Прямые и обратные задачи оптики тонких пленок и нанопокрытий

Краткое описание проекта

Проект направлен на разработку новых методов решения обратных задач, связанных с созданием наиболее сложных многослойных покрытий для оптики и оптоэлектроники, и на суперкомпьютерное моделирование процессов роста тонких пленок и покрытий. Первое направление имеет большое прикладное значение, поскольку исследования по нему направлены на разработку эффективных методов контроля процессов напыления покрытий с большим числом слоев. Разработка методов решения обратных задач имеет принципиальное значение для создания новых прорывных элементов оптических и оптоэлектронных технологий. Второе направление имеет фундаментальное значение для понимания процессов получения тонких пленок и покрытий и, в конечном итоге, также способствует развитию прорывных современных технологий.

При выполнении проекта с помощью суперкомпьютерного  атомистического молекулярно-динамического моделирования исследована зависимость величин напряжений в пленках диоксида кремния от их толщины на начальной стадии роста пленки. Показано, что в плотных пленках, полученных нормальным осаждением, напряжение является сжимающим и незначительно изменяется с ростом толщины пленки. Напряжение в пористых пленках, напыленных под большим углом между направлением потока атомов и нормалью к поверхности, в несколько раз ниже, чем напряжение в плотных пленках, изменяется от напряжения сжатия до напряжения растяжения с увеличением толщины пленки. Выявлена существенная анизотропия компонент тензора напряжений для пористых пленок. 

Разработан комбинированный метод исследования оптической анизотропии пористых тонких пленок, полученных осаждением под большим углом между направлением потока осаждаемых атомов и нормалью к поверхности. Метод применен к расчету параметров структурной и оптической анизотропии пленок стеклообразного диоксида кремния и диоксида титана.

Разработаны принципиально новые нелокальные алгоритмы решения обратных задач контроля толщин слоев напыляемых многослойных покрытий. Эти алгоритмы названы нелокальными поскольку в отличие от традиционных алгоритмов они используют всю экспериментальную информацию, накапливаемую в процессе напыления слоев покрытий. Это позволяет существенно повысить устойчивость решения обратных задач с использованием новых алгоритмов.

Впервые исследована корреляция ошибок в толщинах слоев при монохроматическом контроле процессов напыления многослойных оптических покрытий. Показано, что корреляция ошибок сильно зависит от выбора алгоритма, используемого для определения времени остановки напыления очередного слоя покрытия. Для оценки степени коррелированности ошибок предложен подход, развивающий идеи, использованные ранее при исследовании корреляции ошибок в системах напыления с широкополосным оптическим контролем.

Перечень публикаций, подготовленных при поддержке проекта (2020 г.):

1. Grigoriev F. V., Sulimov V. B., Tikhonravov A. V. Application of a large-scale molecular dynamics approach to modelling the deposition of TiO2 thin films.  Computational Materials Science, Q1, принята в печать. 
2. Grigoriev F. V., Sulimov V. B., Tikhonravov A. V. Combined Modeling of the Optical Anisotropy of Porous Thin Films // Coatings 2020, 10, 517; doi:10.3390/coatings10060517.  Q2.
3. Grigoriev F. V., Sulimov V. B., Tikhonravov A. V. Atomistic Simulation of Stresses in Growing Silicon Dioxide Films // Coatings 2020, 10, 220; doi:10.3390/coatings10030220. Q2.
4. И. В. Кочиков, Ю. С. Лагутин, А. А. Лагутина, Д. В. Лукьяненко, А. В. Тихонравов, А. Г. Ягола. Устойчивый метод оптического контроля процесса напыления многослойных оптических покрытий. Журнал вычислительной математики и математической физики, 2020, том 60, № 12, с. 181–189. Q2.
5. Sulimov A. V., Kutov D.C., Grigoriev F. V., Tikhonravov A. V., Sulimov V. B. Generation of Amorphous Silicon Dioxide Structures via Melting-Quenching Density Functional Modeling. Lobachevskii Journal of Mathematics, 2020, Vol. 41, No. 8, pp. 1581–1590. Q2
6. Kochikov I.V., Sharapova S.A., Yagola A.G., Tikhonravov A. V. Correlation of errors in inverse problems of optical coatings monitoring. J. Inverse Ill-Posed Probl. 2020.
7. Grigoriev F. V., Sulimov V. B., Tikhonravov A. V. Stress distribution in highly porous SiO2 films: results of the molecular dynamics simulation. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series (2020).
8. Grigoriev F. V., Sulimov V. B., Tikhonravov A. V. Anisotropy of glancing angle deposited films: results of atomistic simulation. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series (2020).
9. А. В. Тихонравов, И. В. Кочиков, Ю. С. Лагутин, А. А. Лагутина, Д. В. Лукьяненко, С.А. Шарапова,  А. Г. Ягола. Корреляция ошибок при монохроматическом контроле процессов напыления оптических покрытий // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. 2020. [подписана в печать]
10. А. В. Тихонравов, И. В. Кочиков, Ю. С. Лагутин, А. А. Лагутина, Д. В. Лукьяненко, С.А. Шарапова,  А. Г. Ягола. Сравнительный анализ свойств алгоритмов решения обратных задач, связанных с монохроматическим контролем процессов напыления оптических покрытий // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2020. [подана в журнал]