Основные результаты научной деятельности

   Исследовались пленочные наноразмерные оксиды иттрия, вольфрама, керамические поликристаллические оксиды марганца и высокотемпературных сверхпроводников на основе медно-иттриевого и медно-висмутового оксидов. Исследован процесс формирования оксида иттрия и показано влияние на перенос ионов в сильном электрическом поле магнитного поля. Линейный характер роста оксида во времени показывает, что скорость переноса ионов контролируется границей оксид-электролит. Измерения электрической прочности показали, что более высокие поля выдерживают оксиды, электрохимический синтез которых проводился при совместном воздействии электрического и магнитного полей.

   Рентгенографические исследования показали, что в стеклах на основе ванадия формируется сетка из тетраэдров VO₄, аналогичная таковой для аморфного окисла V₂O₅. В пустотах этой сетки расположены атомы бария, причем мотив распределения их аналогичен таковому для ванадата бария BaV₂O₆. В пустоты тетраэдрической сетки встраиваются также и атомы меди. Результаты молекулярно-динамического эксперимента подтверждают эту модель.

   Проводится изучение структурного состояния целлюлоз различного происхождения в нативном состоянии и в качестве промышленных полуфабрикатов.

   Продолжались исследования по изучению структуры ближнего порядка (БП) в многокомпонетных стеклах в зависимости от состава и температуры отжига.

   Обнаружена корреляция между изменением химического состава стекла, вызывающим ликвацию, и параметрами БП. С увеличением содержания апатита наблюдается рост степени ближнего упорядочения.
Разработана комплексная программа анализа химического состава, идеальной и реальной атомной структуры хромшпинелидов различных месторождений, отличающихся условиями образования.

   Продолжались исследования структуры зубных тканей Европейского лося. По данным рентгенофазового анализа структура исследуемых зубных тканей представлена фазой апатита с примесями кальцита и витлокита.

   Проведено систематическое экспериментальное изучение возбуждения электролюминесценции в слоях пористого кремния в контакте с электролитами различного состава при катодной и анодной поляризациях. Впервые на пористом кремнии проведены прямые измерения электрофизического качества слоя, формируемого на монокристаллической подложке, с помощью метода вольт-фарадных характеристик. Исследуемая МДП-структура формировалась на p-Si с выращенным сверхтонким пористым слоем (> 50 нм), поверхность которого подвергалась анодному окислению в неводном электролите до толщины окисла ~ 10 нм.

2. Подготовка электронных учебных ресурсов.

   Разработаны и помещены на web-сервере компьютерного класса КФТТ DSSP217 по адресу http://dssplab.karelia.ru  дистанционные курсы: "Оптоэлектроника и волоконная оптика", "Сборник задач по микро и оптоэлектронике", "Физика и диагностика поверхности", "Компьютерная графика", "Базы данных, "Технология СБИС". Проходит апробацию дистанционный курс "Схемотехника интегральных схем". В 2002 году кафедра планирует закрыть электронными учебными ресурсами все основные предметы по специальности "физика".

3. Разработка информационно-справочных систем для органов государственного управления в области науки и образования.

Разработаны и переданы заказчикам информационно-справочные системы: "Образование в регионах России", "Аспирантура, докторантура и диссертационные советы в регионах России", "Региональное и федеральное финансирование науки в российских вузах", "Финансирование науки из российского бюджета. Федеральный и региональный уровни", "Образование в Республике Карелия".

   В аморфных анодных окислах тантала и ниобия внешние воздействия (поле и температура) приводят в первую очередь к трансформации кислородного окружения. Состав и структура этих окислов практически не зависят от условий анодного окисления. Построение модели процесса образования аморфного окисла тантала путем проведения цикла плавление-затвердевание показало, что и в этих условиях вначале формируется каркас из катионов, а уже затем выстраивается кислородная подсистема.

   В частично кристаллизованных окислах марганца кислородная упаковка достаточно стабильна, а переходы порядок-беспорядок связаны с перераспределением катионов. При этом возникают деформационные искажения координационных многогранников (октаэдров), но они не носят столь резкого характера как в аморфном окисле ванадия.

   Аморфные окислы иттрия, полученные электродиффузией в сильном электрическом поле и при наложении магнитного поля при исследовании показывают характеристики с отрицательной дифференциальной проводимостью. Модификации полученных оксидов иттрия отличаются от своих кристаллических фаз. Наиболее вероятной структурой для них являются беспорядочно связанные между собой координационные многогранники различного типа.

   Показано, что в аморфном анодном окисле существуют длиннопериодные (порядка 10A) корреляции электронной плотности, длина которых меняется при фазовом переходе металл-полупроводник. При старении в лабораторных условиях происходит изменение типа ближнего порядка и координационным многогранником вместо октаэдра становится тетрагональная пирамида.

   На структуре оксид ванадия на кремнии типа полевого транзистора при увеличении концентрации электронов в оксиде ванадия до критической за счет инжекции неравновесных носителей из кремния получен фазовый переход металл-полупроводник (ПМП). Оценка концентрации электронов соответствует критерию Мотта для ПМП и позволяет установить Мотт-Харббардовский характер перехода.

   Полученный золь-гель методом аморфный окисел V₂O₅ содержит в своем составе три молекулы воды. Координационный многогранник при этом (тетрагональная пирамида) аналогичен таковому для безводного V₂O₅. Структуры с пленкой V₂O₅•3Н₂О обладает эффектом переключения из диэлектрика в полупроводник в результате образования проводящей фазы двуокиси ванадия. Пороговые параметры переключения чувствительны к температуре и давлению. Облучение аморфного оксида ванадия электронным пучком дозой ~100 мкКл/см² при напряжении 10-15 кВ кристаллизует оксид. Травление необлученных областей оксида в неорганических растворах и в газовой плазме за короткий промежуток времени позволяет получать тестовый рисунок с разрешением линий на уровне 0,1 мкм. Такие свойства аморфных оксидов ванадия делают их перспективными для неорганической нанолитографии.

