Введение к работе
Актуальность темы
Государственные программы и исследовательские планы частных компаний промышленно развитых стран направлены на создание элементной базы информационных систем путем применения новых перспективных технологий и материалов. Разрабатывается проблема интеграции материалов и процессов, применяемых в микро-, нано- и биомолекулярной электронике для синтеза функциональных сред и компонентов нового поколения, устройств приема, преобразования, хранения и передачи информации.
Одним из перспективных материалов для применения в информационных системах является бактериородопсин (БР) — светочувствительный белок, характеризующийся упорядоченным расположением молекул, который, будучи встроенным в полимерные пленки толщиной от 5 нм (монослой) до десятков мкм, сохраняет свои свойства в течение длительного времени (>10 лет). БР-содержащие полимерные дленки ведут себя как фотохромные материалы и характеризуются высокими цикличностью (>10) и оптическим разрешением (-5000 л/мм)..,В технических целях БР-содержащие полимерные пленки могут быть использованы в сочетании с пленками других материалов.
Многослойные структуры, включающие слои на основе БР, перспективны для создания компонентов информационных систем, используемых в качестве пространственно-временных модуляторов света, в устройствах для записи динамических голограмм, хранения и отображения информации. Одной из задач развития информационных систем является, создание устройств нейросетевой обработки информации (нейросетевые технологии), решение которой в настоящее время зависит от формирования соответствующей элементной базы.
Реализация нейросетевых технологий в микроэлектронике осложнена применением проводников для создания межэлементных соединений, что в случае нейросистем с большим числом нейронов ведет к задержкам в линиях связи и снижению . быстродействия нейронных сетей. В результате при современных технологиях плотность связей уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между нейронами.'
Применение БР-содержащих полимерных пленок в многослойных структурах позволяет осуществлять основные нейросетевые операции оптическим способом, без проводников и промежуточных оптоэлектронных преобразований, и соединять нейроны в трехмерном пространстве. Это обеспечивает высокую интеграцию элементов, скорость преобразования и передачи информации.
Многослойные структуры, включающие слои на основе БР, могут быть использованы для создания _ устройств , .обрабртки _ информации на основе нейросетевых технологий: систем технического зрения, устройств распознавания речевых команд, акустических и других сигналов, а также в-системах управления движущимися объектами и технологическими процессами. Также перспективны новые применения указанных технологий в микроробототехнике и медицинском протезировании, интеллектуализации систем связи для предварительного анализа и сжатия информации, защите информационных сетей и коммуникаций посредством нейросетевой обработки входного и выходного сигналов.
Исследованиям в области разработки нейросетевых технологий посвящены работы Я.З.Цыпкина, А.И.Галушкина, Н.Н.Евтихиева, А.Н. Бубенникова и др., а исследованию БР-содержащих сред и их техническому применению — Ю.А.Овчинникова, В.П.Скулачева, Н.Н.Всеволодова, Н. Хампа, Р.Р.Берча. Однако в этих'работах, по понятным причинам, не представлены технические решения по построению в одном конструктиве многослойных структур, включающих слои на основе БР, и применению таких конструкций для создания компонентов информационных систем и нейросетевых технологий, не рассматриваются материалы и методы получения оптических волноводных структур, а также возможность отхода от традиционных технологий ишегральной оптики, связанных с условиями вакуума и высоких температур.
