Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка нового поколения ультра-легких/тонких проводящих материалов на основе графена и наноразмерных форм углерода для микроволновых и ТГц устройств

Докладчик: Клочков Анатолий Яковлевич

Должность: Помощник ректора РТГРТУ, доцент, кандидат технических наук

Цель проекта:
Целью данного проекта является получение значимых научных результатов в области использования новых типов наноматериалов: (а) ультра-легких: пены и аэрогели, либо (б) ультратонких: графен, нанометровые пленки пиролитического углерода и углеродных нанотрубок, сэндвичи полимер/графен в электромагнитных приложениях в СВЧ и ТГц диапазонах частот, что позволит перейти к созданию новых видов научно-технической продукции в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Индустрия наносистем».

Основные планируемые результаты проекта:
Основная задача - сравнительный анализ эффективности электромагнитной экранировки в микроволновом диапазоне и оптических/электромагнитных характеристик в ТГц области частот, обеспечиваемых двумя типами углеродных материалов:
(а) ультра-легкие (углеродные пены, мезо- и аэрогели, плотностью и размером пор которых можно в процессе синтеза управлять независимо). Плотность таких структур лежит в диапазоне от 0.02 до 0.2 г/см3. Пористость - от 60 до 98%.
(б) ультратонкие (многослойный графен; монослои графена, разделенные слоями полимера; пиролитический углерод; пленки из углеродных одностенных, двустенных и многостенных нанотрубок , в том числе химически модифицированных).
 Углеродные пены, аэрогели и графено-подобные тонкие пленки будут исследованы методами диэлектрической спектроскопии в низкочастотном диапазоне (20 Гц – 1 МГц), а также в микроволновом диапазоне частот (26 ГГц – 37 ГГц) и в терагерцах (0.2 - 3 ТГц). Будут проанализированы спектральные особенности дисперсии и поглощения, анизотропия характеристик в различных частотных диапазонах, в том числе в квазистатическом режиме, а также установлена взаимосвязь между ЭМ свойствами исследуемых образцов и их структурой. Будет проведена экспериментальная проверка механизмов, ответственных за перенос заряда в пленках и в углеродных пористых структурах.
 Будут модернизированы численные методы для интерпретации полученных результатов и восстановления эффективных диэлектрических свойств исследуемых образцов в микроволновом частотном диапазоне (26-36 ГГц) по измеренным S-параметрам, в частности, будут учтены геометрические особенности пор.
 Рассматривая углеродные пены как случайно-неоднородную среду, с учетом размера и несферичности пор, будет построена теоретическая модель для моделирования их электромагнитного отклика. Будут проведены численные оценки эффективной концентрации и массы наполнителя (например, в случае многостенных УНТ, где эффективная концентрация и масса зависит от количество слоев МУНТ, принимающих участие во взаимодействии с электромагнитным полем).
 Будут проведены спектроскопические измерения оптических свойств пленок из УНТ при разной степени их химической обработки для определения абсолютного значения частоты туннелирования электронов на контактах между соприкасающимися трубками.
 Будут исследованы влияние длины нанотрубок на морфологические свойства (размеры пор, однородность) пленки из нанотрубок, а также ее проводимость и ЭМ экранировку.
 Будет построена теоретическая модель и проведены теоретические расчеты для описания оптических свойств тонких пленок углеродных нанотрубок. Теоретические результаты будут сопоставлены с полученными экспериментальными данными. Будут сформулированы рекомендации по оптимизации параметров трубок и процесса их изготовления для получения пленок с заданными электрическими, электромагнитными и оптическими свойствами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Графено-подобные тонкие пленки и углеродные пены/аэрогели, благодаря их уникальным свойствам - (i) непрозрачные для микроволнового и ТГц излучения, (ii) хорошо проводящие, (iii) ультратонкие и гибкие (пленки) или ультра-легкие (углеродные пены) - могут широко использоваться при производстве материалов для электромагнитных приложений. Так, большой интерес вызывает применение тонких пленок в качестве конформного материала для структурно интегрированных радиочастотных антенн, а также материала для компонентов электрических и оптических приборов. Развитие техники эквивалентных электрических цепей, необходимой для дальнейшей разработки материалов с контролируемыми свойствами, используя проектно-оринтированные подходы, и создание «умных» ЭМ материалов подпадают под объявленные РФ приоритеты (Безопасная, чистая и эффективная энергия). Результаты предлагаемого исследования могут найти применение при создании детекторов микроволнового и терагерцового излучения, а также для минимизации вредного влияния излучения на приборы в наноэлектронике и микроэлектронике, и на человека при создании легких гибких экранирующих покрытий.

Текущие результаты проекта:
1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, касающейся создания электромагнитных материалов, эффективно взаимодействующих с излучением субмиллиметрового - сантиметрового диапазонов частот, на основе различных углеродных и графено-подобных наноструктур и пористых форм углерода.
1.2 Проведение патентных исследований по использованию наноматериалов в электромагнитных приложениях в ТГц диапазоне частот в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96
1.3. Разработка теории расчета оптических свойств тонких пленок из углеродных нанотрубок различных модификаций (функционализированных и допированных одностенных нанотрубок и пучков из них).
1.4. Разработка Программы и методик экспериментальных исследований электромагнитных свойств ультратонких проводящих материалов в соответствии с п. 3.12 ТЗ
1.5 Разработка методики синтеза пленок пиролитического углерода.
1.6. Разработка оптимизированного метода “ломки” нанотрубок в кислоте под действием ультразвука до размеров 50 - 200 нм при слабом повреждении их структуры и разработка методики получения коротких УНТ без существенной деградации их электронной структуры.
1.7. Разработка методики получения однородных пленок из УНТ толщиной 50-500 нанометров, в том числе химически модифицированных.