Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0113

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0113
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Закрытое акционерное общество "Межрегиональное производственное объединение технического комплектования "ТЕХНОКОМПЛЕКТ"
Название доклада
Разработка перспективной технологии импульсного электрохимического формирования наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка для нового поколения изделий гелиоэнергетики, электроники и оптоэлектроники
Докладчик
Иванов Валерий Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1) Разработка технологии импульсного электроосаждения (ИЭXO) наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка (ZnO) с заданными физико-химическим свойствами.
2) Изготовление экспериментальных образцов наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка для приборных структур гелиоэнергетики, электроники и оптоэлектроники нового поколения.
3) Разработка конструкции и создание автоматизированной электрохимической установки для получения наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность работы обусловлена возможностью формирования различных приборных структур на базе оксида цинка с использованием простого, с технологической точки зрения, метода импульсного электрохимического осаждения (ИЭХО). Существующие на сегодняшний день способы получения наностуктур оксида цинка либо требуют дорогого технологического оснащения, что препятствует их крупномасштабному внедрению, либо полученные с их способом структуры не пригодны для интеграции на планарных подложках, что препятствует их использованию в электронике.
Метод ИЭХО достаточно прост в технологическом и потому легко массштабируется исполнении и позволяет формировать различные приборные структуры оксида цинка с помощью управления макроскопическими параметрами (температура, концентрации и составы раствора, величина, частота и длительность импульса) технологического процесса Поэтому разрабатываемые в рамках данного проекта технологические режимы для получения наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка, используемые при создании различных приборных структур: фотоэлектрических преобразователей, фототермических преобразователей (солнечных тепловых коллекторов), датчиков ультрафиолетового излучения, газовых сенсоров и гидрофобных покрытий, является актуальной и перспективной задачей, а разработанное технологическое решения по созданию автоматизированной установки ИЭХО по реализации всех разрабатываемых технологических режимов может быть успешно применено для масштабного распространения и, как следствие, снижение стоимости данных приборных структур. По результатам исследований подготовлена и подана в ФИПС заявка на изобретение.
Описание исследования

Формирование наностержней и иерархических наноструктур проводили ИЭХО в растворе Zn(NO3)2 суммарной концентрацией 0.005-0.02 моль/л и NaNO3 суммарной концентрацией 0.05-0.15 моль/л при температуре раствора 60 – 85 0C. Варьируя концентрации и составы растворов, их температуру, величину, частоту и длительность импульсов получали различные по морфологии наноструктуры оксида цинка.

Исследование кристаллической структуры проводили с помощью метода рентгеновской дифракции с оценкой размеров кристаллитов по величине полуширины пиков соответствующих рефлексов. Морфологию поверхности и форму наноструктур оксида цинка проводили методом сканирующей атомносиловой микроскопии в полуконтактном режиме с последующим определением профиля поверхности для оценки среднего размера наностержней и методом сканирующей электронной микроскопии. Удельная площадь поверхности определялась методом физической адсобции азота при 77 К. Аккумулируя полученные различными методиками исследования данные, принималось решение для отбора образцов наиболее подходящих для применения в качестве:

1) фоточувствительного электрода, сенсибилизированного квантовыми точками. Отбор проводился по следующим критериям: поверхность состоит из ориентированных перпендикулярно плоскости подложки наностержней с удельной поверхностью не менее 100 м2/г. В данных образцах определялось суммарное диффузное и зеркальное отражение (в интервале углов падения света от 5 до 45°) в видимом диапазоне и затем проводились эксперименты по оптимизации условий синтеза для получения образцов с коэффициентом отражения < 0.05.

2) антиотражающего слоя пленочных и оптоэлектронных приборов. Отбор проводился по следующим критериям: поверхность состоит из ориентированных перпендикулярно плоскости подложки наностержней с размером  не более 100 нм с параболическими нановыступами. В данных образцах определялся коэффициент отражения (в интервале углов падения света от 5° до 45°) в видимом диапазоне и коэффициент отражения в инфракрасном диапазоне (в интервале углов падения света от 5° до 45°), затем проводились эксперименты по оптимизации условий синтеза для получения образцов с коэффициент отражения в видимом и инфракрасном диапазоне < 0.05 и < 0.10 соответственно.

