Анотація до роботи:

Сліпченко М.І. Фізичні основи ближньопольової НВЧ діагностики матеріалів і середовищ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Сумський державний університет, Суми, 2008.

В дисертації вирішено проблему створення загальної теорії НВЧ ближньопольової діагностики, яка необхідна для подальшого розвитку НВЧ пристроїв й систем для визначення параметрів матеріалів, середовищ і об’єктів природного та штучного походження.

У роботі запропоновано та розвинуто нові аналітико-чисельні методи і підходи дослідження резонаторних вимірювальних перетворювачів (РВП), які є перспективними для діагностики напівпровідників і діелектриків.

Вивчено фізичні особливості метрологічної взаємодії об’єктів з електромагнітним полем у ряді типів конструкцій РВП. Створено основи загальної теорії ближньопольової НВЧ діагностики.

Вперше запропоновано аналітико-чисельні методи моделювання РВП з коаксіальною вимірювальною апертурою, що відрізняються ступенем коректності постановки та розв’язку електродинамічних задач.

Розроблено та реалізовано аналітико-чисельний алгоритм, що базується на подані поля у різних частинах системи за допомогою функцій Гріна для рівнянь Максвелла і напівобертань інтегрального оператора, що формує характеристичне рівняння РВП. Розвинуто наближення заданого поля у розрізі апертури та алгоритм його використання.

Розроблено теорію та дано фізичне обґрунтування методам підвищення просторової та параметричної роздільної здатності мікрохвильової скануючої мікроскопії (МСМС) напівпровідників за допомогою коаксіальних мікрозондових РВП шляхом збільшення внеску нормальної електричної компоненти поля у порівнянні з тангенціальною. Вперше запропоновано ефективний метод підвищення просторової роздільної здатності за рахунок двоетапної комп’ютерної обробки сигналів сканування при реконструкції неоднорідностей.

Запропоновано й обґрунтовано напрямок покращення якісних характеристик РВП, у тому числі для МСМС, для чого використано складені РВП з роздільним керуванням добротністю його частин і оптимізації геометрії зонду.

Обґрунтовано аналітико-чисельний алгоритм дослідження взаємодії РВП тороїдального типу з анізотропними об’єктами та в умовах потужних НВЧ полів.

Теоретично досліджено особливості трансформації НВЧ полів середовищами з діелектричними та магнітними параметрами, які є швидкозмінними.

Розвинуто теорію та методи практичної реалізації НВЧ вологометрії сипких матеріалів у напрямку здійснення щільнісно незалежних вимірювань шляхом оптимального вибору електродинамічної структури РВП і комбінації сигналів вимірювальної інформації.

Запропоновано новий напрям НВЧ гігрометрії, у якому використовуються особливості спеціалізованих РВП, добротність яких чутлива до діелектричної проникності заповнюючого вологого газового середовища.

У дисертації вирішено проблему створення загальної теорії ближньопольової НВЧ діагностики фізичних і функціональних характеристик матеріалів, середовищ та об’єктів, розвинуто її нові напрямки, узагальнено фізичне уявлення та теоретичне подання процесів формування електромагнітного поля у РВП з апертурною і об’ємною метрологічною взаємодією та вихідних сигналів вимірювальної інформації.

У рамках поставленої мети і розв’язання зазначеної проблеми виконано такі наукові дослідження і розробки:

– розроблено ряд варіантів чисельно-аналітичного моделювання РВП з апертурною метрологічною взаємодією, що відрізняються за ступенем наближеності, і на базі отриманих результатів проведено дослідження характеристик перетворення таких РВП;

– розроблено загальну теорію первинних сигналів у ближньопольовій НВЧ мікрозондовій мікроскопії;

– вивчено фізичні особливості взаємодії плоскошарових зразків, а також зразків з анізотропних і суттєво нелінійних матеріалів та малорозмірних об’єктів з нормальними і тангенціальними складовими НВЧ електричного поля у системах з аксіальною симетрією;

– визначено залежності ФСВІ РВП Н- і Е-типу від параметрів напівпровідникових шаруватих об’єктів у широкому діапазоні їхньої зміни і від ступеня включення зразка у НВЧ поле РВП;

– встановлено нові фізичні принципи і теорію НВЧ гігрометрії і НВЧ вологометрії в ближньопольовому варіанті метрологічної взаємодії;

– теоретично досліджено підходи до оцінки сигналів вимірювальної інформації при швидких змінах електромагнітних властивостей середовища.