Таким образом, актуальность конструктивно-технологических исследований в области создания многослойных структур, включающих БР-содержагдие полимерные пленки, для развития информационных систем нового поколения на основе элементной базы пано- и биомолекулярной электроники вполне очевидна.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка, получение и исследование многослойных структур, включающих .слои на основе БР, пригодных для формирования компонентов информационных систем и нейросетевых технологий.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
выбор базового процесса (с учетом взаимного влияния световых потоков и БР-содержащих сред, обусловленного светозависимым изменением показателя поглощения) для формирования устройств нейросетевой обработки информации; разработка способа построения формального нейрона на основе выбранного базового процесса;
разработка конструкций многослойных структур, содержащих слои на основе БР, светоотражающие и волноводные слои (включая волноводные слои с дифракционными решетками, предназначенными для ввода и вывода оптического излучения в многослойную структуру);
разработка технологии получения прозрачных, оптически однородных суспензий БР и БР-содержащих полимерных пленок с заданными геометрическими характеристиками, оптической плотностью и динамическими свойствами;
подбор материалов и разработка технологии для создания волноводных и светоотражающих слоев;
изучение фазового состава, строения фаз и физических свойств (электропроводность, статическая диэлектрическая проницаемость, показатель преломления и др.) БР-содержащих полимерных пленок;
исследование влияния введенной примеси металлов (Си, Ва и РЬ) на строение и свойства БР-содержащих полимерных пленок;,. -t „ -.; ,..:
-разработка технологии формирования многослойных структур, обеспечивающей совместимость волноводных и БР-содержащих слоев;
- изготовление и испытание БР-содержащих полимерных пленок и
многослойных структур на их основе.
Научная новизна:
-
Теоретически обоснована и экспериментально проверена возможность формирования оптически прозрачных БР-содержащих полимерных пленок с высокой концентрацией БР.
-
Предложен метод изготовления многослойных структур, включающих слои на основе БР, для компонентов информационных систем л нейросетевых технологий,
-
Экспериментально показана возможность . получения многослойных структур, включающих слои на основе БР, волноводные и светоотражающие слои.
-
Определены функциональные характеристики БР-содержащих полимерных пленок в многослойных структурах. Исследованы изменения функциональных характеристик БР-содержащих полимерных пленок в многослойных структурах в зависимости от параметров технологического процесса.
-
Предложен способ построения формальных нейронов и осуществления нейросетевых операций в БРчюдфжащих средах оптическим способом.
-
Исследовано влияние длительного воздействия лазерного излучения и совместного воздействия лазерного излучения . и нагрева на параметры БР-содержащих пленок в многослойных структурах. -.
7:Установлено распределение примесей металлов между фазами в БР-
содержащих полимерных пленках. ,
8. Проведены теоретические и экспериментальные оценки ресурса,БР-содержащих полимерных пленок многослойных структур при различных условиях эксштуатации.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных оптико-физических и химико-технологических методов исследований, применением метрологически аттестованной аппаратуры и
приборов, анализом и учетом возможных источников погрешностей и статистической обработкой результатов измерений.
Представленные' в диссертации исследования выполнены в соответствии с
планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО
Центральный научно-исследовательский технологический институт
«ТЕХНОМАШ», по Госбюджетной теме НИОКР «Образ» (Департамент промышленности средств связи Минэкономики), а также договору № 4-980-97 с ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П.Глушко» (Российское авиационно-космическое агентство, г.Химки Московской обл.), договору №132 с ООО «Спартан» (г. Дмитров Московской обл.) и др.
На защиту выносятся:
-
Конструктивно-технологические решения по формированию многослойных структур, включающих слои на основе БР для компонентов информационных систем и нейросетевых технологий.
-
Результаты экспериментальных исследований характеристик БР-содержащих полимерных пленок в многослойных структурах в зависимости от параметров технологического процесса.
-
Результаты испытаний БР-содержащих полимерных пленок в многослойных структурах и оценка их ресурса при различных условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы
Разработана технология получения прозрачных оптически однородных БР-содержащих полимерных плёнок с заданными геометрическими характеристиками, оптической плотностью и динамическими фотохромными свойствами. Разработанная технология и полученные по этой технологии БР-содержащие полимерные пленки могут быть использованы на предприятиях, специализирующихся в области создания информационных систем для преобразования оптической информации,'в частности, в качестве реверсивной голографической среды в устройствах записи и отображения информации, интерферометрии и др.
Разработана технология получения многослойных структур, содержащих слои на основе БР,' волноводныё и светоотражающие слои. Конструктивно-технологические решения по получению многослойных структур на основе БР-содержащих'пол'имер|ных"пленок и изготовленные многослойные структуры могут быть использованы для формирования устройств нейросетевых информационных технологий, для пространственно-временной фильтрации, а также,- в устройствах протезирования фрагментов нервных тканей, в том числе сетчатки глаза.