3) селективного покрытия на основе ZnO/Al. Данные образцы отличались от остальных, т.к. были сформированы на поверхности алюминиевой черни, а оксид цинка служил в качестве антиотражающего покрытия. В данных образцах определялся интегральный коэффициент поглощения в диапазоне длин волн 0.3-2.5 мкм и коэффициент излучательной способности в диапазоне длин волн 4-40 мкм. Затем проводились эксперименты по оптимизации условий синтеза для получения образцов с интегральным коэффициентом поглощения не менее 95 % и коэффициентом излучательной способности не более 10 %.

4) самоочищающегося покрытия. Отбор проводился по следующим критериям: диаметр наностержней 500-900 нм и густота 60-80 %. В данных образцах определялся контактный угол смачивания и гистерезис угла смачивания. Затем проводились эксперименты по оптимизации условий синтеза для получения образцов с контактным углом смачивания не меньше 150° и гистерезисом угла смачивания не более 10°.

5) газочувствительного слоя. Отбирались образцы с удельной площадью поверхности не менее 50 м2/г и наличием иерархических планарных структур на поверхности наностержней оксида цинка. В данных образцах определялось время отклика и восстановления при концентрации газов NO2, CO2, CO, CH4, C2H5OH не менее 100 ppm и коэффициент газочувствительности. Затем проводились эксперименты по оптимизации условий синтеза для получения образцов со временем отклика не более 60 с и коэффициентом газочувствительности не менее 95 %.

В рамках работы также спроектирована автоматизированная установка, которая обладает возможностью воспроизведения всех технологических режимов для получения образцов с необходимыми функциональными свойствами и их высокой воспроизводимостью за счет снижения человеческого факторы на этапе синтеза наноструктур оксида цинка.

Результаты исследования

Проведена сборка экспериментального образца лабораторной установки электроосаждения в импульсном режиме наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка.

Составлена программа и методики испытаний экспериментального образца лабораторной установки электроосаждения (ЛУЭ), на основании которой проведены исследовательские испытания установки.

Составлены программы и методики экспериментальных исследований наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка получаемых на экспериментальном образце ЛУЭ в импульсном режиме, как без нанозеренного подслоя, так и с подслоем, на основании которых проведены исследовательские испытания образцов.

Установлено, что оптимальным режимом для образования наностержней оксида цинка, ориентированных перпендикулярно к поверхности подложки является импульсный режим с параметрами f = 2 Гц, Dc = 40 %, t = 70 ºC. Было обнаружено, что размеры наностержней можно варьировать путем нагревания или охлаждения электролита в пределах от 85 ºC до 70 ºC либо посредством изменения рабочего цикла в сторону больших (80 %) и меньших значений (20 %), благодаря чему, в частности, мелкие наностержни (~ 100 нм) могут электроосаждаться на поверхности более крупных (~ 1,5 мкм) либо модифицировать морфологию поверхности массивов вплоть до выращивания мезопористых сетей оксида цинка, которые совместно с наностержнями ZnO будут формировать иерархические наноструктуры, соответственно.

Показано, что формирование таких подслоев способствует укрупнению кристаллических зерен в наностержнях ZnO и выращиванию отдельно стоящих наностержней оксида цинка, расположенных перпендикулярно к поверхности подложки FTO.

По результатам проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка установлено, что отклонение параметров кристаллической решетки а и с от JCPDS № 36-1451 менее 0,003 нм; микронапряжения Δd/d менее 8×10-3; отклонение ширины запрещенной зоны для прямых оптических переходов не превышает 0,20 эВ от ее номинального значения 3.37 эВ; значения энергии Урбаха менее 1.00 эВ; элементы морфологии наноструктурированных массивов оксида цинка по данным АСМ находятся в пределах 10 – 2000 нм.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемая технология импульсного электроосаждения наностержней и иерархических наноструктур ZnO и автоматизированной электрохимической установки для получения наностержней и иерархических наноструктур оксида цинка предназначены для создания промышленных технологических линий для массового производства приборных структур гелиоэнергетики, электроники и оптоэлектроники нового поколения на основе ZnO.

Эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Увеличение эффективности солнечных тепловых коллекторов и солнечных батарей.
2) Увеличение эффективности пленочных и оптоэлектронных приборов.
3) Уменьшение стоимости газовых сенсоров резистивного типа.
Постер

Poster_ZnO_0113.ppt