При цьому отримано такі результати:

1. Обґрунтовано і розроблено математичний апарат теоретичного моделювання основних різновидів РВП для НВЧ діагностики шляхом чисельного дослідження їхніх характеристик перетворення і фізичних аспектів функціонування:

– розроблено уточнений аналітико-чисельний метод оцінок комплексних значень резонансних частот електродинамічних систем з апертурною метрологічною взаємодією, що заснований на отриманні рівнянь і їх алгебраїзації методом Гальоркіна, у напрямку поліпшення обумовленості і збіжності результатів розв’язання задачі;

– створено компактний в узагальненості математичних формулювань аналітико-чисельний алгоритм із наближенням заданого поля для дослідження апертурних РВП із квазістаціонарною метрологічною взаємодією (коаксіальна вимірювальна апертура);

– розроблено та обґрунтовано аналітико-чисельний алгоритм дослідження моделей взаємодії РВП тороїдального типу з анізотропними об’єктами та в умовах сильних НВЧ електричних полів, що породжують нелінійні явища на їх поверхнях;

– теоретично досліджено особливості трансформації НВЧ полів середовищами зі швидкозмінними діелектричними і магнітними параметрами; показано перспективи використання встановлених закономірностей для розвитку НВЧ діагностики процесів, що мають швидке протікання, у напівпровідниках і діелектриках.

2. Розвинуто теорію і фізичні уявлення застосування одномодових РВП Н- і Е-типу для НВЧ діагностики напівпровідникових об’єктів:

– встановлено наявність істотної асиметрії залежності добротності та резонансної частоти РВП Н-типу від ступеня включення плоскошарового напівпровідникового зразка у НВЧ поле в порівнянні з РВП Е-типу; вплив на цю асиметрію довжини хвилі в утворюючому РВП хвилеводі на робочій частоті; розбіжність за характером і положенням екстремумів залежностей сигналів і від ступеня включення об’єкта у НВЧ поле РВП Н-типу і хороша відповідність залежностей і при цьому;

– показано можливість шляхом вибору параметра оптимізувати за критерієм чутливості добротність РВП Н-типу та нелінійність її залежності від параметрів досліджуваного об’єкта аж до зміни її знака і положень екстремумів і точок переходу через нуль;

– запропоновано нові підходи формування набору сигналів вимірювальної інформації, що забезпечують розширення багатопараметричності НВЧ діагностики, виключення або зменшення впливу факторів, що заважають, при скануванні розподілу параметрів напівпровідникових пластин по глибині.

3. Запропоновано ряд нових перспективних напрямків розвитку ближньопольової НВЧ діагностики матеріалів і об’єктів, які базуються на встановлених у результаті проведених досліджень нових особливостей взаємодії електромагнітних полів резонансних електродинамічних систем з напівпровідниковими і діелектричними об’єктами, а саме:

– напрямок підвищення чутливості і локальності мікрохвильової мікроскопії напівпровідникових матеріалів і структур, в основі якого покладено використання складених мікрозондових РВП з роздільним керуванням втрат у його частинах, та оптимізації геометрії зонда;

– уперше запропоновано і реалізовано методологію підвищення просторової роздільної здатності ближньопольової мікрохвильової мікроскопії, у якому використано двоетапний розв’язок оберненої задачі під час обробки розподілу сигналів сканування (зображення об’єкта);

– уперше сформовано новий напрямок розвитку НВЧ гігрометрії, що використовує особливості спеціалізованих РВП, добротність яких чутлива до зміни діелектричної проникності заповнюючого вологого газового середовища;

– розроблено нові методи НВЧ вологометрії сипучих матеріалів, у яких шляхом оптимального вибору електродинамічної структури РВП і комбінації сигналів вимірювальної інформації виключено вплив щільності та структури зразка.