   Впервые обнаружен и систематически изучен эффект возбуждения люминесценции пористого кремния при адсорбции молекул озона из газовой фазы. Изучены спектральные, кинетические и инфракрасные спектроскопические характеристики процесса. Установлено, что источником энергии возбуждения видимого свечения ПК является экзотермическая реакция окисления кремния при диссоциации адмолекул озона. На основе полученных корреляций между фото- и адсорболюминесцентными характеристиками слоев ПК сделан вывод о едином механизме излучательной релаксации возбужденного состояния в системе нанометровых кремниевых кристаллитов.

   Проведенное совместное исследование спектров пропускания, ФЛ и ФВ на отделенных пленках ПК свидетельствует о том, что характеристики люминесцентного процесса не имеют однозначной связи со спектром оптического пропускания. Приближенно, характеристика зонной структуры люминесцирующих Si нанокристаллитов в ПК может быть получена с помощью исследования спектра возбуждения фотолюминесценции.

   В экспериментах по возбуждению электролюминесценции ПК впервые показано, что спектр свечения не зависит от состава электролитов, как растворяющего окисный слой, так и не препятствующего образованию окисла. Полученный результат противоречит модели "мягкого" квантового связывания в ПК, согласно которой излучательная рекомбинация в кремниевых кристаллитах происходит с участием поверхности.Показано участие двух различных механизмов ЭЛ при анодной поляризации ПК. Первый эффективен при малой степени окисленности поверхности ПК и обусловлен излучательными переходами в электронной системе нанокристаллитов. Второй протекает с участием локального излучательного центра в составе окисной фазы в матрице ПК, подробно изученного ранее в слоях окисла на планарной поверхности кремния.

   Осуществлена схемотехническая разработка автоматизированного измерителя ключевых параметров МОП транзисторов. Создан пилотный экземпляр прибора, обеспечивающий тестирование полного набора параметров полевых транзисторов. Созданное программное обеспечение позволяет проводить математическое моделирование статических характеристик МОП транзисторов на стадии проектирования. Обеспечен режим дистанционного управления измерительным процессом на базе программного пакета LabVIEW.

   Необходимость развития промышленности на базе природных богатств диктует проведение более детального изучения свойств таких материалов, как глушеные стекла, полученные на основе техногенного сырья. Установлено, что характер ближнего упорядочения атомов в исследованных многокомпонентных стеклах соответствует фазе диопсида. С увеличением процентного содержания апатита в системах происходит ликвация, что отражается на их физических, декоративных свойствах и характере ближнего упорядочения, что выражается в появлении фосфорокислородных связей. Установлено, что процесс ликвации вызывает возрастание степени порядка. Результаты МУР рентгеновских лучей указывают на наличие в исследуемых образцах неоднородностей электронной плотности двух размерных фракций. При изменении химического состава стекол, соответствующего переходу из области гомогенного состава в область ликвации, происходит скачкообразный рост относительного объема, занимаемого неоднородностями электронной плотности размерной фракции 60A.

   При исследовании влияния экологии на структурные изменения зубных тканей Европейского лося установлена корреляция между фазовым составом образцов и степенью загрязненности территорий. Она проявляется в изменении периодов кристаллической решетки дефектного фторапатита: в более загрязненной области параметр с меньше. Также наблюдается уменьшение размеров пор и значений микропористости в более неблагоприятных с экологической точки зрения областях.

   Впервые к изучению атомной атомной структуры целлюлоз и полуфабрикатов на их основе был применен метод полнопрофильного анализа рентгенограмм поликристаллов, позволивший установить зависимость структурных характеристик целлюлозы от условий произрастания, типа дерева, технологических условий получения бумаги на различных этапах технологического цикла.

   Исследования структуры органических соединений, представляющих собой молекулярные комплексы гетероароматических N-оксидов, показали, что получены совершенно новые соединения, не имеющие аналогов в картотеке ICDD.

   По всем представленным в данном разделе результатам подготовлен к отправке в печать целый ряд публикаций.

   Группа сотрудников кафедры под руководством проф. Гуртова продолжила исследование ранее обнаруженного эффекта возбуждения электронной системы нанофрагментов пористого кремния при адсорбции молекул озона. Проведен корреляционный анализ изменения эффективности возбуждения люминесценции пористых слоев при фотонном и адсорбционном воздействиях, осуществляемых одновременно. Полученная строгая корреляция между двумя люминесцентными откликами интерпретирована как доказательство ранее выдвинутого предположения, что при адсорбции молекулы озона происходит генерация электронно-дырочной пары в нанофрагменте c-Si , как и в случае фотовозбуждения. В пользу этого процесса получен дополнительный аргумент-симбатный коротковолновый сдвиг люминесцентных контуров при адсорбо- и фотовозбуждении с ростом пористости объекта. Методом ИК-спектроскопии проведено изучение возрастания концентрации силоксановых  мостиков в ходе адсорбционного воздействия, и выявлена гиперболическая связь интенсивности адсорболюминесценции с концентрацией Si-O-Si связей в матрице пористого слоя. Данный факт указывает, что центры безизлучательной рекомбинации носителей заряда локализованы на межфазной границе кремниевый фрагмент - окисел. Результаты исследования опубликованы в двух печатных работах и доложены на I Всероссийской конференции "Молекулярная физика неравновесных систем" (Иваново, май 1999 г.).

