Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Цель проекта -- разработка основ создания перспективных источников и детекторов ТГц диапазона на базе микро- и наноструктур с использованием новых физических принципов функционирования. В 2014 году в рамках настоящего проекта рассмотрена возможность создания фотопроводящих антенн, генераторов и детекторов импульсов ТГц электромагнитного излучения на основе GaAs и InGaAs структур, выращенных в низкотемпературном режиме. Созданы тестовые образцы полупроводниковых сред. Изучены оптимальные режимы роста, позволяющие получить наилучшие физические характеристики материалов для их применения в интересах генерации и детектирования ТГц излучения. Проведен комплекс исследований, направленных на изучение механизмов генераций ТГц излучения на основе нелинейной оптической конверсии. Экспериментально изучена параметрическая генерация ТГц излучения в нецентросимметричных кристаллах. В ходе теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электромагнитного излучения с глобулярными фотонными кристаллами обнаружен эффект структурной фокусировки света в фотонно-кристаллических структурах, приводящий к сильной локализации оптического поля вблизи поверхности среды при накачке запрещенной зоны. Показана возможность существенного повышения эффективности нелинейной оптической конверсии с помощью данного эффекта. В ходе дальнейших исследований эффекта структурной фокусировки будет рассмотрена возможность создания новых генераторов ТГц импульсов на основе фотонно-кристаллических сред, возбуждаемых ультракороткими лазерными импульсами оптического диапазона. В качестве основного механизма конверсии лазерных импульсов в ТГц излучение предполагается рассмотреть эффект оптическое выпрямление фемтосекундных импульсов в фотонных кристаллах, наполненных NaNO2, а также дипольные эффекты в фотонных кристаллах, наполненных полупроводниковой средой, Si. Предложены концепции детекторов ТГц электромагнитного излучения на горячих электронах. Данные устройства построены на основе графена и графеновых структур. Предложены физико-математические модели графеновых детекторов. Проведены теоретические исследования нового механизма усиления ТГц и инфракрасного электромагнитного излучения в графене и многослойных структурах на его основе. Впервые экспериментально изучены ТГц диэлектрические свойства перспективного материала для ТГц оптотехники – нафиона. Основные результаты выполнения первого этапа проекта отражены в публикациях коллектива исполнителей, поданных в высокорейтинговые отечественные и зарубежные научные издания.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 году в рамках проекта был решен комплекс экспериментальных и теоретических задач. Первая группа задач, связана с использованием полупроводниковых структур на основе GaAs для создания ТГц элементной базы. При выполнении этапа, найдены режимы эпитаксиального роста GaAs и гетероструктур на его основе, оптимальные для их последующего использования в фотопроводящих антеннах – источниках и детекторах ТГц импульсного излучения. Отработаны методы нанесения электродов на данные полупроводниковые среды. Изготовлены тестовые образцы GaAs-структур и проведены их исследовательские испытания. Изучены оптические и электрические свойства новых вицинальных структур на основе GaAs с наноразмерными нитями олова. Показано, что данные структуры характеризуются существенно анизотропией транспорта носителей зарядов и имеют богатые перспективы применения в ТГц оптотехнике, в частности, для создания ТГц болометрических детекторов. Вторая группа задач, связана с разработкой фундаментальных основ создания генераторов ТГц излучения на основе дипольных эффектов и нелинейных оптических эффектов в фотонно-кристаллических средах. Разработан пакет программ, сочетающий методы вычислительной электро- и гидродинамики, предназначенный для численного моделирования процесса генерации ТГц импульсного излучения в нелинейных периодических оптических средах и полупроводниковых фотонных кристаллах. Проведены вычислительные эксперименты, показавшие возможность управления спектральным составом ТГц излучения за счет изменения структуры фотонно-кристаллической среды, а также первые экспериментальные исследования. При выполнении этапа предложен новых подход к созданию источников ТГц электромагнитного излучения, основанный на параметрической генерации в волокнах из LiNbO3. Работы в данном направлении будут продолжены в 2016 году. Третья группа задач связанна с разработкой новых устройств ТГц оптотехники и