Основные результаты
законченных фундаментальных и прикладных исследований
за 2002 год

Механика, машиноведение и управление

Разработаны теоретические методы решения задач механики деформируемого твердого тела с учетом взаимодействия его внутренней дефектной структуры с упругим полем напряжений материала. Показано, что формирование поверхностных слоев, в которых обеспечивается компенсация поля дефектов, позволяет создавать материалы с заданным внутренним напряженным состоянием.

Изучены условия возникновения и закономерности распространения поверхностей сильных разрывов обратимых деформаций в материалах, подвергнутых интенсивному формоизменению. Поставлены и решены новые задачи ударной нагрузки и разгрузки деформируемых тел.

Разработана топология (рис.1) томографической измерительной системы. Созданы оптоволоконные чувствительные элементы с фазовой чувствительностью и стабильными характеристиками для исследования акустических полей. Произведено экспериментальное исследование акустического поля с помощью волоконно-оптической измерительной системы с использованием нейронной сети для обработки полученных данных. Исследован эффект фильтрации шумов при помощи динамических голограмм, записанных в фоторефрактивном кристалле.

Предложен новый способ инерциальной навигации, ориентированный на оптический метод измерения абсолютного ускорения движущегося объекта; исследована задача комплексирования этого метода с традиционным методом измерения кажущегося ускорения и проведены аналогии с задачей высотной коррекции инерциальной навигационной системы (ИНС), на основании которых сформулированы требования к приемлемым точностным характеристикам оптического метода; сделаны заключения об устойчивости динамической группы уравнений работы ИНС нового типа.

Рис. 1. Макет волоконно-оптической распределенной измерительной системы.

Разработаны методы синтеза системы с сигнальной самонастройкой по эталонной модели и системы с переменной структурой для управления скоростью и положением сложного нелинейного объекта (подводного аппарата) в условиях неопределенности и переменности его параметров при произвольном задающем сигнале. Выполнен анализ влияния неидеальностей управляющих устройств и исполнительных элементов на работу синтезированных систем с разрывным управлением. Определены условия существования режима переключений и предложены способы повышения качества функционирования таких систем, в том числе метод адаптивной настройки поверхности переключения. Разработаны алгоритмы контроля датчиков подвижных объектов на основе нечеткой логики.

Разработаны базовые принципы создания методов, алгоритмов и программных комплексов поддержки принятия решений в задачах автоматизации проектирования на системах параллельной обработки. Основное внимание было уделено созданию параллельных алгоритмов многовариантного анализа и оптимизации в задачах надежностного проектирования. Разработан параллельный аналог метода статистических испытаний, на основе которого реализованы процедуры вычисления показателей параметрической надежности аналоговых технических систем.

Предложена технология поэтапного диагностирования технического состояния объектов теплоэнергетики (ОТЭ), основанная на использовании результатов измерений основных параметров функционирования ОТЭ в реальном времени. Решены задачи тестового диагностирования ОТЭ относительно конкретных классов физических и поведенческих дефектов.

Исследована традиционная модель оценки технического состояния элементов высоковольтного оборудования (ВВО) на основе измерения так называемого "кажущегося заряда". Показано, что неопределенность этой модели может достигать нескольких порядков. Разработана методика регистрации собственных электромагнитных излучений (ЭМИ) ВВО с целью его ранней диагностики под рабочим напряжением. Показано, что регистрация и анализ ЭМИ ВВО в широком диапазоне частот - высокоинформативный способ оценки технического состояния ВВО, который может применяться как дополнение к методам, регламентированным соответствующими нормативными документами.

Информатика

За счет использования временных последовательностей спутниковых изображений, контурного представления исходного растра и применения метода релаксационной разметки разработан контурно-релаксационный метод определения ветра водяного пара, который дает существенно лучшие результаты, чем традиционно применяемый в последнее время в мировой практике метод перекрестных корреляций.

Для приема цифровых данных геостационарных спутников Земли на антенну с уменьшенным диаметром отражателя под управлением операционной системы общего назначения созданы программно-технические средства приема спутниковых данных с алгоритмами коррекции ошибочных бит, основанные на использовании циклически избыточного контроля и алгоритмов фильтрации. В результате их применения уровень шумов снижается до эталонного уровня. Получена зависимость критической скорости ввода данных в компьютер от размера используемого буфера ввода.