   Продолжались работы по гранту 2613 программы "Университеты России" – "Электронные и структурные процессы в оксидах переходных и редкоземельных металлов", научный руководитель – доц. В.П. Малиненко, отв. исполнитель – доц. Алешина Л.А. На основании измерений оптических свойств показано, что вариации режимов окисления, таких как, состав электролита, плотность анодного тока, время анодирования, позволяют осуществлять управление кислородной стехиометрией оксидов ванадия. В результате технологических вариаций могут быть получены пленочные структуры высших, низших или промежуточных между ними оксидов от VO₂ до V₂O₅. Промежуточные варианты могут представлять собой смесь фаз VO₂ и V₂O₅. Термодинамические характеристики этих смешанных фаз позволяют говорить о хаотическом распределении фаз в пленке. В то же время, изменяя условия анодного процесса образования оксидов ванадия можно обеспечить постепенный переход от высшего оксида к низшему за счет нарушения кислородной стехиометрии. Анализ спектральных кривых поглощения и пропускания и эллипсометрии показал взаимосвязь оптических свойств окисла ванадия и их фазового состава.  Сопоставление оптических свойств пленочных оксидов ванадия со свойствами монокристаллов VO₂ и V₂O₅ показало,  что, наряду с их соответствием, наблюдается и различие, связанное с аморфной структурой или частичным структурным разупорядочением пленочных окислов. При  одинаковости ширины запрещенной зоны для упорядоченных и неупорядоченных  материалов, определяемой структурой ближнего порядка кристаллической решетки,  электронный энергетический спектр пленочного материала имеет отличия, обусловленные  отсутствием кристаллографического порядка. Исходные анодные пленки оксидов ванадия являются аморфными, соответствующими типу рутила VO₂. Их основной структурной единицей является кислородный октаэдр с атомом ванадия в центре. Наличие особенностей на дифрактограмме в области малых 5-6° углов позволяет говорить о корреляции в расположении областей ближнего порядка на расстоянии 10-11Å. При старении в лабораторных условиях аморфный анодный оксид ванадия переходит в аморфный же V₂O₅. В окисле V₂O₅, относящемся к ромбической сингонии, атомы кислорода образуют сильно искаженную плотнейшую ГЦК упаковку, однако основой структурного мотива также является кислородный октаэдр, но сильно искаженный. Одна длина связи V-O в октаэдре настолько велика, что структурной единицей можно считать тетрагональную пирамиду. В V₂O₅ такие пирамиды располагаются слоями, расстояние между которыми соответствуют параметру тетрагональной решетки VO₂ равному 2,84 Å, которое соответствует расстоянию V-V (2,87 Å). Окислы переходных металлов проявляют свойства от диэлектриков до металлов, поскольку катионы в них могут находиться в различных валентных состояниях. Изменения термодинамических свойств таких окислов могут стимулироваться температурным процессом, электронным, лазерным или иным излучением. Известно, что  УФ излучение вызывает появление фотопамяти в оксидах Та и Nb. Наиболее мобилен по отношению к структурным превращениям оксид ванадия, у которого известно более 10 возможных различных фаз. Анодный оксид ванадия подвергался облучению лазером с l=1,06 мкм. импульсами длительностью 15 нс с энергией 10 мДж/см². Получено, что при пороге облучения ~1мДж/см² многофазная исходно анодная оксидная пленка ванадия испытывает твердофазную химическую реакцию и становится однофазной по составу, близкому к VO₂. Лазерная модификация аморфного анодного VO₂ приводит к появлению кристаллов фазы V₅O₉, относящихся к гомологическому ряду V_nO_2n-1, и представляющему собой структуру сдвига VO₂. Нестехиометрия по кислороду (VO_1,8) является результатом возникновения плоскостей сдвига. В результате лазерного воздействия в окисле ванадия наблюдается фазовый переход полупроводник-металл (ФПМП) при Т_с = 340 К. Наряду с этим происходит кристаллизация рентгеноаморфной изначально структуры, о чем свидетельствуют характерные узкие пики на дифракционной картине. Подобные переходы при лазерном облучении были получены для анодных оксидов Ti, Nb, Ta с энергиями перехода 15, 18 и 28 мДж/см² соответственно. Энергии перехода для оксидных пленок коррелируют с изменениями энтальпии при образовании соответствующих оксидов при иновалентных переходах. Величина изменения энтальпии соответствует величине изменения энергии химических связей в атомной решетке, происходящего при переходе из высших окислов ванадия в низшие, в частности, V₂O₅ → VO₂. В отличие от обычного температурного процесса, который также может приводить к подобным изменениям, лазерное облучение дозами энергии, недостаточными для термической кристаллизации, характеризуется генерацией высокоплотной электронно-дырочной плазмы, что приводит к зарядовым упорядочениям в катионной подрешетке. Откликом на лазерное воздействие является легко реализуемый в облученном VO₂ ФПМП, сопровождающийся повышением электронной плотности и электронным переходом 2V⁴⁺ → V³⁺+V⁵⁺. Существование такого перехода подтверждено в работах по изучению возникновения неоднородного распределения спиновой и зарядовой плотности в сильно коррелированных электронных системах в допированных щелочными металлами окислах ванадия.

   На роль электронных, а не термических процессов при фазовом переходе металл-полупроводник (ФПМП) указывает полученный в работе эффект влияния лавинной инжекции на ФПМП в структуре оксид ванадия на кремнии. Полевая инжекция  электронов в МДП структуре на кремнии вызывала реализацию ФПМП в планарной структуре двуокись ванадия на поверхности кремния.

   При изучении предпробойных токов и электрического пробоя в пленочных окислах тантала и ниобия величины электрических полей варьировались от >10⁷В/м до >5•10⁸ В/м. В таких очень сильных полях наблюдается процесс электроформовки, проявляющий себя в необратимом изменении проводимости при многократном циклическом приближении к предельным полям, определяющим электрическую прочность пленочных оксидов. Механизм делокализации электронов вплоть до температур жидкого азота не изменяется и характеризуется возбуждением электронов с кулоновских центров. При этом энергия активации растет с ростом поля. В электрических полях, в которых электрическая устойчивость окислов сохраняется, возникают процессы, приводящие к изменению проводимости и возникновению нового устойчивого электрон-фононного состояния: электроформовка при температуре жидкого азота на обоих окислах приводит к снижению подвижности ионов и снижению проводимости, в то время как проведение того же процесса при комнатных температурах, наоборот, повышает проводимость пленочных оксидов, которая в обоих случаях остается электронной.

   Связь между электронными процессами в сильных полях и структурными деформациями прослеживается на изменениях, происходящих в неупорядоченных оксидах тантала при воздействии напряжений близких пробивным и при повышенной температуре. Повышение температуры облегчает структурные изменения под влиянием электронных потоков (по типу электронного ветра) или за счет электронно-фононных процессов. Так длительное полевое нагружение, приводящее к увеличению тока на порядок и более при сохранении стабильной проводимости, приводит к увеличению разброса межатомных расстояний Та-О и О-О относительно их средних значений. Это означает возрастание искажений координационных многогранников. В аморфном окисле Та₂О₅ такими многогранниками являются искаженный куб и пентагональная бипирамида. Среднее координационное число 7,5. Последующее возрастание тока на два порядка приводит к увеличению первого координационного числа до 8. Таким образом, все атомы тантала оказываются в кубической координации. Неконтролируемый рост тока, проявляющийся при полевом воздействии, связан с появлением мелкокристаллической фазы b-Та₂О₅, а также с возрастанием разброса межплоскостных расстояний относительно средних значений и понижением первого координационного числа, что указывает на уменьшение количества атомов тантала с кубической координацией.

