556_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_2014_

его осуществления», выданного СибГУТИ, как патентообладателю, и авторам изобретения Г.А.Травину, Д.Е.Травину и Д.С.Травину [1].

Реализация многоцелевого самоуравновешивающегося неподвижного пустотелого твердого и жесткого кольца вокруг планеты в околопланетном космическом пространстве, прижимающегося к поверхности планеты определенной своей частью, позволяющей поднимать в любую часть кольца и возвращать с него на планету различные грузы, предоставляет очень много возможностей для решения целого ряда фундаментальных задач:

1.Создание глобальных систем и сетей космической радиосвязи, звукового и телевизионного вещания в перспективных диапазонах метровых, дециметровых, сантиметровых, миллиметровых, децимилиметровых и оптических волн путем размещения стационарных приемопередающих радиостанций по контуру кольца с обеспечением сплошного покрытия очень больших площадей, охватывающих многие страны (например, при кольце в плоскости экватора будут покрыты практически полностью северное и южное полушария), взамен (полностью или частично) дорогостоящих в создании и эксплуатации традиционных спутниковых, радиорелейных, кабельных и других систем связи с широким использованием непосредственного приема сигналов радиосвязи, звукового и телевизионного вещания. При этом открываются большие возможности для решения проблем электромагнитной совместимости;

2.Размещение по контуру кольца на разных высотах научноисследовательских станций для осуществления мониторинга поверхности планеты, околопланетного пространства и дальнего космоса;

3.Размещение на кольце площадок для запуска и посадки космических кораблей, экономически существенно более выгодных по сравнению с наземными космодромами.

Для реализации этого способа требуется тесное экономическое, научное и техническое сотрудничество высокоразвитых стран.

Литература:

1.Патент на изобретение «Способ позиционирования физических тел в околопланетном космическом пространстве и устройство для его осуществления». Авторы: Г.А.Травин, Д.Е.Травин, Д.С.Травин. Патентообладатель: ФГОБУ ВПО «СибГУТИ». Дата начала отсчета срока действия патента 23.06.2009.

К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ И УПРОЩЕНИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ДВОИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Травин Г.А. СибГУТИ, Новосибирск

Доклад посвящен обсуждению предложенного автором доклада[1] метода ФМ-УФЧ (ДФМ-УФЧ), как возможного средства повышения

221

помехоустойчивости и упрощения построения многоканальных систем передачи дискретной двоичной информации фазоманипулированными сигналами с частотным и фазовым уплотнением фазоманипулированных поднесущих.

При этом методе на передающем конце при формировании исходной (низкочастотной) сетки поднесущих частот за первую (исходную) частоту берут частоту высокостабильного звукового генератора, а каждую последующую поднесущую получают удвоением частоты и фазы соседней поднесущей меньшей частоты. Затем каждая поднесущая манипулируется по фазе посылками от своего независимого источника сообщений без специального относительного кодирования посылок сообщения.

На приемном конце опорные колебания (фазовые эталоны) для синхронного детектирования каждой информационной поднесущей получают тоже удвоением частоты и фазы соседней информационной (фазоманипулированной) поднесущей меньшей частоты с устранением не только её независимой фазовой манипуляции, но и обратной работы. Посылки сообщений получаются без относительного декодирования.

Как показывают анализ, расчеты и эксперимент, при этом методе, посуществу, реализуется классическая фазовая манипуляция ФМ (ДФМ) с её максимальной предельной помехоустойчивостью, причем с устранением обратной работы без использования специального относительного кодирования посылок и, как следствие этого, с существенным упрощением построения многоканальной системы с частотным и фазовым уплотнением фазоманипулированных поднесущих.

Многоканальная система при этом методе ведет себя как единое устройство, составные части которого (передающая сторона, приемная сторона и линия связи) жестко коррелированы друг с другом.

Литература:

1. Травин Г.А. Прием фазоманипулированных сигналов. Монография/ СибГУТИ. – Новосибирск, 2005.-157 с.: ил.

222

Секция 13

ЭЛЕКТРОННО-ФИЗИЧЕСКАЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СРЕД С МИКРОВКЛЮЧЕНИЯМИ

Агафонцев А.А. НГТУ, Новосибирск e-mail: agfn@inbox.ru

Широкий спектр современных научно-технических задач включает многомасштабность. Так, геометрическая многомасштабность присутствует в задачах исследования свойств композитных и нано-материалов, процессов, протекающих в пористых средах.

При решении таких задач классическими методами, для учета многомасштабной структуры объекта необходимо использовать достаточно подробное разбиение, что приводит к резкому росту размерности дискретной задачи. Это влечет за собой ухудшение числа обусловленности СЛАУ и значительное увеличение вычислительных затрат

Внастоящее время существует класс многомасштабных методов, которые позволяют, не увеличивая размер решаемой дискретной задачи, учесть все необходимые особенности геометрической разномасштабности среды моделирования.

