Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание гибридных наноматериалов для микроэлектроники, нанофотоники и медицины

Номер контракта: 14.574.21.0002

Руководитель: Поняев Александр Иванович

Должность: Начальник управления научных исследований

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
фоторезист, фотохром, гетероароматическое соединение, нанолюминофор, рентгенолюминофор, светодиод, квантовая точка, полупроводник, электропроводящий полимер, фталоцианин, термостабильность, фотодинамическая терапия.

Цель проекта:
Способы синтеза полимерной основы высокотермостойких фоторезистов, создание полимерной композиции со светочувствительной компонентой, исследование их свойств и способов применения. Разработка методов направленного синтеза металлофталоцианинов с функционализированными ароматическими и гетероароматическими заместителями, обладающих люминесцентными свойствами и/или биологической активностью. Поиск и исследование новых электропроводящих полимерных материалов для политроники. Разработка электролюминесцентных наноматериалов на основе полупроводников А2В6 для усовершенствования органических светоизлучающих диодов (OLED). Разработка композита с высокой теплопроводностью на основе наноалмазов. Создание многослойного OLED на основе разработанных наноматериалов. Разработка нанолюминофоров для усовершенствования фотодинамической терапии онкологических заболеваний. Разработка полифункциональных материалов полимерной электроники и нанофотоники на основе гетероароматических соединений и нанодисперсных рентгено(фото)лю-минофоров для высокотехнологичных отраслей промышленности и социальной сферы.