   Редкоземельный иттрий характеризуется устойчивым валентным состоянием,
однако его окислы, полученные анодным окислением обнаруживают три разновидности. При анодном окислении иттрия образуется оксид, степень стехиометрии и упорядочения которого зависит от условий получения. В условиях сильных электрических полей электронная проводимость окисла иттрия нелинейна и при переходе к предпробойному состоянию показывает отрицательную дифференциальную проводимость "N" или "S"-образного вида.
Наиболее разупорядоченным оказывается порошок анодного оксида. В черном оксиде степень упорядоченности возрастает.

   Наибольшей упорядоченностью отличается цветной оксид иттрия. Однако, возможно, он наиболее нестехиометричен. Координационным многогранником во всех трех типах оксида иттрия является кислородный октаэдр.Исследована возможность получения оксида иттрия электрохимическим способом.

   Электрохимический конденсат в виде пленки по внешним признакам и электрохимическим характеристикам различался в зависимости от состава электролита, величины тока, температуры. Пленочные структуры характеризуются диэлектрическими свойствами с r > 10¹²Ом×м, высокой диэлектрической прочностью, проявляя в полях ~10⁸В/м нелинейные свойства. Электронная проводимость активируется при энергиях 0,2- 0,5 эВ, в то время как сам оксид относится к широкозонным материалам. На статических токовых характеристиках в сильных полях обнаруживается "N"-образный характер отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). Динамические характеристики после предварительной электрической формовки показывают "S"-образный характер ОДП.

   Трансформация электрических характеристик пленочных конденсированных оксидов в сильных электрических полях, приводящая к резкому росту концентрации электронов может быть связана с внутренней структурной перестройкой, обеспечивающей делокализацию носителей либо за счет изменения взаимодействия "р-d" электронов при изменении длины связи кислорода и катиона металла, либо в результате деформации в сильном поле структурного многогранника кислородного соединения. В отличие от подобного поведения окислов ванадия, ниобия и ряда других, у которых катион может менять валентное состояние и существуют плеяды устойчивых оксидов, оксид иттрия проявляет свойства электрической нелинейности в сильных полях значительно слабее. По внешним признакам и результатам РСА одна из модификаций электролитического конденсата оксида иттрия имеет черную окраску и характеризуется нестехиометрией по кислороду на уровне Y₂О_2,98. Именно эта модификация может давать "S"- и "N"-образные характеристики, трансформированные из обычной нелинейной, характерной для электронной проводимости диэлектрика в сильном электрическом поле.

    Одним из привлекательных свойств оксида вольфрама WO₃ является электрохромный и фотохромный эффекты. Они проявляются в изменении оптического показателя преломления, возникающего при структурной перестройке оксида при электронном и ионном переносе. Ионный поток создают водород, натрий, литий и другие ионы щелочноземельных металлов. Таким образом, явление электрохромизма в пленках оксида вольфрама является фазовым переходом конденсированного вещества, которое под влиянием электронных и ионных потоков в сильном электрическом знакопеременном поле изменяет обратимо структуру, оптические и электрические свойства. В течение каждого цикла конденсированное вещество испытывает структурные изменения, которые отражаются в оптических и электрических характеристиках, и возвращается к своему исходному состоянию. Однако, каждый цикл вносит свои неощутимые изменения, которые накапливаясь при длительном циклировании дают остаточные свойства и в конечном итоге приводят к деградации. В работе получена картина структурных изменений на основе совместного анализа результатов РСА и моделей структуры некристаллического окисла вольфрама, построенных методом молекулярной динамики.

   В основе всех полиморфных модификаций кристаллических структур оксидов вольфрама лежит кислородный октаэдр. К исследуемой напыленной аморфной фазе наиболее близкой оказывается ромбоэдрическая. Исследования аморфной анодной фазы WO₃ показали, что расположение атомов W и O в ней соответствует кристаллической модификации WO₃•1/3H2O. После циклической знакопеременной нагрузки в электрическом поле структура аморфного анодного окисла вольфрама изменяется, возникают искажения в кислородных многогранниках, такие что одна аксиальная связь укорачивается, а другая удлиняется и суммарное координационное число для W-O становится ниже, чем в октаэдре (5,1 вместо 6), что свидетельствует о появлении нестехиометрии по кислороду. В целом структурный мотив WO₃1/3H2O сохраняется до числа циклов, равного 10⁴, а при 10⁵ циклов наблюдается структурный переход в гидрат H₄WO₄•H₂O.

    На медно-иттриевой керамике (УВСО) с различным уровнем стехиометрии получены магнитометрические и кинетические параметры, показывающие динамику изменения диамагнитных свойств, концентрации, подвижности. Рентгеноструктурные исследования тех же объектов дают картину структурных изменений стехиометрии по кислороду перовскитовых структур. Моделирование методом молекулярной динамики позволяет проанализировать характер разупорядочения кислородных вакансий. Показано, что в смешаннослойной модели, которая возникает при скоплении кислородных вакансий в базальных плоскостях Сu1-0, происходит трансформация углового распределения интенсивности рассеяния при изменении соотношения количества слоев тетрагональной и ромбоэдрической фаз при переходе от диэлектрического к сверхпроводящему состоянию. Динамика изменения характера углового распределения интенсивности при уменьшении процентного состояния слоев тетрагональной фазы адекватно отражает процесс перехода из тетрагональной фазы в ромбическую, обладающего высокотемпературным сверхпроводящим переходом.

   Методом полнопрофильного анализа рентгенограмм поликристаллов проведено уточнение структурных характеристик катоднополяризованной керамики YBa₂Cu₃O_7-d. Показано, что даже при достижении индекса стехиометрии 6.9 сверхпроводимость восстанавливается не полностью, если в базальной плоскости Сu-О наблюдается разупорячение кислорода по позициям О₄, О₅.