Вработе многомасштабным методом конечных элементов (ММКЭ) T.Y. Hou и X-H. Wu [1, 2] решена трехмерная стационарная задача теплопроводности, описываемая уравнениями (1.1), (1.2) в области, схематично

представленной на рисунке 1, где – верхняя и нижняя, а – боковые грани области моделирования.

(1.1)

(1.2)

Рисунок – Схематичный вид области моделирования

223

Тестирование расчетной модели определения эффективной теплопроводности материалов с микровключениями произведено на основе результатов физического эксперимента для образцов, изготовленных из спеченного порошка полиметилметакрилата (оргстекла) без включений и с теплопроводными включениями в виде стальной дроби (диаметр 3 мм). Размер образцов 99х99х28,7 мм.

В работе рассмотрен ряд подходов к численному вычислению эффективного коэффициента и осуществлен выбор более точного подхода. Произведено сравнение результатов, полученных с использованием численного моделирования и аналитических формул.

Произведено распараллеливание алгоритма с использованием OpenMP. Выполнена оценка эффективности распараллеливания. Благодаря естественной параллельности метода, получена эффективность, близкая к 100%.

Литература:

1.Efendiev, Y.R. Multiscale finite element methods. Theory and application / Y.R. Efendiev, T.Y. Hou. – New York : Springer, 2009. – 234 c.

2.Hou, T.Y. A Multiscale finite element method for elliptic problems in composite materials and porous media. / T.Y. Hou, X.H. Wu // Comput. Phys.. – 1997. – 134. – С. 169-189.

ФОРМИРОВАНИЕ БИОАКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ

Беркин А.Б., Дерябина В.В. НГТУ, Новосибирск

e-mail: vera_dvv@mail.ru, тел.:.8 383 346-06-19

В мире ежегодно требуется проведение больше миллиона операций по установке или замене медицинских имплантатов. Период времени, которым ограничивается срок жизни имплантата, определяется его химической активностью в биологической среде организма. Для улучшения биологической совместимости и увеличению срока службы имплантата используется кальций фосфатное покрытие на основе гидроксиапатита (ГА) (стандарт ISO 13779_2:2008) [1].

Свойства кальций фосфатного покрытия, полученного методом ВЧ магнетронного распыления, зависят от ряда параметров технологического процесса, основные из которых: скорость напыления (мощности в разряде), давление и состав рабочего газа, расстояние мишень – подложка, расположение подложки относительно мишени при пользовании неподвижного держателя (или конструкции вращающегося подложкодержателя), температура образца в процессе напыления, величина отрицательного смещения на подложке, условия термического отжига покрытия после нанесении [2,3].

Цель проводимых исследований – исследование влияния условий проведения процесса на свойства получаемых покрытий.

224

Техника эксперимента

Процесс нанесения пленки осуществляется методом ВЧ магнетронного распыления мишени, изготовленной из ГА. Мишень для распыления изготавливалась путем прессования и последующего спекания порошка стехиометрического ГА Ca10(PO4)6(OH)2 на воздухе при температуре 900-1000 °C. Состав мишени соответствует частично дегидроксилированному поликристаллическому гидроксиапатиту (рис 1) [4]. Диаметр мишени 100-120 мм, толщина – 8- 10 мм.

Частота ВЧ генератора 13.56 МГц, мощность в разряде до 1 КВт. Остаточное давление в камере 110-3 Па. Рабочий (плазмообразующий) газ – аргон марки А. Давление аргона 0.1 - 1 Па. Образцы закреплялись на подложкодержателе, расположенном на удалении 5- 8 см от поверхности мишени.

Для исследования условий формирования кальций фосфатной пленки на алюмооксидной керамике использовались изделия, выпускаемые ОАО НЭВЗ Керамикс: пористая керамика для эндопротезирования и плотная плоская бронеплитка размерами 50х50 мм и 80х80 мм в диапазоне толщин 4-12 мм.

Образцы керамики для нанесения пленки поступали после финишного термического обжига при температуре 1500 °C от изготовителя в транспортной таре и дополнительно перед напылением не обрабатывались.

Рисунок - Мишень: а) поверхность после прессования, б) дифрактограмма СИ

Для отработки технологии напыления и методики исследования, а также в качестве свидетелей при изготовлении опытных партий использовались пластины монокристаллического полированного кремния (ГОСТ 19658, ТУ РБ

200181967.026-2002).

