Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование однослойных низкоразмерных углеродных наноструктур с контролируемыми электронными свойствами.

Докладчик: Митюхляев Виталий Борисович

Должность: ведущий научный сотрудник, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Разработка и исследование низкоразмерных углеродных наноструктур на основе легированного графена и одностенных углеродных нанотрубок, содержащих одномерные кристаллы, с возможностью прецизионного локального контроля электрофизических характеристик и целью создания новых материалов наноэлектроники и электротехники. Основной задачей исследований является разработка методологии направленного изменения электронной структуры одностенных углеродных нанотрубок и графена путем химической модификации углеродных наноструктур. При этом в случае нанокомпозитов на основе одностенных углеродных нанотрубок модифицирующий агент будет интеркалирован во внутренний канал нанотрубок. Модификация углеродных структур электрон-донорными или акцепторными веществами энергия Ферми которых лежит заметно выше или ниже уровня Ферми π-сопряженной системы орбиталей наноструктур углерода позволит направленно изменять положение уровня Ферми, плотность состояний и количество носителей заряда. Для модификации поверхности одностенных углеродных нанотрубок будут использованы соединения класса ABn, где (А – 3d или 4f металл; B –галоген или халькоген), например: А = Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Pb, Tb; B = Cl, Br, I, S, Se, Te, обладающие достаточно низкими температурами плавления (менее 1000 °С) для заполнения внутреннего канала ОСНТ методом капиллярного внедрения из расплавов. Формирование модифицированных наноструктур на основе графена будет осуществлено с использованием элементов первой группы периодической системы в качестве допирующих агентов. Для установления влияния электронных свойств модификаторов на электронные свойства нанокомпозитов и установления природы взаимодействия между допирующим агентом и углеродными наноструктурами будет использован комплекс методов характеризации структуры и электронных свойств материалов, включая просвечивающую и растровую электронную микроскопию высокого разрешения, локальный рентгеноспектральный микроанализ, спектроскопию потерь энергии электронов, спектроскопию поглощения в УФ и видимой области, спектроскопию комбинационного рассеяния, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и рентгеновскую абсорбционную спектроскопию. Для определения электрофизических свойств материалов должны быть использованы электронно-ионные микроскопы (с фокусированным ионным пучком). Кроме того изучение локальной электронной структуры нанокомпозитов с атомным разрешением будет осуществляться по работе выхода вторичных электронов методом высокоразрешающей спектроскопии энергетических потерь электронов в режиме сканирующей просвечивающей микроскопии Электрофизические измерения предполагается осуществлять путем создания контактов в электронно-ионном (двулучевом) растровом электронном микроскопе. Измерения электрофизических свойств будут осуществляться непосредственно в электронном микроскопе. Помимо экспериментальных исследований планируется провести квантово-механического моделирование атомной и электронной структуры нанокомпозитов с применением теории функционала плотности (DFT). Расчеты в рамках теории функционала электронной плотности будут осуществляться с использованием набора современных базисов и псевдопотенциалов (B3LYP) с оптимизацией координат атомов (программный пакет WASP).

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами реализации проекта будут являться фундаментальные и технологические аспекты контроля электронной структуры и транспортных свойств низкоразмерных однослойных углеродных наноструктур, в том числе:
• Методы формирования нанокомпозитов «одномерный кристалл»@ОСНТ с помощью внедрения неорганических веществ из газовой фазы, расплавов, а также непосредственного синтеза нанокристаллов в каналах ОСНТ. Оптимальные условия внедрения и кристаллизации вещества во внутренних каналах нанотрубок, обеспечивающих максимальную степень заполнения и однородность физических свойств.
• Методы формирования модифицированного графена путем химической модификации водородом, щелочными и щелочноземельными элементами. Оптимальные условия формирвоания слоя на внешней поверхности графена и инетркаляции под слой графена, обеспечивающих максимальный сдвиг точки Дирака.
• Установление природы взаимодействия между модификатором и графеновым листом в сформированных наноструктурах, а также определение корреляции атомной и электронной структуры композитов с химическим составом и электронными свойствами модификаторов.
• Способ направленной модификации электронных свойств однослойных низкоразмерных углеродных наноструктур.
• Установление возможности разработки и создания электронной компонентной базы на основе модифицированных однослойных низкоразмерных углеродных наноструктур для элементов наноэлектроники нового поколения (диодов и полевых транзисторов).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основной областью применения ожидаемых результатов, полученных совместно российской стороной и иностранным партнером, является дальнейшее развитие методов формирования элементов наноэлектроники и электрофизики с минимальной площадью сечения канала и, следовательно, низкими токами утечки через закрытый канал. Ожидается, что полученные в ходе исследований наноструктурированные материалы на основе углеродных композитов будут перспективны для применения в наноэлектронике, аккумуляторах, суперконденсаторах, для защиты от электромагнитных излучений, для создания каталитически активных материалов. Испытание их электронных и других свойств позволит сформулировать более конкретно области их применения и возможных потребителей.

Текущие результаты проекта:
Разработана программа и методика испытаний экспериментальных образцов одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок и экспериментальных образцов композиционных наноструктур на основе графена.
Разработана лабораторная методика получения экспериментальных образцов одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок и экспериментальных образцов композиционных наноструктур на основе графена.
Представлен технологический путь изготовления экспериментальных образцов одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок и экспериментальных образцов композиционных наноструктур на основе графена.
Получены результаты исследования атомной структуры одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок 1D TbBr@ОСНТ и результаты исследования атомной структуры двумерных композиционных наноструктур на основе модифицированного графена.