   Полученные результаты показывают, что деформация кислородных многогранников оксидов переходных и редкоземельных металлов существенно отражается на свойствах, связанных с проявлением электронных процессов. Структурным многогранником рассмотренных оксидов редкоземельных и переходных металлов является кислородный октаэдр, в центре которого находится многозарядный катион с недостроенной d-оболочкой. Образуя структурный мотив решетки, октаэдры, заполненные и незаполненные катионами, могут сочетаться в различных конфигурациях. При нестехиометрии, промежуточном этапе фазовых превращений, возникают искажения в длинах и углах связей и изменения координационных чисел. Такие структурные изменения приводят к изменению взаимодействия "p-d" - электронов кислородного октаэдра и соответствующим электронным переходам. На многих оксидах, в частности на ванадии, замечено, что при изменениях в структуре, сопровождающихся деформациями кислородных октаэдров, наблюдаются резкие изменения электронных свойств, в частности, переход металл-диэлектрик. Следует заметить, что, наряду с полевыми, такие же структурные искажения могут вносить процессы допирования, о чем свидетельствует целый ряд работ по фазовым переходам в ванадиевых структурах и оксидах вольфрама, допированных натрием с высокотемпературным СП-переходом при 93К, что и определяет направление последующих работ.

   Таким образом, в работе рассматривается взаимосвязь между электронными, электрон-фононными и структурными процессами в пленочных оксидах металлов с недостроенной d-оболочкой. В сильных предпробивных электрических полях напряженностью до 10⁹ В/м в пленочных оксидах ряда переходных и редкоземельных металлов наблюдаются нелинейные электронные эффекты, сопровождающиеся обратимым переключением из высокоомного состояния в низкоомное. В неупорядоченных оксидах электронные процессы сопровождаются (или вызываются) незначительными изменениями в ближайшем кислородном окружении атома металла: деформация координационного многогранника, изменение координационного числа. Разработанные методы анализа и моделирования структуры аморфных пленочных материалов позволяют обнаруживать эти изменения и связывать их с изменениями электрофизических параметров. Корреляция прослежена при термополевом воздействии на оксиды тантала и ниобия, циклическом воздействии напряжения на оксиды вольфрама, лазерном и термическом воздействии на оксиды ванадия. Установлено, что для восстановления СП при 91К в оксидах купрата иттрия необходимо добиться не только насыщения их кислородом до индекса стехиометрии, при котором этот переход происходит, но и упорядочения кислорода в базальной плоскости. Электрохимическим путем получены окислы иттрия, различие в ближнем порядке которых сопровождается различием в электронных свойствах. Весь комплекс полученных результатов уже на данном этапе исследований позволяет представить феноменологическую картину взаимосвязи между электронными процессами и структурными изменениями в оксидах переходных и редкоземельных металлов и создает базу для получения количественных соотношений. Кроме того, возможность контролируемого изменения структуры на решеточном уровне открывает перспективы для практической реализации коллективных электронных процессов в оксидах переходных и редкоземельных металлов.

   Продолжались работы (под руководством доц. КФТТ Репниковой Е.А.) по изучению структуры непрозрачных стекол в зависимости от типа глушителя методами рентгенографии в широком угловом диапазоне измерений, включая малоугловую область. Определены параметры микропористой структуры: размеры и форма пор, а также их концентрация. Было показано, что повышение содержания глушителя P₂0₅ и TiO₂ приводят к заметному росту пористости стекол и возрастанию белизны. Наиболее структурно-чувстивительным оказался глушитель TiO₂, который в процессе термообработки проникает в поры. Работа велась в рамках научного сотрудничества с лабораторией неметаллов КНЦ. По результатам исследований опубликованы тезисы на 14 международном совещании по рентгенографии минералов (С.-Пб. 1999 г.) и статья в центральном журнале. В 2000 г. планируется продолжение совместных исследований. Заключен договор о научном сотрудничестве с Институтом химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН по изучению влияния состава и условий обработки на изменение фазового состава, степени дефектности и характера ближнего упорядочения материалов на основе горнопромышленных отходов. Полученные различия в распределении функций парного взаимодействия атомов в сложных многокомпонентных стеклах в зависимости от условий их формирования дают основание утверждать, что в характере ближнего упорядочения атомов будут найдены заметные различия.

   Продолжались совместные с КНЦ РАН исследования по рентгенографическому изучению и компьютерному моделированию шпинельных структур. Получены интересные данные, позволяющие утверждать, что в различных частях кристаллизующегося массива существовали индивидуальные особенности минералообразования, которые привели к кристаллизации хромитов с различной степенью совершенства кристаллов. Обнаружено образование промежуточного типа структуры шпинели со степенями инверсии 0.75 и 0.5 при замещении Cr на Fe в октаэдрических позициях. Факторы достоверности изменяются от 3 до 6%, что свидетельствует о высокой точности эксперимента и расчета. По материалам исследований опубликованы 2 тезиса на 14 международном совещании по рентгенографии минералов (С.-Пб. 1999г.) и статья в сборник научных трудов "Геология и полезные ископаемые Сев.-Зап. и центра России." Апатиты. 1999 г. В 2000 г. работа будет продолжена. В проведении исследований активное участие принимали студенты 5 и 6 курсов.

   Продолжается работа по исследованию влияния экологии на дефектность зубных тканей Европейского лося в рамках международного научного сотрудничества. Получены статистически достоверные результаты по характеристикам микропористой структуры. Прорентгенографировано несколько десятков образцов из различных районов Финляндии. В частности установлено, что размеры пор зубной ткани лосей из более неблагоприятных экологических районов имеют тенденцию к уменьшению, их концентрация при этом также уменьшается. Данные рентгенографических исследований коррелирует с голографическими измерениями, проведенными партнерами. По результатам исследований планируется написание совместной статьи.

   В течение 1999 года проводилась работа по темам "Неспецифические взаимодействия и структурная гетерогенность в растворах глобулярных белков" и с сентября — "Исследование микропористости древесины методом малоугловой рентгенографии".