Основные планируемые результаты проекта:
Анализ более 300 информационных источников показал актуальность темы проекта и подтверждает оптимальность, оригинальность и патентоспособность выбранного направления разработок.
В части создания высокотермостойких светочувствительных композиций - высокотермостойких фоторезистов, адгезивов, лазерочувствительных и люминесцентных покрытий патентная новизна определяется решениями по синтезу новых термостойких полимеров гетероароматического ряда, поиску высоко эффективных светочувствительных компонентов.
Разработана схема синтеза 3,3'-дигидрокси-4,4'-диаминодифенилметана как мономера для полимерного связующего – полимерной основы высокотемпературных фоторезистов. Путем поликонденсации дихлорида изо-фталевой кислоты с 3,3'-дигидрокси-4,4'-диаминодифенилметаном предложены новые полимерные связующие - высокопрочные термостойкие поли(о-гидроксиамиды). На их основе разработан лабораторный регламент и получены экспериментальные образцы высокотермостойких фоторезистов. Разработана методика физико-химических исследований экспериментальных образцов высокотермостойких фоторезистов и проведено их физико-химическое исследование. Разработан метод введения сегнетоэлектрика в высокотермостойкий поли(о-гидроксиамид) для создания покрытий с высокой диэлектрической проницаемостью. Разработан метод получения лазерочувствительных покрытий для записи информации высокого разрешения на поверхности гидрофильных и гидрофобных пленок. Предложен новый тип лазерочувствительных добавок - нигрозиновые красители.
Впервые разработан метод синтеза 4-(4- гидразинилфенокси)фталонитрила – важнейшего полупродукта для получения различных металлофталоцианинов, содержащих азотистые гетероциклы. На основе полученного полупродукта был впервые синтезирован тетра(3,5- диметилпиразол-1-фенокси)фталоцианин цинка, обладающий растворимостью в хлороформе и диметилформамиде, что позволило провести комплексную очистку соединения до спектральной чистоты с использованием колоночной жидкостной хроматографии.
Разработаны методы получения растворимых пленкообразующих элементоорганических полисалицилиденазометинов. Открыт новый класс электропроводящих полимеров с неклассическим сопряжением – трансаннулярносопряженные элементоорганические полисалицилиденазометины, в которых определяющий вклад в образование общей системы сопряжения вносят внутримолекулярные донорно-акцепторные взаимодействия атомов элементов с атомами азота. В отличие от «классических» полупроводниковых полимеров (таких как полианилин, полипиррол, политиофен и др.) новые электропродящие материалы растворимы во многих органических растворителях, что упрощает технологию их переработки и формирование конечных полупроводниковых элементов. Электропроводность полученных элементоорганических полисалицилиденазометинов изменяется в широких пределах 10-7 10-1 См/см при допировании.
Разработан метод синтеза электролюминесцентных материалов на основе полупроводников А2В6 состава ZnS:Mn и ZnS:Cu,Cl золь-гель методом из водных растворов. Определены условия синтеза, позволяющие получать люминофоры с наибольшей яркостью, исследована зависимость спектров люминесценции от условий синтеза и концентрации активатора. Разработан метод синтеза композиционных слоев с высокой теплопроводностью на основе наноалмазов. Коэффициент теплопроводности наилучшего из синтезированных композитов составляет (907±11) Вт•м-1•K-1, что в несколько раз превышает теплопроводность меди чистоты 99,9 массовых % ((383±18) Вт•м-1•K-1).
Получены экспериментальные образцы многослойных органических светоизлучающих диодов.
Разработана технология синтеза и получены экспериментальные образцы нанодисперсных рентгено- и фотолюминофоров для фотодинамической терапии: Y2O3:Eu с максимумом излучения λ = 612 нм и NaBaPO4:Eu с максимумом излучения λ = 445 нм. Наиболее яркий из синтезированных экспериментальных образцов имеет значение яркости люминесценции 41 кд/м2.
Разработанные фоторезисты на основе гидрофильных поли(о-гидроксиамидов) имеют область спектральной чувствительности – 254, 365, 405 нм; выдерживают 400С на воздухе, 450С в инертной атмосфере; выдерживают воздействие щелочей и кислот; выдерживают длительное плазменное травление; обладают светочувствительностью не более 80 мДж/см2; обладают удельным объемным сопротивлением не менее 1015 Ом•см; обладают диэлектрической проницаемостью в пределах 3,5-4,5 при 106 Гц; имеют тангенс угла диэлектрических потерь в пределах•10-3-2•10-2; имеют пробивное напряжение не менее 400 В/мкм.
Покрытия обладают высокой адгезией к лавсану, полиимидной пленке, металлам, кристаллам и другим субстратам, стабильны во времени, устойчивы к воздействию паров HCl, H2SO4, HNO3, бензина, спирта, аммиака, воды и выдерживают термоциклические нагрузки от - 50 до +200 °С. Покрытия позволяют записывать информацию с разрешением не ниже 4000 dpi с контрастом не менее 0.8 в отраженном свете при воздействии лазера с длиной волны 1.06 мкм.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработанные функциональные пленкообразующие полимерные светочувствительные материалы, обладают повышенными эксплуатационными характеристиками, предназначены для формирования планарных и рельефообразующих, термо-, хемо-, радио- и плазмостойких, диэлектрических и токопроводящих, вибро- и радиопоглощающих, антикоррозионных и др. защитных покрытий в изделиях радиоэлектроники и нанофотоники, обеспечивая их работоспособность в различных, порой экстремальных, специфических условиях.
Получены экспериментальные образцы фталоцианинов и их цинковые комплексы, которые позволяют использовать их в оптоэлектронике (например, в органических светоизлучающих диодах), в фотовольтаике (фотоактивный слой солнечных элементов), в качестве сенсибилизаторов синглетного кислорода для фотодинамической терапии рака, предполагается их применение в ряде высоких технологий, например в нелинейной оптике, динамической голографии.
В работе целенаправленно выбраны объекты исследования, обладающие принципиальной новизной и практической значимостью для микроэлектроники, нанофотоники и медицины. Разрабатываемые материалы предназначены для совершенствования микроэлектронной аппаратуры, использования в устройствах нанофотоники и в методиках фотодинамической терапии. Полученные результаты отвечают техническим требованиям и перспективам продолжения работ по выполняемому проекту.