полупроводниковой техники на основе графена в различных модификациях. Предложены концепции и физико-математические модели усилителя поверхностных акустических волн на основе графена, ТГц лазера на основе двухслойной графеновой структуры с инверсной населенностью энергетических уровней, а также ТГц болометрического детектора на основе Ван-дер-Ваальсовой многослойной графеновой структуры. Оценены достижимые технические характеристики подобных устройств. Результаты выполнения проекта нашли свое отражение в публикациях коллектива исполнителей в ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях, входящих в основные системы научного цитирования, а также представлялись на нескольких международных научных конференциях. Помимо решения обширного комплекса задач научно-исследовательской программы проекта, проведены работы, направленные на оснащение лаборатории современным научно-исследовательским оборудованием - закуплена ТГц спектроскопическая система исследовательского класса, оборудование для производства опаловых фотонно-кристаллических матриц из коллоидных суспензий с использованием методов самосборки, оптические, оптико-механические и электронные комплектующих для проведения экспериментальных исследований.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
При выполнении третьего этапа проекта решен комплекс проблем, направленных на разработку элементной базы ТГц диапазона на базе микро- и наноструктур с использованием новых физических принципов функционирования. Проведены теоретические исследования и симуляции, связанные с созданием концепций и физико-математических моделей устройств ТГц оптотехники на базе перспективных полупроводников материалов. Предложены болометрические детекторы ТГц излучения на основе вицинальных структурах с нанонитями из атомов олова, характеризующихся существенной анизотропией физических свойств. Разработаны концепции туннельного полевого транзистора на основе двухслойного графена, а также резонансного (спектрально-селективного) детектора ТГц электромагнитного излучения на основе полевого транзистора с разнесенными затворами. Построены физико-математические модели устройств, рассчитаны их достижимые технические характеристики и предложены пути их практической реализации. Разработаны ТГц метаматериаллы на базе двухмерных электрических колебательных контуров суб-волнового размера. Теоретические и экспериментальные исследования данных структур показали возможность высокоэффективного резонансного поглощения ТГц электромагнитного излучения за счет искусственно-наведенной диэлектрической и магнитной дисперсии. Проведен комплекс исследований, направленных на генерацию ТГц излучения в образцах нелинейных кристаллов и фотонно-кристаллических сред. Разработан метод изготовления волокон LiNbO3 на основе технологии роста профилированных кристаллов Степанова, а также метод наращивания оболочки волокна из аморфного кварца (кремнезема). Получены первые образцы волноводов; проводятся их экспериментальные исследования. Волокна LiNbO3 будут использоваться для создания высокоэффективных генераторов ТГц излучения, основанных на параметрическом распаде кванта света на квант ТГц излучения и квант холостой волны в нелинейном кристалле. Разработан программный пакет для моделирования взаимодействия электромагнитного излучения с периодическими оптическими средами с существенной материальной и пространственной дисперсией, основанный на методах вычислительной электродинамики. Проведены симуляции, теоретические и экспериментальные исследований, направленные на изучения эффективности нелинейной конверсии света в двух- и трехмерных фотонных кристаллах. Результаты теоретических и экспериментальных (генерация третьей гармоники, комбинационное рассеяние света, флуоресценция в фотонных кристаллах на базе искусственных опалов) показали возможность существенного повышения эффективности нелинейной конверсии в фотонных кристаллах при накачке запрещенной зоны за счет приповерхностной локализации оптического поля. Данный результат позволит создать новые генераторы ТГц излучения на основе нелинейной конверсии импульсов оптического излучения в фотонно-кристаллических средах. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по разработке нового метода формирования глобулярных фотонных кристаллов. Предложен оригинальный метод самосборки фотонных кристаллов из коллоидной суспензии, управляемой внешним вращающимся электрическим полем. Предложен подход к физико-математическому описанию потенциала межчастичного взаимодействия и рассчитана фазовая диаграмма коллоидных систем во внешних вращающихся электрических полях. Теоретически и экспериментально изучалось влияние бабстонов (наноразмерных пузырьков газа) в растворах электролитов на процесс зарядки коллоидных частиц в сольвенте и их самосборку. Разработана экспериментальная установка и проведены исследований, показавшие возможность получения высокого качества фотонно-кристаллических структур с помощью разработанного метода самосборки во внешних вращающихся электрических полях. Новый метод станет основой для формирования высококачественных фотонно-кристаллических структур их устройств ТГц элементной базы на их основе. Разработаны, изготовлены, теоретически и экспериментально охарактеризованы новые оптические элементы ТГц техники. Разработаны ТГц фотонно-кристаллические волноводы на основе профилированных кристаллов сапфира, выращенных по методу Степанова. Показано, что пилотные образцы сапфировых ТГц волноводов характеризуются низкой дисперсией в широком рабочем спектральном диапазоне от 1,0 до 1,5 ТГц и рекордно низкими (по сравнению с существующими аналогами – полимерными ТГц фотонно-кристаллическими волноводами) потерями до 2 дБ/м. Данные волноводы не имеют аналогов. Разработаны ТГц широкоапертурные оптические элементы, а также оптические системы, основанные на принципе твердотельной иммерсии, обеспечивающие фокусировку ТГц излучения в пятно суб-волнового размера диаметром до 0,3…0,4λ. Новые ТГц оптические системы существенно расширяют возможности методов ТГц спектроскопических исследований и ТГц имиджинга. Наряду с решением комплекса научных проблем, на третьем этапе реализации проекта проводились работы, направленные на развитие экспериментальной базы и научно-технического потенциала Лаборатории терагерцовых технологий. Закуплено современное оборудование для проведения экспериментальных исследований и вычислительных экспериментов по задачам проекта. Коллективом лаборатории проводились регулярные научные семинары. Результаты исследований 2016 года опубликованы в 20 научных статьях в высокорейтинговых изданиях, индексируемых в Web of Science Core Collection, Scopus или РИНЦ. Из них 5 публикации – в журналах из первого квартиля (Q1 по Web of science) и 2 публикации – в журналах из второго квартиля (Q2). Наличие публикаций в ведущих изданиях по разным направлениям реализации проекта подтверждает высокий уровень проведенных научных исследований. Необходимо отметить, что уровень публикаций лаборатории (число публикаций в журналах из Q1; средний импакт-фактор журналов, в которых публикуется лаборатория; цитируемость публикаций) непрерывно возрастает. За 2014-2016 гг. сотрудниками Лаборатории тераерцовых технологий опубликовано (всего, не только в рамках Проекта 2014) 47 статей и 41 работа в трудах конференций, индексируемых в Web of Science. Тенденция к росту качества научных исследований и повышению уровня опубликования результатов будет сохранена коллективом Лаборатории терагерцовых технологий МГТУ им. Н.Э. Баумана в дальнейшем. Участие в выполнении исследования молодых ученых (студентов и аспирантов МГТУ им. Н.Э. Баумана) позволило расширить кругозор молодых ученых, способствовало получению ими бесценного опыта проведения исследований в коллаборации с состоявшимися в своих областях учеными. Результаты исследований нашли отражение в квалификационных работах студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана. Они вошли в материалы кандидатских диссертаций, представленных К.И. Зайцевым и И.Н. Долгановой в диссертационный совет на соискание ученой степени кандидата технических наук; защита запланирована на начало 2017 года. Более того, молодые ученые, являющиеся членами коллектива исполнителей настоящего проекта, – К.И. Зайцев и С.О. Юрченко – получили Премию Правительства Москвы молодым ученым за 2015 год за цикл исследования в области ТГц диэлектрической спектроскопии, проведенных частично при финансовой поддержке настоящего гранта РНФ. В 2015 году исполнитель проекта Юрченко С.О. стал лауреатом общественной премии Scopus Award Russia – 2015, а в 2016 году лауреатами Премии Правительства Москвы молодым ученым стали исполнители проекта Зайцев К.И. и Юрченко С.О. за "достижение выдающихся результатов научных исследований в области диэлектрической и абсорбционной терагерцовой импульсной спектроскопии". В декабре 2016 года ответственный исполнитель настоящего проекта С.О. Юрченко вошел в ТОП-100 молодых ученых России - лидеров фундаментальной науки (совместный проект indicator.ru и РФФИ -- https://indicator.ru/article/2016/11/30/rating-indicator-ru/).