   В рамках Региональной научно-технической программы ПРИГРАНИЧНАЯ КАРЕЛИЯ (1997-2000 гг.) по проекту "Разработка технологии очистки сточных вод промышленных предприятий от загрязнений тяжелыми металлами методом сорбции на отходах лесопромышленного комплекса" (научный руководитель - доцент Л.А. Алешина). Тематика исследований по проекту включала в себя проведение поисковых экспериментов по очистке хром и никельсодержащих сточных вод, возникающих в гальваническом производстве, путем использования в качестве сорбентов препаратов, изготовленных из отходов предприятий деревообрабатывающей промышленности Карелии. Целью проведения работ такого плана является также оздоровление окружающей среды в регионе за счет уменьшения загрязнения тяжелыми металлами с одной стороны и рациональное использование отходов деревообрабатывающей промышленности с другой.

   Выполненные исследования позволяют констатировать: - кора хвойных пород, благодаря особенностям структурной организации, может быть использована в качестве дешевого высокоэффективного сорбента при очистке сточных вод от ионов хрома и никеля; - способ утилизации продуктов сорбции путем сжигания позволяет получать промышленные продукты, обогащенные оксидами хрома; - рентгенографический анализ является не только перспективным экспресс методом контроля процесса сорбции ионов тяжелых металлов, но и позволяет проводить фундаментальные исследования изменений структурного состояния различных компонент сорбента после пропускания через него сточных вод.

   Исследования атомной структуры целлюлоз в нативном состоянии и после различных технологических воздействий (научный руководитель - доцент Л.А. Алешина). Работа проводилась в рамках договора о содружестве с ОАО Сегежабумпром, предоставившим образцы для исследований. Особенности методики рентгенографического изучения целлюлоз были доложены на XIV Международном совещании по рентгенографии минералов. Санкт-Петербург 21-24 июня 1999 г.

   По результатам исследования атомной структуры углеродной составляющей шунгита на XIV Международном совещании по рентгенографии минералов (Санкт-Петербург 21-24 июня 1999 г) сделан Алешиной Л.А., Никитиной Е.А., Фофановым А.Д. доклад на тему "Структура минерала шунгит по данным рентгенографического и модельного эксперимента". Планируется дальнейшее проведение исследований атомной структуры шунгита различных месторождений в рамках сотрудничества с лабораторией Шунгита Института геологии КНЦ РАН.

   Участие профессора Фофанова А.Д. (единственного представителя ПетрГУ) в работе XIV Международного совещания по рентгенографии минералов (Санкт-Петербург, 21-24 июня 1999 г) стало возможным только благодаря тому, что он получил приглашение принять участие в работе регионального Семинара ICDD, проводимого одновременно с совещанием. Участникам семинара оргкомитет оплатил проезд и проживание.В области моделирования структуры продолжались работы по воссозданию трехмерной структуры ВТСП керамики YBCO по данным моделирования самодиффузии кислорода в плоскости CuO и проверке адекватности результатов по смешанослойной модели этой керамики, предложенной ранее. Начата также новая тема по компьютерному моделированию геологических пород с использованием моделирующего пакета решеточной динамики Shell предоставленного исследовательской группой университета г. Бристоль (Англия).

   Продолжается работа над созданием виртуальной JAVA лаборатории для отработки основных алгоритмов компьютерного моделирования вещества.

   В 1999 г. продолжались работы (под руководством д.ф.-м.н. Г.Б. Стефановича и в сотрудничестве с компанией Applied Phase Transition, Inc.(АРТ), США) по теме "Лазерная и электронно-лучевая модификация свойств оксидов переходных металлов". По этой программе в этом году проходила стажировка магистров в США. Кроме того, продолжались работы по исследованию перехода металл-полупроводник и эффекта переключения в соединениях переходных металлов. По этим материалам в 1999 г. выпущено 9 печатных работ, а так же 2 статьи направлены в печать в октябре т.г. Материалы исследований представлены на конференциях: международной конференции NOLAMP-99. Конференция проходила в г. Лаппенранта (Lappeenranta University of Technology - LUT), посвященнной лазерным технологиям, 7-ой международной конференции "Физика и технология тонких пленок", (Ивано-Франковск), конференции "1999 International Conference on Strongly Coupled Coulomb Systems" во Франции.

   Усовершенствована автоматизированная экспериментальная установка для измерения параметров МДП-структур, которая в настоящее время позволяет измерять ВВФХ, I-t и C-t зависимости, определять центроид захваченного заряда и осуществлять полевые воздействия в широком интервале времен и напряжений. Создано соответствующее программное обеспечение по управлению установкой и сбору экспериментальных данных. Начата работа по созданию сетевой версии Windows - приложений типа клиент-сервер, управляющих установкой и обрабатывающих полученные данные.

   Проведено экспериментальное исследование кинетики накопления заряда и релаксации тока в МНОП-структурах в широком диапазоне напряжений на затворе и времен воздействия. Построена и программно реализована численная модель монополярной туннельной инжекции в МНОП-структурах, которая учитывает захват, выброс и перенос заряда в нитриде кремния. Выявлены особенности поведения временных зависимостей напряжения плоских зон и полного тока, рассчитанных по численной модели. Сравнение модели с экспериментальными данными показало их хорошее соответствие.

   Продолжались исследования процессов релаксации неравновесного обеднения в структурах типа МНОП с подслоями двуокиси и оксинитрида кремния при вариации напряжения на затворе, а также поведения данных структур при лавинной инжекции.

   С помощью атоматизированного комлекса, работающего в стандартах канала общего пользования (КОП), проведены пробные измерения: вольт-фарадных зависимостей МДП-структур,частотной зависимости тангенса диэлектрических потерь в диэлектриках. Показана возможность применения комплекса в качестве стенда для демонстрации принципов числовой обработки сигналов. Оптимизированы методы обработки экспериментальных результатов, получаемых из вольт-фарадных характеристик, при послойном стравливании окисла, что позволило с большей точностью получить распределение заряда в окиcном слое МДП-структур.

   Создана установка для точной регистрации параметров процесса анодного окисления.

   В течение 1998 года по специализации "Физическое материаловедение и компьютерное моделирование" проводились исследования по проблемам структуры и свойств твердых тел в следующих направлениях:

   В рамках региональной НТП "Приграничная Карелия" проводилась работа над проектом "Разработка новых декоративно-отделочных материалов и материалов с новыми потребительскими свойствами на основе отходов добычи слюды, шунгитов и других минералов". Совместно с кафедрой электронных и ионных приборов и кафедрой промтеплотехники и энергосбережения проведены исследования структуры, теплофизических и электрофизических характеристик керамоподобных материалов на основе шунгита.