Результаты и обсуждение

В процессе работы происходит изменение состава мишени вследствие термической деструкции и особенностей процесса распыления (таблицы 1-3). Скорость этого процесса зависит от мощности в разряде, давления и состава газа, условий формирования мишени и температуры мишени в процессе распыления. Кроме того, как видно из таблиц, динамика этих изменений в зоне эрозии мишени (рабочая поверхность травления мишени) и вне ее отличается. Однако, при дальнейшей работе (до 50 часов) состав мишени стабилизируется, что совпадает с данными работы [5]

225

Учитывая высокую неоднородность толщины и состава наносимой пленки, зависящую от конструкции конкретного магнетрона, были проведены предварительные исследования распределения скорости нанесения пленки и ее состава (отношение Са/Р) по поверхности подложкодержателя. Рассмотрено два варианта: неподвижный и вращающийся подложкодержатель. Расстояние от мишени до образцов было 50 и 80 мм.

Таблица 1 - Химический состав мишени

Увеличение зоны равномерного роста плёнки достигается путём использования вращающегося подложкодержателя. Его использование позволило увеличить площадь области с равномерной толщиной плёнки в два раза, но при этом время, затрачиваемое на напыление плёнки соответствующей толщины, увеличилось в полтора раза (при прочих одинаковых условиях).

Таблица 2 - Состав мишени после 4.5 часов работы (20 кВ, атомные %)

Серия экспериментов по использования мишеней с разными толщинами показал, что при использовании мишени толщиной 8 мм скорость напыления плёнки в 2 раза больше чем при использовании мишени толщиной 12 мм. Это объясняется изменением величины магнитного поля, создаваемым на мишени во время напыления. Средние относительные значения толщины пленки,

226

получаемой в аналогичных условиях при разной толщине мишени, приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Зависимость скорости напыления от толщины мишени

Разброс толщины получаемых пленок в зоне эрозии составил менее 5%. Средняя скорость роста пленки напротив зоны эрозии составила 0,2 мкм/ч на расстоянии 5 см от мишени и 0,08 мкм/ч на расстоянии 8 см.

Разброс состава пленки по поверхности подложки изменяется по отношению Са/Р от 1.4 до 2.5 и зависит от режима напыления. При нанесении пленки в режимах, указанных в таблице 4, в области эрозии это отношение составляет 1.65 – 1.7, а в случае вращения – 1.95 – 2.1 независимо от материала подложки (таблица 5). Разброс составляет ~ 5% и соответствует разбросу толщины пленки.

Картирование поверхности пленки показало, что распределение химических элементов кальций-фосфатного покрытия на микроуровне однородно, отсутствуют области локализации отдельных элементов (или их окислов).

Таблица 5 — Химический состав покрытия при разных режимах напыления

Заключение

В результате проведенных исследований установлено влияние технологических параметров (расстояние мишень подложка, расположение образцов относительно мишени, толщина мишени, время работы мишени, материал подложки) на скорость нанесения и состав пленки. Полученные данные необходимы для разработки промышленного варианта технологии нанесения кальций фосфатных покрытий.

227

Литература:

1.ISO 13779_2:2008 Имплантаты для хирургии. Гидроксиапатит. Часть 2. Покрытия из гидроксиапатита ww.iso.org/iso/ru/iso…/catalogue _tc_browse.htm?

2.Структурные изменения в тонких кальций фосфатных плёнках на титане при термической обработке / Беркин А.Б., Дерябина В.В., Шарафутдинов М.Р., Карманов Н.С //Известия высших учебных заведений. Серия физическая. № 10, 2013 г стр. 17-22.

3.Технологические особенности формирования биосовместимых кальцйфосфатных покрытий наносимых методом высокочастотного магнетронного распыления /Дерябина В.В./ /XII Всероссийскую научно-техническую конференцию для студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Промышленность. Оборона» 18-20 апреля 2012 г, стр.124-125.

4.The International Centre for Diffraction Data (ICDD) Diffraction Data (ICDD), (Database Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS)). http://rapidog.com/jcpds-databaserapidshare.html

5.Boyd, A., M. Akay, and B.J. Meenan, Influence of target surface degredation on the properties of r.f. magnetron-sputtered calcium phosphate coatings. Surface and Interface Analysis, 2003. 35: p. 188198.

ОТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОАТОМНОГО ТРАНЗИСТОРА

Богомолов Б.К. НГТУ, Новосибирск

e-mail: b_bogomolov@mail.ru, тел.:. 8-923-1476330

По оценке специалистов в настоящее время в различных электронных устройствах во всём мире изготовлено и работает ~ 1020 транзисторов, т.е. на каждого человека приходится 10 млрд. транзисторов. Это самый массовый продукт. Например, за всю историю изготовлено гвоздей меньшее количество, чем транзисторов. Размеры транзистора постоянно уменьшаются. Основным процессом их формирования в настоящее время является фотолитография на основе плазмохимического травления (ПХТ). Так, в частности, изготавливаются Tri-Gate транзисторы фирмы Intel с 3D-затвором по норме 22 нм.

