Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.585.21.0004

Руководитель: Тодуа Павел Андреевич

Должность руководителя: Генеральный директор

Докладчик: Митюхляев Виталий Борисович, Начальник отдела измерения физико-химических характеристик полупроводниковых материалов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
одностенные углеродные нанотрубки, графен, графан, мета-нанотрубки, нанокомпозиты, одномерные кристаллы, акцепторные и донорные свойства одномерных кристаллов

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение задачи: формирования низкоразмерных углеродных наноструктур на основе легированного графена, одностенных углеродных нанотрубок, содержащих одномерные кристаллы, с целью создания новых материалов наноэлектроники и электротехники. 2. Цель проекта: Разработка методов формирования одностенных углеродных нанотрубок, содержащих одномерные кристаллы и низкоразмерных углеродных наноструктур на основе легированного графена с заданными электрофизическими характеристиками. Разработка методов прецизионного локального контроля электрофизических характеристик.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты исследования взаимосвязанно разделяются на экспериментальные и теоретические.

Основные экспериментальные результаты:
1. Разработка методик формирования экспериментальных образцов одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок, путем модификации их внутренней и внешней поверхности, соединениями ABn, где (А = Fe, Cu, Zn, Pb, Tb; B = Cl, Br, I, S, Se, Te), а также модификации графена и графеноподобных систем. Формирование таких композитных материалов.
2. Исследование кристаллической структуры исходных и модифицированных углеродных нанотрубок и графеноподобных систем методом просвечивающей/растровой электронной микроскопии высокого разрешения (П/РЭМ ВР). Определение кристаллической структуры вышеназванным методом.
3. Исследование и определение электронной структуры композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок с модифицированной внутренней и внешней поверхностью и модифицированного графена методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской спектроскопии поглощения, оптической спектроскопии, спектроскопии КР, спектроскопии энергетических потерь электронов.
4. Разработка методик исследования электрофизических характеристик одностенных углеродных нанотрубок с модифицированной внутренней и внешней поверхностью и измерения вольтамперных характеристик в условиях отсутствия и приложения внешнего электрического поля.

К теоретическим результатам относятся:

1. Моделирование атомной структуры одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок.
2. Моделирование электронной структуры одномерных композиционных наноструктур на основе модифицированных одностенных углеродных нанотрубок из первых принципов. включая разработку модели изменения электронной структуры одностенных углеродных нанотрубок при модификации их внутренней и внешней поверхности
3. Моделирование и квантово-механические расчеты структурных и энергетических характеристик композиционных наноструктур на основе модифицированного графена и графеноподобных систем.

Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.

1. Кристаллическая структура одномерных кристаллов, сформированных внутри углеродных нанотрубок, и модифицированного графена должна быть определена методом П/РЭМ ВР с разрешением не хуже 2Å.
2. Электронные свойства композиционных наноструктур на основе модифицированных одностенных углеродных нанотрубок измеряются методом рамановского рассеяния в диапазоне сдвига 120-1700 см-1, методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в диапазоне 282-288 эВ, спектроскопии вторичных электронов и валентной зоны в диапазоне энергий 4-87 эВ.
3. Вольтамперные характеристики модифицированных одностенных углеродных нанотрубок измеряются двухзондовым методом диапазоне от -5В до +5 В с токами от -6х10-7А до +6х10-7А как в режиме нулевого, так и в режимах положительного и отрицательного смещений приложенных напряжений (в режимах полевого транзистора).
4. Моделирование атомного и электронного строения низкоразмерных углеродных наноструктур должно содержать ячейку, содержащую до 1000 атомов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Сформированные экспериментальные образцы одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок и модифицированного графена с определенной кристаллической структурой и электрофизическими свойствами. Измеренные электронные и электрофизические свойства материалов.

2. Методики формирования экспериментальных образцов одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок и модифицированного графена с определенной кристаллической структурой являются новыми, а методики формирования устройств для измерения электрофизических свойств не имеют аналогов в мире и будут защищены патентом.

3. Результаты работ соответствуют мировому уровню, что подтверждается публикациями, принятыми к печати в Международных и Российских журналах с высокими импакт факторами.