Разработана технология включения информационных ресурсов Межинститутского спутникового центра при ИАПУ ДВО РАН в мировые поисковые системы наблюдения за Землей. Центр и данные зарегистрированы в международной системе регистрации данных GCMD (Global Change Master Directory). Получено согласие от Европейского космического агентства и идет интеграция информационных ресурсов Центра с Европейской информационно-поисковой системой INFEO.

Исследован и реализован новый подход к выделению пожаров по спутниковым данным в Межинститутском спутниковом центре при ИАПУ ДВО РАН, предложенный итальянскими учеными и основанный на исследовании динамических изменений предполагаемых очагов возгораний. Адаптированный к районам Дальнего Востока новый подход позволил уменьшить в несколько раз количество ложных очагов пожаров по сравнению с результатами работы методов, которые используются в России в настоящее время.

Дано новое определение понятия "онтология предметной области", разработан класс математических моделей для представления моделей онтологий, определены отношения между онтологиями предметных областей как отношения между их моделями, разработаны модели онтологии предметных областей "Органическая химия", "Оптимизация последовательных программ" и "Физическая химия". На основе последних двух моделей созданы версии интеллектуальной обучающей системы по физической химии и инструментальной моделирующей экспертной системы оптимизации программ, разработана модель онтологии предметной области "Медицинская диагностика", в терминах которой построены базы знаний различных разделов медицины, используемые для обучения студентов медицинских специальностей.

Проведен модельный анализ последствия оптимального (обеспечивающего максимальный уравновешенный улов) управления на промысловые популяции с возрастной структурой. Подробно исследованы важные частные случаи: модель динамики численности многовозрастной популяции, в которой после размножения все особи погибают; а также модель популяции с однородным репродуктивным стадом. Показано, что оптимальная доля изъятия не зависит ни от стратегии промысла, ни от возрастной структуры. В случае с многовозрастной моделью она зависит только от репродуктивного потенциала, а для модели популяции с однородным репродуктивным стадом еще и от коэффициента выживаемости после размножения.

Модель многовозрастной промысловой популяции адаптирована для описания динамики уловов двух видов тихоокеанских лососей: нерки и горбуши. Показано, что предложенная модель адекватно описывает реальную динамику уловов, а также пригодна для краткосрочного прогнозирования. Модель промысловой популяции с однородным репродуктивным стадом адаптирована для описания динамики численности заготовок водяной полевки и уловов полевки-экономки. Предложенная модель адекватно описывает динамику заготовок водяной полевки. Для описания динамики уловов полевки-экономки требуется включение параметров, характеризующих среду обитания.

Разработано XML совместимое представление формата данных, описывающих программу, которое позволяет совмещать термины алгебры множеств, необходимые для описания сетей Петри, и термины императивных языков программирования, необходимые для описания и преобразования данных. Разработана схема транслирования параллельных программ, описанных сетями Петри, в программы, исполняемые процессами традиционной архитектуры.

Физика конденсированных состояний вещества

Разработана топология томографической измерительной системы. Созданы оптоволоконные чувствительные элементы с фазовой чувствительностью и стабильными характеристиками для исследования акустических полей. Произведено экспериментальное исследование акустического поля с помощью волоконно-оптической измерительной системы с использованием нейронной сети для обработки полученных данных.

Для изучения процесса поверхностной диффузии на поверхности Si(111)7 7 формировалась полоска золота толщиной около 10 МС осаждением адсорбата при комнатной температуре (рис. 2а). Отжиг при 900?C приводит к расширению в направлении перпендикулярном к границам полоски (рис. 2б). При этом картины дифракции медленных электронов (ДМЭ) показывали различные поверхностные структуры: 3 3, 3 3+5 2, 5 2 и 7 7. Следует особо отметить, что ДМЭ картина поверхностной фазы Si(111)5 2-Au показывает однодоменную структуру (рис. 3а). Это свидетельствует о том, что в результате двумерной эпитаксии на поверхности формируется монокристаллическая поверхностная фаза.

(а)         (b)
Рис. 2. Схема формирования полоски золота на подложке кремния.