Полученные фталоцианины, обладающие люминесценцией в ближней ИК области и способностью генерировать синглетный кислород, могут быть использованы в качестве перспективных фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии раковых заболеваний.
Элементоорганические полисалицилиденазометины могут быть использованы в тонкопленочной солнечной энергетике для создания фотовольтаических ячеек и фотопроводящих систем.
На основе разработанных органических электролюминесцентных источников света (OLED) могут быть созданы дисплеи. Достоинством дисплеев на основе OLED является более низкий расход энергии по сравнению с жидкокристаллическим дисплеями. Другая область использования нанолюминофоров – медицина, а именно, создание фармакологических препаратов для рентгенофотодинамической терапии онкологических заболеваний.
Новизна научных решений заключается в том, что:
Высокочувствительные полимерные композиции, формирующие лазерочувствительные покрытия, образуют молекулярный раствор в амидном растворителе, что устраняет дополнительную операцию инкапсулирования красителя и, следовательно, снижает трудоемкость технологического процесса; Полимерное связующее - поли(о-гидроксиамид) - получают не в процессе создания композиции с лазерочувствительным компонентом, а используют раствор поли(о-гидроксиамида) с определенными вязкостными параметрами, что обеспечивает стабильность свойств полученной композиции и параметров сформированного покрытия.
Разработанные высокотермостойкие светочувствительные материалы являются чрезвычайно перспективными. Эти материалы в России не производятся, они относятся к стратегическим и на рынке отсутствуют.
Аналогичный термостойкий конструкционный фотоматериал в России отсутствует. За рубежом имеются аналоги – термостойкие фотоматериалы полиимидного типа (PIQ (Hitachi), PI-2555 , HTR-3-100, UR-3100). В отличие от разрабатываемого авторами проекта позитивного термостойкого фоторезиста - это фотоматериалы негативного типа, и, следовательно, уступают термостойкому фоторезисту на основе поли(о-гидроксиамида) по разрешению. Еще одно преимущество предлагаемых высокотермостойких светочувствительных композиций – проявление в водно-щелочных растворах, что снижает экологическую нагрузку на окружающую среду и повышает безопасность труда. Разработка, касающаяся использования окрашенных композиций на основе термостойких фотоматериалов для формирования высоко разрешенных матричных триад светофильтров без разделительных слоев, не имеет аналогов в научной и технической литературе в нашей стране и за рубежом.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения: радиоэлектроника, оптоэлектроника, охрана окружающей среды, медицина.
Разработанные в ходе выполнения проекта материалы используются как:
1. Резистный материал для микроэлектроники.
2. Маска для травления полупроводниковых подложек различной химической природы.
3. Межслойный диэлектрик для больших (БИС) и свехбольших (СБИС) интегральных схем.
4. Защитное покрытие, в том числе для оптоволокна.
5. Матрицы цветных светофильтров для активно-матричных жидко-кристаллических ЖК – экранов.
6. Создание электретных субминиатюрных сенсоров (электретные микрофоны, датчики давления и др.).
7. Совмещение высокотемпературного фоторезиста на основе поли(о-гидроксиамидного) полимера с сегнетоэлектриками позволяет создать нанокомпозитный материал для термо- и хемостойких покрытий и планарных слоев с высокой диэлектрической проницаемостью.
8. С использованием высокотемпературного фоторезиста на основе поли(о-гидроксиамидного) полимера с включением красителей и люминесцентных добавок возможно создание ряда высокотермо- и хемостойких лазерочувствительных покрытий для записи информации высокого разрешения на поверхности гидрофильных и гидрофобных пленок.
Высокотемпературные фоторезисты используются в радиоэлектронике в фотолитографии для получения сверхбольших интегральных схем, в качестве межслойного диэлектрика, для получения лазерочувствительных покрытий и как защитное покрытие.
Ожидается, что синтезированные металлофталоцианины будут перспективны в качестве фотосенсибилизаторов третьего поколения для фотодинамической терапии раковых заболеваний, что должно сказаться на снижении смертности от этого заболевания.
Использование в мобильных электронных устройствах дисплеев но основе OLED с повышенной надежностью и пониженным расходом электроэнергии позволит увеличить длительность автономной работы подобных устройств или уменьшить требуемую емкость аккумуляторной батареи, а также, увеличить их срок службы.
В случае внедрения разработанных рентгеновозбуждаемых нанолюминофоров для ФДТ в фармакологию, будет создан новый продукт, не имеющий аналогов в мире, что даст ему конкурентные преимущества на внутреннем рынке и возможности продвижения на внешнем. Результаты данного инновационного продукта могут быть в первую очередь использованы во всех онкологических клиниках России, а затем и за рубежом, что даст заметный социально-экономический эффект (более эффективное лечение и значительно расширенные возможности для успешного применения фотодинамической терапии, меньший ожидаемый расход препарата за счет более эффективной его локализации, усовершенствование методов лечения, использование проникающих излучений для лечения глубоко залегающих опухолей).

Текущие результаты проекта:
Инновационная разработка «Рентгенолюминесцентные материалы для усовершенствованной методики фотодинамической терапии онкологических заболеваний», выполненная в рамках данного проекта получила соответственно:
Золотую медаль конкурса инновационных проектов и разработок «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» на 7 международном форуме по интеллектуальной собственности в рамках Петербургской технической ярмарки. Апрель 2015.
Золотую медаль конкурса инновационных проектов и разработок на VII Международном форуме по интеллектуальной собственности Expopriority-2015, Москва 22-24 апреля, Экспоцентр.
Разработанный в ходе выполнения данного проекта высокотемпературный фоторезист, отмечен медалью на юбилейной международной выставке химической промышленности и науки «ХИМИЯ - 2015», Москва 27-30 октября 2015 года, Экспоцентр и Дипломом конкурса им. Л.А.Костандова по номинации «Лучшая продукция, экспонируемая на выставке». По результатам работы опубликовано 14 научных трудов, материалы докладывались на 13 международных конференциях. Поданы две заявки на патенты. Получен патент на изобретение.