Разработка фундаментальных подходов по управлению структурной и сенсорным откликом многокомпонентных оксидных наноматериалов, чувствительных к изменению давления окружающей среды.

РФФИ, проект  № 19-08-00924

 
Руководитель: Аверин И.А., заведующий кафедрой «Нано- и микро-электроника»
Коллектив исполнителей: Карманов А.А., Пронин И.А., Якушова Н.Д.

Цель проекта: 
Разработка фундаментальных подходов управления структурой и сенсорным откликом многокомпонентных оксидных иерархических наноматериалов с фрактальным типом пространственной организации, чувствительных к изменению давления окружающей среды, с целью создания на их основе высокочувствительных, миниатюрных, энергоэффективных датчиков вакуума.
Задачи проекта:
  1. Разработка физико-химических закономерностей формирования многокомпонентных оксидных наноматериалов на основе SiO2-Mex1Oy1-Mex2Oy2, SiO2-Mex1Oy1-…-MexmOym с фрактальной структурой в рамках золь-гель технологии (где Mex1Oy1… MexnOyn – широкозонные полупро-водниковые оксиды n- и p-типа электропроводности, включая SnO2, In2O3, ZnO и т.д.; 1,2,…,m – порядковый номер компонента).
  2. Исследование процессов самоорганизации, протекающих в много-компонентных пленкообразующих золях на основе алкоксисоединений кремния в диапазоне температур от криогенных до комнатных. Синтез многокомпонентных оксидных наноматериалов с уникальной структурой на основе золей, охлажденных до криогенных температур.
  3. Развитие методики определения концентрации и среднего размера наночастиц в многокомпонентных золях различного состава с учетом про-цессов гидролитической поликонденсации. Осуществление контроля процесса формирования исследуемых наноматериалов на ранних этапах синтеза на основе анализа данных, полученных с помощью инфракрасной спектроскопии.
  4. Комплексные исследования, направленные на установление процессов, протекающих в многокомпонентных оксидных материалах при уменьшении давления ниже атмосферного. Анализ влияния конкретных газов, содержащихся в атмосфере, в различных заряженных формах на сенсорный отклик вакуумметров.
  5. Разработка оригинальных моделей, позволяющих прогнозировать электрофизические, адсорбционные и сенсорные свойства многокомпонентных оксидных наноматериалов на основе SiO2-Mex1Oy1-Mex2Oy2, SiO2-Mex1Oy1-…-MexmOym при давлениях ниже атмосферного, а как следствие этого, сенсорный отклик датчиков вакуума.
  6. Разработка методики контроля и определения фрактальных характеристик многокомпонентных оксидных наноматериалов, обеспечивающей установление взаимосвязи между иерархической структурой образцов и их сенсорным откликом.
Область применения
Разработанные в ходе выполнения проекта научные основы формирования, а также проведенные экспериментальные и теоретические исследования электрофизических, адсорбционных и сенсорных свойств многокомпонентных оксидных наноматериалов с иерархической структурой позволят создать высокочувствительные, миниатюрные, энергоэффективные датчики вакуума, которые как планируется, по ряду своих технических характеристик будут превосходить все имеющиеся мировые аналоги. Проведенные исследования процессов самоорганизации, протекающих в многокомпонентных пленкообразующих золях на основе алкоксисоединений кремния в диапазоне температур от криогенных до комнатных, расширят фундаментальные знания о формировании иерархических структур с фрактальным типом пространственном организации из индивидуальных наночастиц. Развитие методики определения концентрации и среднего размера наночастиц в многокомпо-нентных золях различного состава с учетом процессов гидролитической поликонденсации, позволит контролировать процесс синтеза широкого спектра наноматериалов на ранних стадиях, что в перспективе обеспечит создание новых подходов не только в золь-гель технологии, но и в нанотехнологии в целом. Разработанные оригинальные модели, позволяющие прогнозировать электрофизические, адсорбционные и сенсорные свойства многокомпонентных оксидных наноматериалов, обеспечат углубленную интеграцию синергетически взаимосвязанных теорий фракталов, перколяции, адсорбции Волькенштейна и динамического хаоса. Разработанная методика контроля и определения фрактальных характеристик многокомпонентных оксидных нанома-териалов за счет совмещения экспериментального и теоретического подходов обеспечит установление взаимосвязи между иерархической структурой образцов и их сенсорным откликом. Возможно использование результатов проекта для новых практических применений в системах безопасности и мониторинга окружающей среды, необходимых для аэрокосмической отрасли, химической промышленности и нано- и микроэлектронного производства.
 
Рисунок 1 – Трехмерный фрактал Виттена-Сэндера как модель базовых элементов многокомпонентных оксидных
наноматериалов и двумерная модель Виттена-Сэндера как модель, описывающая проводящий канал.
 
 
 
 Рисунок 2 – ИК-спектры пропускания оксидных наноматериалов, полученные в рамках адаптированной для гибкой электроники золь-гель технологии.
 
 
 
 Рисунок 3 – Лабораторный образец иерархических наноматериалов с фрактальным типом пространственной организации, чувствительных к изменению давления окружающей среды
Дата создания: 10.06.2020 13:03
Дата обновления: 10.06.2020 13:05