При напылении 0,5 МЛ золота через маску и последующем прогреве образца при температуре 900oC на поверхности кремния формируется поверхностная фаза Si(111)5 2-Au методом обычной твердофазной эпитаксии. На рис. 3 (б) показана картина ДМЭ от такой сверхструктуры. Эта поверхностная фаза, в отличие от предыдущего случая, является трехдоменной. Для измерения поверхностной проводимости кремниевой подложки с поверхностными фазами кремний-золото была разработана и изготовлена четырехзондовая головка с пропусканием прямого тока, адаптированная для проведения электрических измерений в условиях сверхвысокого вакуума.

(a)         (б)
Рис. 3. Картины ДМЭ трехдоменной (а) и однодоменной (б) поверхностной фазы Si(111)5 2-Au. Энергия электронов 62 эВ.

Для двух вышеописанных способов формирования поверхностной фазы Si(111)5 2-Au были проведены измерения поверхностной проводимости. Проводимость поверхности образца в направлении перпендикулярном полоске золота показана на рис.4. Во время отжига золотой полоски (с покрытием золота около 10 МС) происходило ее расширение с формированием различных поверхностных фаз с субмонослойными покрытиями по краям полоски. Профиль проводимости показывает различные области, соответствующие отдельным поверхностным фазам. В области образца, где наблюдается сверхструктура 5 2, существует плато на кривой проводимости в результате формирования упорядоченной однодоменной поверхностной фазы Si(111)5 2-Au с концентрацией Au 0,5 МС. Когда осаждали 0,5 МС золота на поверхность Si(111)7 7 при комнатной температуре и затем отжигали подложку при 900oC, на поверхности формировалась трехдоменная поверхностная фаза Si(111)5 2-Au и проводимость образца с такой структурой также представлена на рис.4. Из рисунка видно, что поверхностная проводимость однодоменной Si(111)5 2-Au фазы, сформированной поверхностной диффузией, выше проводимости образца с трехдоменной Si(111)5 2-Au фазой, сформированной твердофазной эпитаксией, примерно в 5 раз. Этот эксперимент ясно показывает, что однодоменная поверхностная фаза обладает значительно большей проводимостью по сравнению с трехдоменной. Это явление можно объяснить следующими причинами. В случае однодоменной поверхностной фазы число доменных границ меньше по сравнению с трехдоменной. Как известно, доменные границы действуют как рассеивающие центры для носителей заряда и, если поверхность содержит большее число доменных границ, проводимость уменьшается.

Рис. 4. Изменение поверхностной проводимости после расширения полоски золота вследствие поверхностной диффузии. Области существования поверхностных фаз указаны на основании наблюдений картин ДМЭ. Проводимость образца после формирования трехдоменной поверхностной фазы Si(111)5 2-Au также показана.

Изучен процесс образования нанокластеров на ранних стадиях осаждения алюминия на поверхность Si(111)7 7. Показано, что напыление алюминия при температуре подложки от 475 до 600оС приводит к формированию совершенной сверхрешетки идентичных нанокластеров (рис. 5). Атомная структура кластеров показана на рис. 6: каждый кластер содержит 6 атомов металла, связанных с тремя атомами кремния. Анализ полученных и опубликованных данных показывает, что ранние стадии напыления всех металлов III группы демонстрируют тенденцию к формированию упорядоченных массивов идентичных нанокластеров на поверхности кремния.

Рис.5. Упорядоченный массив (47нм 43нм) идентичных нанокластеров Al (Al magic clusters), полученных напылением ~0.35 монослоя Al на поверхность Si(111)7 7 при 575оС.

Рис.6. СТМ изображение нанокластеров Al (а) в заполненных и (b) в незаполненных состояниях. (с) Модель атомной структуры нанокластера Al. Атомы Al показаны серыми кружками, атомы Si белыми кружками.

Показано, что при взаимодействии атомарного Н с поверхностной фазой Si(100)c(4 12)-Al атомы Н замещают атомы Al. Высвободившиеся атомы Al в результате процесса самоорганизации образуют островки Al нанометрового масштаба. Благодаря ориентирующему действию подложки, островки представляют собой совершенные кристаллиты алюминия, ограненные плоскостями (111) и (100) (рис. 7).

