Регистрация / Вход
Прислать материал

«Наноструктуры и наноструктурированные
материалы: получение, теплофизические свойства, моделирование и
перспективные применения»

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0109
Организация
ИТ СО РАН
Руководитель работ
Ребров Алексей Кузьмич
Продолжительность работ
2009 - 2011, 27 мес.
Бюджетные средства
13,5 млн
Внебюджетные средства
3,38 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
15.06.2009 - 30.09.2009
1) Технически реализованы методы осаждения тонких полимерных пленок и металлополимерных пленок с капсулированными кластерами серебра;
2) Модифицирована вакуумная установка и создан экспериментальный комплекс для осаждения алмазоподобной пленки газоструйным методом;
3) Расширен диапазон условий синтеза металлических наночастиц на углеродной матрице в плазменно-дуговом реакторе;
4) Изготовлен реактор для газоструйного плазмохимического синтеза кремниевых пленок;
5) Разработана оригинальная масс-спектрометрическая методика диагностики нейтральных кластеров многокомпонентных материалов в лазерной плазме, позволившая выполнить прямое сопоставление двух типов ионизации, электронного удара и фотоионизации;
6) Разработана термохимическая модель импульсной лазерной абляции полимерных материалов на примере полиметилметакрилата;
7) На основании анализа литературных данных, проведенных оценок и пробных экспериментов показано, что достаточно эффективным способом получения наноразмерных частиц, главным образом лекарственного назначения, может служить газокапельная технология;
8) Проведена модернизация и оснащение уникальной установки для измерения температуропроводности методом лазерной вспышки, позволившая проводить измерения температуропроводности до 1000 мм г/c с погрешностью 2 -5%.
Развернуть
2
01.10.2009 - 15.12.2009
К конкретным наиболее важным результатам, полученным на втором этапе государственного контракта, относятся следующие:
1) Газоструйный метод осаждения металлополимерных пленок бактерицидного действия, основанный на одновременном осаждении из осесимметричных струй в вакууме полимерной пленки с внедрением в нее кластеров серебра, изучен в серии экспериментов. Поверхности с бактерицидными пленками испытаны на скорость подавления жизни различных бактерий. Проведен ряд численных экспериментов по оптимизации газоструйного метода методом прямого статистического моделирования и на основе решения системы уравнений Навье-Стокса. В частности, показана перспективность развития газоструйного осаждения пленок через термическую активацию струй путем прохождении их через нагретую металлическую сетку.
2) Созданный на первом этапе плазменно-дуговой реактор был использован для синтеза наночастиц палладия. В частности, проведены исследования влияния буферного газа на средний размер наночастиц палладия в диапазоне давлений 5 – 50 тор. Обнаружено, что увеличение давления буферного газа приводит к росту среднего размера частиц. Также измерена массовая доля инкапсулированных наночастиц палладия как функция давления буферного газа. Новизной применяемых решений является расширение диапазона давлений буферного газа в зону низких давлений (менее 50 тор). Особенностью исследований настоящего этапа является примененная методика измерения доли инкапсулированных частиц с использованием метода термогравиметрии.
3) Продолжены исследования газоструйного плазмохимического синтеза кремниевых пленок с активацией рабочих газов электронно-пучковой плазмой. Были изучены зависимости скорости роста пленок кремния методом газоструйного плазмохимического синтеза с активацией рабочих газов электронно-пучковой плазмой. Получены зависимости скорости роста от тока пучка, ускоряющего напряжения, расхода рабочей смеси и газа-носителя.
4) Разработана модель формирования колонообразных микроструктур при облучении жидких металлов наносекундными лазерными импульсами. Выполнено тепловое моделирование лазерной абляции жидкого галлия, позволившее выявить природу образования микроколон и определить оптимальные условия их роста.
5) Разработан численный алгоритм для моделирования взаимодействия наночастиц с подложкой методом молекулярной динамики. Программа предусматривает различие наночастиц и подложек по физическим свойствам, в частности, позволяет исследовать осаждение металлических наночастиц на кремневую подложку. Проведена серия методических расчетов и оценочные расчеты для взаимодействия 13-атомной алюминиевой частицы с кремниевой подложкой.
6) Создан рабочий участок и лазерный диагностический комплекс для исследования газокапельных потоков. Проведены первые эксперименты по получению микрокапель, средний размер которых составляет порядка 1 мкм. Показана возможность получения наноразмерных частиц сухого вещества из газокапельных потоков. Новизна данного способа в сравнении с известными (например, термоконденсационным) состоит в возможности получения наноразмерных частиц термически нестабильных препаратов.