Рисунок

228

19 февраля 2012 года была опубликована статья Мартина Фюхсле [1], в которой рассматриваются результаты изготовления и исследования характеристик одноатомного транзистора (single-atom transistor, сокращённо SA-транзистор). Структура SA-транзистора приведена на рисунке. Обсудим проблемы изготовления такого SA-транзистора. Активный элемент SAтранзистора – это единственный атом фосфора, размещённый точно посредине между истоком и стоком с одной стороны и двумя электродами затвора, с другой на кристалле кремния. Фюхсле с сотрудниками провели это размещение при помощи СТМ (сканирующего туннельного микроскопа). Несмотря на то, что размеры активной части SA-транзистора равны диаметру атома фосфора, размеры других элементов (истока, стока и затвора) достаточно велики для атомного масштаба и могут быть изготовлены традиционным способом (фотолитографией на основе ПХТ). Поэтому такая структура SA-транзистора не даёт никаких преимуществ перед, например, 22 нм структурой КМОП транзисторов с 3D-затвором по плотности упаковки при их размещении на чипе. Только дальнейшее совершенствование процесса фотолитографии на основе ПХТ позволит технологии наноэлектроники продвигаться далее по пути увеличения плотности упаковки на поверхности чипа за счёт дальнейшего уменьшения топологических норм. Эти нормы достигнут 7 нм в 2020 году по мнению ведущего специалиста по технологии Дивендра Садана из IBM, о чём он сообщил на международной конференции в Киото. Т.о., полученные нами результаты по ПХТ кремния могут быть использованы и при формировании SA-транзистора [2,3], т.к. его миниатюризация будет осуществляться аналогично другим структурам наноэлектроники по мере совершенствовании фотолитографии на основе ПХТ.

Литература:

1.Fuechsle M., Miwa J.A., Mahapatra S., Kyu H., Sunhee J., ”A single-atom transistor”, Nature Nanotechnology, 2012, v.7, p.242-246.

2.Богомолов Б.К. Плазмохимическое травление кремния. Препринт № 03, Новосибирск, Изд. НГТУ, 2003. 64 с.

3.Богомолов Б.К. Проблемы ПХТ Si при формировании 3D структур (технология Tri-Gate нанотранзисторов) // 11ая Междун. конф. Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП 2012, том 2, 2-4 октября, Новосибирск, Изд.НГТУ, 2012. – с.31-36.

4.Ссылка на биографические данные, представленные в сетевой энциклопедии “Учёные России”: http://www.famous-scientists.ru/5866

229

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПЛАНАРНЫХ ПЛЁНОЧНЫХ РЕЗИСТОРАХ

Богомолов П.Г., Рубанович М.Г. НГТУ, Новосибирск

e-mail: mihail-nstu@mail.ru

В работе предложен и обоснован метод моделирования электромагнитных процессов в планарных плёночных резисторах большой мощности. Составлена двумерная эквивалентная схема, адекватно описывающая поведение плёночного резистора в широкой полосе частот.

Анализ литературы и известного измерительного оборудования показывает, что наиболее конструктивными, технологичными и широкополосными являются аттенюаторы, выполненные на основе планарных плёночных СВЧ резисторов большой мощности. При реализации мощных оконечных микрополосковых нагрузок и каскадных аттенюаторов используются отдельные тонкопленочные резистивные элементы, скомпонованные на общем радиаторе и соединенные между собой соответствующим образом для обеспечения требуемой мощности рассеяния. Как правило, до настоящего времени пленочные резистивные элементы рассчитывались на основе одномерной модели линии передачи с ярко выраженными распределёнными по ее длине диссипативными потерями, что не позволяло учитывать известный факт неравномерного распределения высокочастотного тока по поперечному сечению. Между тем, учет реального неравномерного распределения тока (вытеснение его на край резистивного слоя с ростом частоты) позволяет более адекватно оценить в широкой полосе частот импеданс пленочных резисторов и коэффициент стоячей волны по входу KСТU для оконечных нагрузок и аттенюаторов в целом.

В общем случае ток, протекающий по резистивной плёнке (рисунок 1), обусловлен составляющей Et напряженности электрического поля и может быть охарактеризован плотностью протекающего по резистивной плёнке тока:

(1)

Далее запишем уравнение, определяющее взаимодействие стороннего электрического поля и наведенных электрических и магнитных полей в планарном пленочном резисторе:

Уравнение (2) описывает замыкание тока проводимости током смещения на внешний источник электрического поля через конечную площадь подложки.

230