Исследовано самоформирование наноразмерных островков полупроводниковых силицидов Cr, Fe и Mg на Si(111). Определены размеры и плотность островков. В электронной структуре образцов с захороненными наноразмерными островками силицидов обнаружены новые межзонные переходы в диапазоне энергий 0.9-1.5 эВ. В системе Si/ -FeSi2/Si обнаружено формирование двух дырочных уровней (0.15 эВ и 0.28 эВ от потолка валентной зоны -FeSi2), которые могут быть связаны с квантовым ограничением дырок в островках -FeSi2. Научная значимость полученных результатов заключается в демонстрации возможности формирования наноразмерных кластеров полупроводниковых силицидов и влияния квантоворазмерного эффекта на электрические свойства приборных наноструктур.

Рис.7. Квази-3D СТМ изображение нанокристаллита Al, сформировавшегося в результате процессов самоорганизации при взаимодействии атомарного водорода с поверхностной фазой Si(100)c(4 12)-Al.

Исследовано формирование и электрические свойства неупорядоченных слоёв Fe на поверхностной фазе Si(111)-[( 3x 3)/30 ]-Cr. Показано, что поверхностная фаза Si(111)-[( 3x 3)/30 ]-Cr является диффузионным барьером для атомов кремния; осаждение Fe на поверхностную фазу Si(111)-[( 3x 3)/30 ]-Cr при малых покрытиях приводит к легированию поверхностной фазы атомами железа; при увеличении толщины слоя Fe происходит зарождение и рост островков металлического железа без формирования неупорядоченного силицида; проводимость по двумерному слою железа начинается с толщин (0.8 нм) и характеризуется следующими объёмными параметрами (концентрация дырок 6.2 1020 см-3, подвижность 320 см2/В сек, объемное удельное сопротивление 40 мкОм см). Рассчитанные величины соответствуют металлической проводимости по двумерному железу с учетом квантово-размерного эффекта. Научная новизна полученных результатов заключается в получении сверхтонких проводящих слоев железа и определении их электрических параметров в условиях сверхвысокого вакуума.

Изучена реакция модифицированной бором поверхности кремния Si(100) по отношению к адсорбции воздуха и последующему отжигу. Найдено, что эта поверхность инертна к молекулярным формам газовых компонент воздуха, но проявляет повышенную активность к "возбужденным" формам: присутствие бора на поверхности стимулирует адсорбцию азота, который при последующем прогреве вступает с ним в реакцию и образует островки нитрида бора.

Разработана новая методика выращивания нанослоев переходных металлов на монокристаллическом кремнии без области перемешивания на границе раздела. Реализован энергетический и кинетический режим роста, при котором минимизировано перемешивание на границе раздела (рис. 8). Впервые получены нанослои Cr и Co (d = 3-10 A) с удельным сопротивлением ( = 7-20 мкОм см), характерным для массивных металлов.

Рис. 8. Зависимости интенсивности пиков Co (1) и Si (2) в оже-электронных спектрах от толщины пленки Co, выращенной при различных параметрах осаждения: (а) - рост с формированием силицида, (б) - рост без формирования силицида. Кривые, показанные сплошной линией, соответствуют идеальному росту пленки металла без перемешивания и формирования силицида. В случае (б) быстрое спадание интенсивности пика от подложки кремния показывает, что реализуется идеальный рост пленки переходного металла при толщине 6-10 A.

Исследовано формирование границы раздела Yb/Si(111) при комнатной температуре методами электронной спектроскопии и сверхвысоковакуумных электрических холловских измерений. Установлено, что этот процесс можно разделить на пять этапов: двумерный рост металлического Yb; перемешивание и образование двумерного силицида Yb; формирование трехмерных островков; зарастание островков двумерным металлом; коалесценция и формирование протяженного металлического слоя. Показано, что наблюдаемые осцилляции проводимости, подвижности и концентрации основных носителей заряда в пленке связаны с переходом от полупроводникового к полуметаллическому типу проводимости (рис.9). Металлическая проводимость в сплошных пленках Yb наблюдается с толщины в 13 монослоев и характеризуется удельной проводимость 16 мкОм cм.

Рис. 9. Проводимость, подвижность и концентрация основных носителей заряда в системе Yb на Si(111) в зависимости от покрытия иттербия.