Публікації автора:

1. Слипченко Н.И. Трансформация плоской электромагнитной волны импульсным возмущением полуограниченной области / Н.И. Слипченко, Л.Н. Шульга, О.Н. Рыбин // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2000. – № 3. – С. 22–26.

2. Слипченко Н.И. Оценка эффективности метода Трефтца при анализе электродинамических систем для СВЧ диагностики полупроводников и диэлектриков / Н.И. Слипченко, Ю.Г. Костычев, В.А. Золотарёв // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – № 1(14). – 2001. – С. 20–24.

3. Слипченко Н. И. Преобразование плоской волны периодически нестационарной диэлектрической средой / Н. И. Слипченко, Л. Н. Шульга, О. Н. Рыбин // ЖТФ. – 2001. – Т. 71, № 10. – C. 123–127.

4. Рыбин О.Н. Преобразование плоской монохроматической волны импульсно-периодической модуляцией во времени параметров безграничной среды / О.Н. Рыбин, Н.И. Слипченко // ЖТФ. – 2001. – Т. 71, № 7. – С. 7–13.

5. Slipchenko N.I. Transformation of a Monochromatic Plane Wane by the Pulse-Periodic Time Modulation of an Infinite Medium / N.I. Slipchenko, O.N. Rybin // Theor. and Math. Phys. – 2001. –
   № 7. – Р. 789–795.

6. Герасин С.Н. Управление неоднородным процессом диффузии с целью стабилизации его плотности распределения вероятностей / С.Н. Герасин, В.А. Дикарев, Н.И. Слипченко // ДАН України. – 2001. – № 4. – С. 74–76.

7. Принципы разработки емкостных датчиков влажности газовых сред / Ю.Е. Гордиенко, Ю.И. Гуд, Н.И. Слипченко, А.В. Пашков // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2001. – №2. – С. 38–41.

8. Bulakh V.I. Analytic-Technological Probe Microscopy / V.I. Bulakh, N.I. Slipchenko // Telecom. Radio Eng. – 2002. – Vol. 57, № 5. – P. 85–94.

9. Электродинамическое моделирование СВЧ резонаторных сенсоров для гигрометрии газов / Ю.Е. Гордиенко, А.В. Пашков, Н.И. Слипченко, А.А. Рябухин // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – 2002. – № 129. – С. 115–118.

10. Рыбин О.Н. Преобразование полей плоских волн при скачке параметров слоя магнитодиэлекрической свободной среды / О.Н. Рыбин, Н.И. Слипченко, Л.Н. Шульга // ЖТФ. – 2002. – Т. 72, № 12. – С. 72–78.

11. Слипченко Н.И. Моделирование влияния CHIRPING-эффекта на распространение плоской монохроматической волны в безграничном полупроводнике / Н.И. Слипченко // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2002. – № 1. – С. 4–9.

12. Письменецкий В.А. Микропроцессорный модуль выделения информационных признаков и принятия решения / В.А. Письменецкий, Н.И. Слипченко, П.И. Платонов // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – 2002. – № 124. – С. 51–54.

13. Трансформация гауссового электромагнитного импульса импульсным возмущением полуограниченной области / Н.И. Слипченко, О.Н. Рыбин, Л.Н. Шульга, Новиков Н.И. // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2003. – № 4. – C. 4–7.

14. Гордиенко Ю.Е. Развитие прямого СВЧ диэлектрического метода гигрометрии / Ю.Е. Гордиенко, Н.И. Слипченко, А.В. Пашков // Радиотехника: Всеукр.межвед.научн.-техн.сб. – 2003. – №135. – С. 206–210.