7) Разработаны и апробированы новые методики измерения температуропроводности и теплового расширения высокопроводящих материалов и нанопорошков. В результате выполненных работ достигнуты соответствующие требованиям задания параметры и погрешности определения теплофизических свойств: температуропроводность до 1000 мм2/с, погрешность 2-5%, возможность работы в вакууме (до 1 мПа), окислительной и защитной (Ar, He) атмосферах; коэффициенты теплового расширения малоразмерных материалов до 900С с погрешностью 3-4%.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
К конкретным наиболее важным результатам, полученным на третьем этапе государственного контракта, относятся следующие:
1) Газоструйный метод осаждения тонких пленок из метана как углеводородного предшественника в смеси с водородом, активированными горячей сеткой, изучен в серии экспериментов. Установлено, что устойчивые покрытия формируются на молибденовых подложках в виде карбида молибдена Мо2С с регулируемой толщиной за счёт увеличения концентрации метана в исходной смеси. Проведенный анализ покрытий свидетельствует о наличии фазы аллотропной модификации алмаза-лонсделеита. Для повышения эффективности активации была разработана и реализована новая схема активации смеси газов в высокотемпературном капилляре из нитрида бора.
2) По объекту «Металлоуглеродный композит и способ его синтеза» проведен автоматизированный поиск охранных документов в Российской (http://www.fips.ru/russite/default.htm) и международной (http://ep.espacenet.com) базах патентной информации. Период поиска: 1994-2009 гг. для патентных документов РФ; 1974-2009 гг. для США, Японии, Германии, Китая и ряда других промышленно развитых стран. В результате патентного поиска отобрано 20 охранных документов-аналогов исследуемого объекта. В качестве прототипа выбран патент US5549973. Патентные исследования проведены в соответствии с поставленными задачами:
1. Исследование технического уровня и тенденций развития объекта исследований.
2. Оценка патентоспособности.
Найденные охранные документы не влияют на патентоспособность проверяемого объекта. Объект обладает новизной и изобретательским уровнем в отношении изобретений РФ, США, Японии и других стран Европы и Азии по состоянию на 02.03.2010 г., соответствует условию промышленной применимости. Охранных и иных документов, которые будут препятствовать применению данной разработки, в Российской Федерации, США, а также странах Европы и Азии, не выявлено.
3) Продолжены исследования по развитию газоструйного химического метода осаждения тонких пленок нанокристаллического кремния с активацией электронно-пучковой плазмы из аргон-силановой и аргон-гелий-силановой смесей. Были получены зависимости скорости осаждения пленок кремния от тока и энергии электронного пучка, общего расхода смеси, расхода газов-разбавителей аргона и гелия. В частности показано, что скорость осаждения линейно зависит от тока пучка. При увеличении ускоряющего напряжения скорость осаждения также возрастает до некоторого значения, после чего выходит на насыщение. Разбавление исходной смеси (5% моносилана в аргоне) аргоном приводит к росту скорости осаждения вплоть до насыщения. При увеличении расхода исходной смеси зависимость скорости роста будет примерно такая же, однако значения скорости роста будут выше. Обнаружена корреляция между скоростью осаждения и концентрацией плазменных электронов в области пересечения электронного пучка с осью струи. Численная модель электронно-пучковой активации аргон-силаной смеси низкой плотности слаботочным пучком электронов с энергией E ≥ 1 кэВ, показывает, что именно быстрые вторичные электроны дают основной вклад в диссоциацию газа, но не метастабильные атомы Ar. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными подтверждает, что основную роль в процессах активации газовой смеси данным методом играют быстрые вторичные электроны. Уменьшение скорости осаждения пленок кремния при разбавлении исходной смеси гелием, по-видимому, происходит под влиянием каких-то дополнителных факторов (травление пленки метастабильными атомами гелия, увеличение потенциала плазмы и т.д.).
4) Разработана модель нагрева, плавления и неконгруэнтного испарения в вакууме при воздействии наносекундными лазерными импульсами на поверхности двухкомпонентных материалов с учетом изменения теплофизических и оптических свойств в условиях нарушения стехиометрии облучаемого материала. Развита модель нетепловой лазерной абляции сложных полупроводников при интенсивностях облучения ниже порога плавления. Выполнены эксперименты по лазерной абляции образцов CdTe и InP, и проведено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными, показавшее хорошее согласие по глубине абляции и составу поверхностного слоя образцов после облучения. Выявлены механизмы контролируемого восстановления стехиометрии поверхностей сложных материалов с помощью лазерного облучения с регулировкой интенсивности.
