящей работе для получения БР-содержащих полимерных пленок с примесями Cu, Ba и Pb использовались соли CuCl₂, BaCl₂ и Pb(CH₃COO)₂·3H₂O.