7 Внедрение результатов работы
Материалы диссертационной работы исгользуются в следующих организациях:
1. Войсковая часть 08317 — использованы многослойные структуры,
включающие фотохромные БР-содержащие полимерные пленки, планарные
волноводы и элементы интегральной оптики (дифракционные решетки,
формируемые в плоских волноводах), для осуществления контролируемого
распределения световых потоков (локализация, плотность мощности, направление и
угол) в БР-содержащих слоях для формирования нейроподобных структур и
осуществления связей между ними. Созданные компоненты информационных
систем реализованы в оптическом, процессоре для предварительной обработки
видовой информации (сегментации изображений) космической системы «Обзор».
При испытаниях и управлении объектом 17Ф118-0 увеличена оперативность на
20—30% при подготовке информации для принятия решений. Многослойные
структуры, включающие БР-содержащие полимерные пленки, показали свою
эффективность при работе с системой АНИУК-Э.
-
ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П.Глушко» (г. Химки Московской обл.)— использована многослойная структура (ФТЯИ.203 591.001), включающая БР-содержащие полимерные пленки, планарные' волноводы и элементы интегральной оптики, для экспериментов по отработке решения задачи предварительной обработки и сжатия информации в составе макетного стенда компонентов Мюгофункциональной космической теяекоммуникационной системы «Ростелесат».
-
ООО «Механика Сплошных Сред (МСС)» (г. Королев Московской обл.) — использованы материалы для формирования оптических элементов и БР-содержащих полимерных пленок, а также технология получения многослойных структур, включающих БР-содержащие полимерные пйенки.'прйвыполнёнии работ по проекту № 474-98 «Голографическая дисдрометрия» Международного Научно-Технического Центра, для разработки образцовых метрологических средств голографической дисдрометрии. Изготовленные оптические структуры использованы в качестве образцовых средств, для метрологической аттестации топографического и лазерных дисдрометров.
-
Научно-исследовательский институт Мозга РАМН, лаборатория нейрокибернетики (г. Москва) — ' использованы многослойные структуры, включающие слои на основе : БР, для исследований опосредованного взаимодействия световых потоков в среде БР' и формирования динамических оптических структур в многослойной БР-содержащей системе . с целью моделирования процессов в сетчатке зрительного анализатора. Полученные данные позволили уточнить представления о процессах формирования рецептивных полей в сетчатке и определить способы создания искусственной сетчатки на основе БР.
8 Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по нанотехнологии, Москва (1993); Всероссийской научно-практической конференции «Новые высокие технологии и проблемы реконструкции управления и приватизации предприятий», Екатеринбург (1995); б Конгрессе «Информационные технологий, системы, коммуникации и сети», Москва (1995); 1 Научно-практической конференции «Высокие технологии производства радиоэлектронной аппаратуры», Москва (1996); Международном симпозиуме «Информационная оптика. Научные основы и технология», Москва (1997); 3—б Всероссийских конференциях «Нейрокомпьютеры и их применение», Москва (1997, 1998, 1999, 2000); 5 и 6 Международных конференциях «Высокие технологии в промышленности России», Москва (1999, 2000); 1 и 2 Всероссийских научных конференциях «Молекулярная физика неравновесных систем», Иваново (1999, 2000); Научной конференции «Механизмы структурной, функциональной и нейрохимической пластичности мозга», Москва (1999); Конференции «Новое в изучении пластичности мозга», Москва (2000); XLIX Научно-технической конференции МИРЭА, Москва (2000); XXX Всероссийском совещании по проблемам высшей нервной деятельности, С.-Петербург (2000); X и XI Международных симпозиумах «Тонкие пленки в электронике»: Ярославль (1999), Йошкар-Ола (2000).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 21 печатная работа (16 статей и 5 тезисов докладов) и 5 отчетов по НИОКР, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации '
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 119 наименований и приложений. Работа содержит 179 страниц основного текста, в котором имеется 14 таблиц и 76 рисунков.