    Проводилась разработка технологического способа очистки сточных вод от ионов металлов с помощью сорбции на отходах лесопромышленного производства по проекту "Разработка технологии очистки сточных вод промышленных предприятий от загрязнения тяжелыми металлами методом сорбции на отходах лесопромышленного комплекса" в рамках ХДТ с Архангельским техническим университетом и региональной НТП "Приграничная Карелия".

    В результате работы по теме "Исследование структуры шунгитов Карелии" совместно с Институтом геологии КНЦ РАН получены данные о структуре и морфологии порошков шунгитовых пород Карельских месторождений, изменении ряда свойств композиционных материалов с шунгитовым наполнителем при термическом воздействии;  продолжались совместные работы по рентгенографическому исследованию и компьютерному моделированию структуры шпинельных образований и шунгитов Карелии и изучение магнетитов и хромитов методом полнопрофильного анализа рентген-дифракционных картин. На основе результатов исследований подготовлены совместные доклады на международном симпозиуме. "Углеродсодержащие формации в геологической истории" (CFGH-98.1998, Петрозаводск), и на 18th European Crystallographic Meeting. (Praha, Chech Republic, August 16-20, 1998). Тезисы докладов опубликованы.

    Продолжаются совместные с институтом геологии КНЦ РАН исследования по изучению изменения фазового состава и микропористости непрозрачных стекол в зависимости от термообработки и состава. Результаты исследований опубликованы.

    В соответствии с соглашением о совместных научных исследованиях с НИИ электротехники (Бухарест, Румыния) и КГПУ (Петрозаводск) - "Изучение структуры анодных оксидных пленок на алюминии" - проведено изучение структуры и морфологии оксидных пленок на алюминии, сформированных в ряде электролитов.  Образцы для исследований были представлены румынской стороной. Полученные результаты обсуждены на двух встречах: в г. Петрозаводске (июль 1998 г.) и г.  Бухаресте (ноябрь 1998 г.). Стороны, участвующие в совместной работе, обсудили  результаты исследований электрофизических свойств, структуры и морфологии оксидов, обменялись научными отчетами и составили план работ на 1999 г. По результатам исследований подготовлена совместная статья.

    Продолжают развиваться структурные исследования в приоритетном направлении "Химическая технология и технология для волокнистых полуфабрикатов"(подпрограмма "Комплексное использование древесины"). Выполнялись работы по исследованию структур нативных целлюлоз различного происхождения по проекту "Исследование структур целлюлоз различных  составляющих фитомассы дерева в нативном состоянии и после различных обработок". Под выполнение работы получена финансовая поддержка в виде ХДТ с Архангельским техническим университетом. Результатам исследований докладывались на 5-th international workshop "High-temperature superconductors and novel inorganic materials engineering", (MSU-HTSC V. Moscow, Russia, March 24-29, 1998), 18th European Crystallographic Meeting. (Praha, Chech Republic, August 16-20, 1998) и III Международная научно-техническая конференция "Новые информационные технологии в ЦБП и энергетике" Петрозаводск, 1998. Совместно с институтом биологии КНЦ РАН ведутся работы по изучению структуры молекулярных образований в белковых растворах. Цикл исследований по изучению влияния неблагоприятных экологических факторов на изменение фазового состава и параметров микропористой структуры зубных и костных тканей животных по международной программе проводится совместно с физическим факультетом г. Йоэнсуу (Финляндия). Последние результаты были представлены в стендовом докладе на 18-й Европейской Кристаллографической конференции в г.Прага. Тезисы доклада опубликованы.

    Продолжались НИР по расшифровке атомной структуры и дефектности аморфных окислов Al₂O₃, Y₂O₃, SiO₂, WO₃, MnO₂, VO₂, ВТСП керамики YBCO и углеродсодержащих материалов методами рентгенографии и компьютерного моделирования. Применена теория перколяции для анализа распределения кислорода в базисной плоскости ВТСП керамики YBa₂Cu₃O_x по результатам компьютерного эксперимента. Результаты исследований были представлены на 18th European Crystallographic Meeting. (Praha, Chech Republic, August 16-20, 1998), 5-th international workshop "High-temperature superconductors and novel inorganic materials engineering", (MSU-HTSC V. Moscow, Russia, March 24-29, 1998) и на международной конференции "Проблемы преподавания математики и физики в высшей и средней школе", Петрозаводск. 20-22 мая 1998 г.

    В рамках НИР студентов совместно со специализацией "Физика полупроводников и микроэлектроника" проводились работы по изучению и моделированию структуры анодных окислов ванадия, алюминия, тантала и ниобия, а также материалов ВТСП: систем Y-Ba-Cu-O и Bi-Ca-Sr-Cu-O.

    На специализации "Микроэлектроника и автоматизация наукоемких технологий" по  проекту "Электронные процессы с участием неравновесных носителей в перспективных материалах электронной техники" (финансирование по БЗН) проводилось экспериментальное изучение фотолюминесцентных свойств нанопористого кремния. Впервые обнаружен эффект возбуждения люминесценции в нанопористом кремнии при диссоциативной адсорбции молекул озона. Обнаруженный эффект может быть использован для создания высокочувствительного анализатора для измерений концентрации озона в верхних слоях атмосферы. По результатам работы подготовлена  статья.

    Исследованы методики обработки экспериментальных результатов, получаемых из вольт-фарадных характеристик, при послойном стравливании окисла. Для этого применялись численные методы решения интегральных уравнений, что позволило с большой точностью получить распределение заряда в окисном слое МДП структур. По результатам работы подготовлена статья. Разработаны алгоритмы и написаны программы, позволяющие производить цифровую обработку сигнала. Собран автоматизированный комплекс, работающий на стандартах общего пользования (КОП). Исследованы возможности создания виртуальных измерительных приборов на его основе.

    Усовершенствовалась автоматизированная комплексная установка по определению параметров МДП-структур:
- экспрессное определение центроида захваченного заряда;
- релаксация неравновесного обеднения;
- вольт-амперные характеристики диэлектрика;
- вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов.