15. Слипченко Н.И. Волноводно-диэлектрические резонаторы сложной структуры. Аналитический расчет / Н.И. Слипченко // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2004. – № 3. – С. 9–13.

16. Слипченко Н.И. Расчет цилиндрического резонатора с диэлектрической вставкой сложной структуры / Н.И. Слипченко // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2004. – № 4. – С. 18–20.

17. Слипченко Н.И. Исследование влияния параметрической модуляции параметров на эволюцию электромагнитных волн в безграничной полупроводниковой среде / Н.И. Слипченко // Радиотехника: Всеукр. Межвед. научн.-техн. сб. – 2004. – № 136. – С. 120–127.

18. Азаренков Н.А. Нанонауки и нанотехнологии: современные достижения, перспективы, проблемы и задачи развития / Н.А. Азаренков, В.Д. Орлов, Н.И. Слипченко, В.Г. Удовицкий, В.И. Фареник // ФИП. – 2005. – Т. 3, № 1–2. – С. 127–146.

19. Слипченко Н.И. Математическая модель нелинейного взаимодействия СВЧ электромагнитного поля резонаторных систем с полупроводниковыми структурами. / Н.И. Слипченко // Радиоэлектроника и информатика: научн.-техн. журнал. – 2005. – № 1. – С. 9–14.

20. Слипченко Н.И. Влияние импульсной модуляции параметров на эволюцию монохроматической волны в безграничной полупроводниковой среде / Н.И. Слипченко // Радиотехника: Всеукр. Межвед. научн.-техн. сб. – 2005. – № 140. – С. 147–155.

21. Гордиенко Ю.Е. Информационное направление повышения разрешающей способности микроволновой микроскопии / Ю.Е. Гордиенко, С.И. Мельник, Н.И. Слипченко // Радиотехника: Всеукр. Межвед. научн.-техн. сб. – 2006. – № 147. – С. 157–163.

22. Слипченко Н.И. Запредельный резонатор сложной структуры с диэлектрическими неоднородностями цилиндрической формы / Н.И. Слипченко // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2006. – № 2. – С. 8–12.

23. Гордиенко Ю.Е. Одномодовые резонаторные измерительные преобразователи в общей теории СВЧ диагностики материалов / Ю.Е. Гордиенко, Ю.И. Гуд, Н.И. Слипченко, Е.Ю. Корягина // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2007. – № 2. – С. 4–8.

24. Гордиенко Ю.Е. Формирование и анализ сигналов измерительной информации при СВЧ диагностике материалов / Ю.Е Гордиенко, Е.Ю. Корягина, Н.И. Слипченко // Радиотехника: Всеукр. Межвед. научн.-техн. сб. – 2007. – № 151. – С. 239–245.

25. Слипченко Н.И. Математическая модель электродинамических систем для СВЧ диагностики анизотропных полупроводников и диэлектриков / Н.И. Слипченко // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2007. – № 4. – С. 4–11.

26. Слипченко Н.И. Алгоритм реконструкции изображений в ближнеполевой сканирующей микроволновой микроскопии / Ю.Е. Гордиенко, С.И. Мельник, Н.И. Слипченко, А.Л. Ищенко // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – 2007. – № 151. – С. 259–265.

27. Гордиенко Ю.Е. Чувствительность СВЧ резонаторных измерительных преобразователей для микроволновой микроскопии / Ю.Е. Гордиенко, Н.И. Слипченко, В.В. Петров // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. – 2007. – № 3. – С. 19–23.

28. Модель кристалла микросхем для исследования напряженных токовых и тепловых режимов / М.П. Грибский, Е.В. Григорьев, Н.И. Слипченко, В.В. Старостенко, Е.П. Таран, Д.А. Унжаков // Радиотехника: Всеукр. Межвед. научн.-техн. сб. – 2008. – № 153. – С. 158–161.

29. Slipchenko N.I. Transformation of Plane Monochromatic Wave With Pulse-Periodic Modulation in Unbounded Medium Parameter Time / N.I. Slipchenko, O.N. Rybin, L.N. Shulga // Book of Abstracts of the International Conference “Euro-Electromagnetics” EUROEM 2000, Edinburgh, Scotland, 2000. – P. 121.