4. Для достижения заявленных результатов разработан и продолжает разрабатываться ряд программ и методик, включающих лабораторные методики:
получения экспериментальных образцов одномерных композиционных наноструктур на основе модифицированных одностенных углеродных нанотрубок и графена;
исследования атомной структуры исходных и модифицированных углеродных нанотрубок и графена, методом электронной микроскопии высокого разрешения;
формирования контактных площадок для испытания электрических свойств модифицированных одностенных углеродных нанотрубок;
исследования электрофизических свойств модифицированных углеродных нанотрубок;
локальной модификации электронной структуры одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок.
Все исследования проводятся с применением современных методов, 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 и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. Для определения электрофизических свойств материалов используются новые разработки в области полимерных материалов ( для создания изолирующих слоев и измерений вольтамперных характеристик).
К ограничениям следует отнести возможности изменения кристаллической структуры одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена при исследованиях методом просвечивающей электронной микроскопии, которая может вызвать радиационные повреждения образцов. Кроме этого измерения электрофизических характеристик также сопровождаются технологическими процедурами, которые могут вызвать появление дефектов структуры. При измерениях вольтамперных характеристик возможно шунтирование углеродных наноструктур и возникновение токов утечки.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты данного проекта могут найти применение в наноэлектронике при изготовлении нанотранзисторов нового типа, в нанотехнологиях при изготовлении сенсоров, эмиттеров и, кроме этого, в материаловедении.

2. Практическое внедрение планируемых результатов может быть реализовано путем передачи методик формирования одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена и методик и технологий изготовления электронных приборов на их основе.

3. Проводимые исследования позволяют создать уникальную, технически новую базу наноэлектроники и нанотехники, требующую уникальных методов создания. В силу новизны предложенных технологических решений прогнозировать быстрое развитие и изменение структуры производства пока не представляется возможным.

4. Результаты работы являются плодом международного сотрудничества России и Казахстана. В дальнейшем возможно привлечения организаций ряда других стран и лабораторий, занимающих лидирующие позиции в исследованиях углеродных материалов. Такое сотрудничество отчасти уже устанавливается даже на промежуточном этапе, например с Университетом Варвика (Великобритания).

Текущие результаты проекта:
В рамках проекта до настоящего времени проведен анализ научно-технической литературы, технической документации, патентных источников и других материалов по модификации электронных свойств одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) и однослойного графена (ОГ) и разработаны лабораторные методики получения экспериментальных образцов одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок путем модификации их внутренней и внешней поверхности, а также модификации графена.
Установлена кристаллическая и электронная структура одномерных композиционных наноструктур на основе одностенных углеродных нанотрубок модифицированных соединениями ABn (где А = Fe, Cu, Zn, Pb, Tb; B = Cl, Br, I, S, Se, Te).
Обнаружено, что структура одномерного кристалла зависит от диаметра углеродной нанотрубки. Внедрение соединений с работой выхода электрона, превышающей работу выхода ОСНТ, приводит к акцепторному допированию нанотрубок, причем степень допирования увеличивается с увеличением сродства к электрону атомов галогена/халькогена, а сдвиг энергии Ферми в модифицированных ОСНТ достигает 0,6 эB.
Разработана методика измерений электрофизических характеристик модифицированных одностенных углеродных нанотрубок как в режимах отсутствия внешнего поля, так и с приложенным внешним полем (режим полевого транзистора). Для этого отработана методика изготовления контактов к нанотрубкам и методика нанесения изолирующего полимерного покрытия на нанотрубки на подложках, позволяющего создавать внешнее электрическое поле вблизи нанотрубок. Обнаружено, что при отсутствии внешнего поля вольтамперная характеристика углеродной нанотрубки, заполненной соединением CuI, представляет собой цепь из двух диодов, включенных навстречу друг другу. При приложении напряжения начинает проявляться транзисторный эффект, форма ВАХ зависит от напряжения на затворе.

Проведено DFT моделирование атомного и электронного строения низкоразмерных углеродных наноструктур методом присоединённых плоских волн в приближении обобщенного градиента плотности (программный пакет VASP). Проведена полная оптимизация атомной геометрии с элементарной ячейкой, содержащей до 1000 атомов, и определена плотность состояний композитов в диапазоне энергий 0 – 20 эВ. Теоретически обоснована возможность допирования ОСНТ посредством контактной модификации поверхности внедряемыми соединениями.