Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.577.21.0006

Руководитель: Максименко Сергей Афанасьевич

Должность руководителя: директор института

Докладчик: Кужир Полина Павловна, ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
электромагнитная экранировка, микроволновое и терагерцовое излучение, углеродная пена, аэрогель, монослой графена, графено-подобная тонкая пленка, пиролитический углерод, углеродная нанотрубка, сэндвич графен/полимер, многослойный графен, поглощение свч

Цель проекта:
Получение значимых научных результатов в области использования нового поколения ультралегких (пены и аэрогели) и ультратонких (графен, нанометровые пленки пиролитического углерода, сэндвичи полимер/графен, пленки углеродных нанотрубок) проводящих материалов для микроволновых и ТГц устройств.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Экспериментальные образцы ультралегких проводящих материалов:
- ультралегкие углеродные пены,
- ультралегкие мезо- и аэрогели.
2.2 Экспериментальные образцы ультратонких проводящих материалов:
- пленки многослойного графена,
- структуры типа сэндвич полимер/графен (монослои графена, разделенные слоями полимера полиметилметакрилата (ПММА)),
- пленки пиролитического углерода,
- плени из углеродных одностенных, двустенных и многостенных нанотрубок (УНТ), в том числе химически модифицированных.
2.3 Лабораторный регламент получения ультратонких проводящих материалов.
2.4 Лабораторный регламент получения ультралегких проводящих материалов.
2.5 Проект ТЗ на ОТР по теме «Разработка технологии изготовления ультратонких проводящих материалов на основе графена и графено-подобных структур для микроволновых и ТГц устройств».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемые новые ультралегкие/тонкие проводящие материалы на основе углеродных пен и графеноподобных тонких пленок предназначены для экранировки электромагнитного излучения СВЧ диапазона и манипулирования ТГц излучением, что необходимо для решения проблемы электромагнитной совместимости, защиты электронной аппаратуры и персонала от внешних электромагнитных помех.
Экспериментальные образцы ультралегких проводящих материалов должны обладать следующими характеристиками:
- углеродные пены (плотность 0.025 - 0.3 г/см3, размер пор 100-500 микрон), действительная часть диэлектрической проницаемости на 129 Гц не менее 105 , на 30 ГГц не менее 10, S21 параметр будет достигать в диапазоне частот 26-37 ГГц 15-17 дБ для наиболее плотной структуры и 10-12 дБ для наименее плотной, в ТГц области частот прохождение для пены толщиной 2мм не более 10% падающего сигнала, действительная часть диэлектрической проницаемости на 1 ТГц не менее 4.
- мезо- и аэрогели (плотность 0.04 - 0.15 г/см3, размер пор 1-50 микрон) ), действительная часть диэлектрической проницаемости на 129 Гц не менее 105 , на 30 ГГц не менее 10, S21 параметр будет достигать в диапазоне частот 26-37 ГГц 15-17 дБ для наиболее плотной структуры и 10-12 дБ для наименее плотной, в ТГц области частот прохождение для пены толщиной 2мм не более 10% падающего сигнала, действительная часть диэлектрической проницаемости на 1 ТГц не менее 4.
Экспериментальные образцы ультратонких проводящих материалов должны обладать следующими характеристиками:
Пленки УНТ в микроволновом диапазоне (26-37 ГГц) должны обеспечивать не менее 80% отражения СВЧ сигнала.
Пленки УНТ должны обладать рекордными для ТГц области частот значениями диэлектрической проницаемости (действительная часть не менее 200 при тангенсе потерь 0,3-0,5).
Пленки УНТ в радиочастотном диапазоне должны иметь действительную часть диэлектрической проницаемости на 129 Гц не менее 105
ЭМ поглощение пленок из пиролитического углерода на кварцевой подложке в микроволновом диапазоне частот должно достигать 50% в свободном пространстве, и более 50% в волноводной реализации эксперимента, в ТГц области частот коэффициент прохождения должен зависеть от толщины пленки и быть не более 80% для наиболее тонких пленок (5-7 нм) и не более 60% для наиболее толстых (75-110 нм).
Сэндвичи полимер (ПММА)/графен должны демонстрировать поглощение ЭМ сигнала в СВЧ диапазоне по мощности на уровне 20-50% в зависимости от числа слоев. При этом должны быть прозрачны в видимом диапазоне частот (до 75%). В ТГц диапазоне частот свободно стояшие сэндвичи полимер/графен должны иметь коэффициент прохождения не более 80%.
Пленки многослойного графена (до 15 слоев, толщиной до 7 нм) на кварцевой подложке должны обеспечивать ослабление ЭМ сигнала по мощности на уровне не менее 60%, за счет не менее чем 35% поглощения, в ТГц диапазоне частот должны иметь коэффициент прохождения не более 75%.

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:
Разработаны методы и алгоритмы расчета наблюдаемых параметров взаимодействия электромагнитного излучения с ультратонкими графеновыми материалами исходя из самосогласованной системы уравнений для электромагнитных полей и электронов, включая:
- построение теоретической модели прохождения излучения через многослойный графен, в частном случае через биграфен.
- расчет прохождения излучения через графеновые слои исходя из самосогласованной системы уравнений для электромагнитных полей и электронов.
- описание возбуждения электронной подсистемы в графеновых структурах с использованием метода сильной связи, позволяющего получить аналитические выражения для электронного закона дисперсии.
- формулировку эффективных граничных условий для полей излучения при переходе через границу тонкой пленки.
- определение параметров, характеризующих динамику взаимодействия излучения с графеном.

Разработаны методы и алгоритмы учета влияния межтрубочного электронного туннелирования на электромагнитные и оптические спектры тонких пленок из нанотрубок.
Разработаны методы и алгоритмы определения частоты туннелирования электронов между соприкасающимися трубками.
Исследовано влияния степени допирования графена на взаимодействие с излучением.
Разработан Лабораторный регламент получения ультратонких проводящих материалов.
Разработана методика синтеза углеродных пен.
Разработана методика синтеза углеродных мезо- и аэрогелей.
Разработана Программа и методики экспериментальных исследований электромагнитных свойств ультралегких проводящих материалов.