30. Микроволновая сканирующая микроскопия – перспективная область нанотехнологии / Ю.Е. Гордиенко, Ю.И. Гуд, Н.И. Слипченко, А.А. Рябухин// 1-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (МРФ-2002). Сборник трудов. Ч. 2. – Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. – 2002. – С. 360–362.

31. Slipchenko N.I. Transformation of Monochromatic Wave by Pulse-Periodic Time Modulation of Parameters of Unbounded Semiconductor / N.I. Slipchenko, O.N. Rybin, L.N. Shulga // Book of Abstracts of the International Conference ICOPS 2002. Alberta. Canada. – 2002. – P. 178.

32. Слипченко Н.И. Трехзвенный волноводно-диэлектрический резонатор / Н.И. Слипченко, Н.Г. Зуев, В.И. Фареник // 10-я Юбилейная международная научная конференция «Теория и техника передачи, приема и обработки информации». Тезисы докладов. – Харьков: ХНУРЭ, 2004. – С. 360–361.

33. Гордиенко Ю.Е. СВЧ гигрометрия в технологических процесах / Ю.Е. Гордиенко, А.В. Пашков, Н.И. Слипченко // 10-я Юбилейная международная научная конференция «Теория и техника передачи, приема и обработки информации». Тезисы докладов. Ч. 1. – Харьков: ХНУРЭ, 2004. – С. 366–367.

34. Мікрохвильова мікродіагностика матеріалів електронної техніки / Ю.О. Гордієнко, Ю.І. Гуд, М.І. Сліпченко, А.А. Рябухін // Перша наукова конференція з міжнародною участю «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології». Тези доповідей. – Кременчук: ІЕНТ, 2004. – С. 7–9.

35. Slipchenko N.I. The Field Transformation of a Plane Monochromatic Wave by Layer Parameters Jump of the Magnetic and Dielectric Free Medium / N.I. Slipchenko, O.N. Rybin, L.N. Shulga // 6^th International Conference of “Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science” TCSET-2004. Lviv-Slavsko. – Ukraine, 2004. – P. 94–95.

36. Резонаторный зонд ближнеполевого сканирующего микроволнового микроскопа / Ю.Е. Гордиенко, А.А. Рябухин, Н.И. Слипченко, В.В. Ананьин // 15-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. – 2005. – С. 721–722.

37. Ryabukhin A.A. Near-field scanning microwave microscope for materials of nanotechnology investigation / A.A. Ryabukhin, Yu.Ye. Gordienko, N.I. Slipchenko, V.V. Ananyin // 2-nd International Conference on Physics of Laser Crystals. – 2005. – P.N17.

38. Слипченко Н.И. Особенности наносхемотехники для обеспечения нужд наноэлектроники / Н.И. Слипченко, Д.А. Федотов, П.Д. Федотов // 2-я Международная научная конференция «Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития». Тезисы докладов. – Харьков: ХНУРЭ, 2007. – С. 26–27.

39. Микроволновой микроскоп с программной реконструкцией изображения / Ю.Е. Гордиенко, С.И. Мельник, Н.И. Слипченко, В.В. Петров // 2-я Международная научная конференция «Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития». Тезисы докладов. – Харьков: ХНУРЭ, 2007. – С.42–43.

40. Перспективы развития микроволновой микроскопии для нанотехнологий / Ю.Е. Гордиенко, Н.И. Слипченко, С.И. Мельник, В.В. Петров // 3-я Міжнародна науково-технічна конференція «Сенсорна електроніка та мікросистемні технології» Україна, Одеса. – 2–6 червня 2008. – С. 156.

41. Декл. Патент № 71456А від 15.11.2004. Інтегральний мікрополозковий резонаторний зонд мікрохвильового мікроскопа / О.О. Рябухін, Ю.О. Гордієнко, М.І. Сліпченко.