   Продолжалась работа над программами обработки экспериментальных данных. Изучалась электропроводность и захват заряда в МНОП-структурах с нитридом кремния с модифицированным подслоем оксинитрида. При этом определялись центроид захваченного при инжекции заряда и эффективность захвата для образцов с вариацией подслоя. Проводилось численное моделирование выше обозначенных процессов. Исследованы процессы релаксации неравновесного обеднения в структурах типа МНОП с подслоями двуокиси и оксинитрида кремния при вариации напряжения на затворе и охранном кольце, а также при разных отношениях периметр/площадь затвора.Изучалось накопление заряда в МНОП-структурах при лавинном пробое кремния при разных уровнях легирования полупроводника.

   В рамках темы "Разработка экспериментальных методик исследования микроэлектронных приборов на основе МДП-структур" создан уникальный автоматизированный стенд для комплексного исследования параметров МДП-транзисторов и конденсаторов. Разработана математическая модель корреляции спектров поверхностных состояний и флуктуаций поверхностного потенциала в МДП-структурах. По результатам работы опубликованы тезисы и статья в отечественных журналах и материалах конференций.

   Проводилась работа по электрохимическому окислению иттрия. Отработана методика получения анодных оксидных покрытий на металлическом иттрии. Исследованы кинетические процессы получения двух различных модификаций пленочного окисла. Оценены кинетические параметры, сделаны начальные эксперименты по статической проводимости пленочных металлооксидов. Получены результаты по влиянию магнитного поля на перенос зарядов при окислении переходных и редкоземельных металлов. Сделан важный вывод о переносе при окислении заряженных частиц, а не нейтральных. Результаты по электрохимическому окислению подготовлены к публикации.

   Продолжались работы по предпробойным токам в пленочных оксидах. Показан процесс формовки и трансформации электрической характеристики при циклическом приближении к предпробойному состоянию и рост проводимости. Определен механизм статической проводимости, сделаны оценки параметров электронного процесса переноса.

   Велись работы по кинетическим электронным процессам в скрещенных полях в сверхпроводящих керамиках с различной кислородной стехиометрией. Получены зависимости проводимости и холловской постоянной от температуры в диапазоне от комнатной до азотной температуры. Проведены работы по электрохимическому и газофазному управлению кислородной стехиометрией и моделированию структурных трансформаций при этом. Результаты экспериментов доложены на Всероссийской научно-практической конференции "Оксиды. Физико-химические свойства и технологии" в Екатеринбурге и на 5-th International Workshop "High-Temperature superconductors and novel inorganic materials engineering" (MSU-HTSC-V) в Москве.

   Проводились работы по автоматизации пробоя тонких диэлектрических пленок на линейно нарастающем импульсе. Разработаны схемы управления перемещением. по материалам исследования пробоя пленочных структур. Проводятся теоретические разработки по механизмам пробоя тонкопленочных структур.

   Разрабатывается проект "Тонкие пленки оксидов переходных металлов - новый материал для нанорезистов", реализующий основные научные идеи и разработки, описанные в диссертациях д.ф.-м.н. Стефановича Г.Б. и к.ф.-м.н. Пергамента А.Л., финансируется Advanced Research Project Agency USA с 15.09.97 по 15.09.99 г. в сумме 1,2 млн. американских долларов, а ученые КФТТ и студент-магистрант Величко А.А. являются основными научными исполнителями этого проекта на территории США.

   Продолжены работы по лазерной модификации окислов ванадия. Разработана методика получения пленочных окислов золь-гелевой технологией и восстановлением окисла до необходимого по соотношению катионов и анионов составу. Изучались оптические и электрические характеристики таких структур. Изучалась природа фазового перехода в окислах ванадия на пленочных сэндвичных моделях. Изучен эффект электронного управления переходом металл-изолятор. Показана роль электрического поля в фазовом переходе металл-полупроводник.

   Были получены новые важные результаты при исследовании эффекта электронного воздействия на анодные окислы (АО) V, Nb, Ta, Ti. Сравнение спектральных зависимостей коэффициентов отражения света исходных и подвергнутых электронной обработке образцов позволило оценить пороговые дозы Е_о электронного излучения для различных оксидов. Было достигнуто минимальное значение дозы (1 мкКл/см²) для окисла ванадия, полученного по разработанной методике. Исследование зависимости контраста от дозы облучения. Е_о возрастало в ряду от AOTi - AONb - AOTa.

    Развивалась физическая модель, описывающая процессы взаимодействия электронов средних и низких энергий с диэлектрическими и полупроводниковыми пленками мультислойных гетероструктур. В рамках данной проблемы решалась задача по описанию микроскопики процесса термализации горячих электронов с учетом упругого рассеяния, ионизации и неупругого рассеяния на валентных электронах, а также влияние электрического поля на распределение термализованных электронов и дырок по глубине диэлектрических пленок. Важность решаемой задачи связана с тем, что при субмикронных размерах элементов СБИС пространственная картина энерговыделения для первичных и вторичных электронов определяет пределы разрешения литографии. Для нового поколения резистов для наноструктур на основе окислов ванадия с фазовым переходом металл-диэлектрик важна диссипация энергии в области фононных энергий (< 10 эВ). Построенная физическая модель позволит прогнозировать радиационную стойкость и долговременную стабильность элементов СБИС.

   В рамках программы по созданию аппаратных, программных и сетевых средств (включая версии для INTERNET):
* для изучения МОП приборов и моделирования их деградации разработаны, созданы и зарегистрированы в ФАП два электронных учебника c доступом в INTERNET: "Технология СБИС" и "Физика и диагностика поверхности полупроводников", в настоящее время идет их опытная эксплуатация;
* для расшифровки атомной структуры вещества и ее моделирования методами
молекулярной динамики созданы текстовые файлы электронных учебников "Рентгенография кристаллов", "Структура аморфных материалов и природа дефектов в них" и "Сборник задач по микроэлектронике"
* по исследованию базовых элементов микро- и оптоэлектроники разрабатывается комплект обучающих программ по изучению физических основ микроэлектроники, включая набор виртуальных лабораторных работ с использованием технологий LabVIEW с применением виртуальных электроизмерительных приборов (амперметр, вольтметр, осциллограф, частотомер и т.д.)