5) Выполнен цикл экспериментальных исследований по изучению влияния режимных параметров на размер и концентрацию образующихся капель и частиц при спутном истечении газа и жидкой пленки в область пониженного давления. Показана возможность управления функцией распределения частиц по размерам изменением числа Вебера спутного газового потока и начальной концентрацией предшественника наноструктурной системы в растворе.
6) Выполнены работы по получению покрытий на медные подложки методом наноразмерного абразивно-реакционного износа медной фурнитуры обрабатываемых частиц порошковой системы алмаз-графит-кремний в планетарной мельнице «Пульверизетте 6». В результате выполненных работ получены устойчивые медно-алмазные, медно-графитные, медно-алмазно-графитные и медно-кремниевые покрытия на поверхности листовой меди, а также порошковые полупродукты. Новизна применяемых решений обусловлена тем, что для механической активации применялась программируемая планетарная мономельница «Пульверизетте 6» со специально изготовленными дюралевыми барабанами с уплотнениями из вакуумной резины, позволяющая проводить процессы в контролируемой атмосфере. Особенностью проведенной работы являлось, также, использование высокочистых исходных веществ для проведения МА: алмазный природный микропорошок (ГОСТ 9206-80, номинальный размер 1,5−0,5 мкм, суммарное количество примесей не более 1 % весовых); порошковый графит (МГ-ОСЧ и фирмы Alfa Aesar чистотой 99.9995 %) и монокристаллический кремний.
Развернуть
4
01.07.2010 - 15.12.2010
1) Проведено систематическое исследование бактерицидного действия тефлон-серебрянных пленок, полученных методом газоструйного осаждения. Получены зависимости бактерицидного действия получаемых металлополимеров от концентрации серебра и размера инкапсулированных наночастиц серебра во фторопластовой матрице.
2) Осуществлен синтез наночастиц карбида вольфрама при распылении композиционного, графит – WO3, анода в электрической дуге низкого давления в диапазоне токов 60 – 120 А. Показано, что доля высшего карбида вольфрама (WC) может составлять до 25 % от общего числа наночастиц.
3) Проведены оптические, морфологические и электрофизические измерения пленок кремния, выращенных газоструйным химическим методом осаждения с активацией электронно-пучковой плазмы из аргон-силановой смеси при температуре подложки от комнатной до 400 С.
4) Выполнены эксперименты по формированию наноструктурных пленок серебра при импульсной лазерной абляции (ИЛА) с использованием ряда взаимодополняющих методик. Методом масс-спектрометрии исследованы времяпролетные распределения нейтральных и заряженных продуктов абляции. Разработана модель ИЛА серебра в предположении теплового механизма абляции с учетом неоднородного распределения энергии в лазерном пучке.
5) Выполнен цикл экспериментальных исследований по влиянию начальной концентрации нанообразующего вещества на характеристики наночастиц, получаемых из газокапельных потоков.
Развернуть
5
01.01.2011 - 15.05.2011
1) Проведено обобщение результатов проводимых исследований, проведено сравнение с мировым уровнем, разработаны основы технологий.
2) Исследованы оптические, теплофизические и морфологические свойства синтезированных материалов.
3) Исследована реакционная активность свободных кластеров серебра в процессе их формирования в лазерной плазме (адсорбция кислорода, катализ окисления окиси углерода). Проведено изучение роли плазмы фонового газа при лазерном синтезе наночастиц.
4) Проведено экспериментальное исследование возможностей лабораторного макета устройства для получения наноразмерных частиц газокапельным методом.
Развернуть
6
16.05.2011 - 05.09.2011
1. Проведен анализ полученных результатов, подготовлены статьи и доклады на конференции. Разработаны рекомендации и обоснование проектов технических заданий на создание технологической базы.
2. Разработана методика лазерного синтеза нанокластерных пленок серебра на подложки из кремния и сапфира. Проведено сопоставление свойств осажденных кластеров и свободных кластеров в газовой фазе.
3. Проведен анализ перспектив использования газокапельного метода получения наночастиц.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Исследование свойств и моделирование процессов при формировании лазерными методами новых антифрикционных наноструктурированных покрытий на основе твердосмазочных и твердых компонентов.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Многомасштабное моделирование в механике микро и наноструктурированных материалов.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2
Тема
Исследование оптических и электронных свойств наноструктурированных полупроводников и диэлектриков.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка и создание наноструктурированных метаматериалов с резонансными оптическими свойствами.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка и создание нового класса армированных конструкционных материалов на основе крупнотоннажных термопластов и реактопластов с улучшенными механическими, теплофизическими, барьерными свойствами и повышенной огнестойкостью.
Продолжительность работ
2017 - 2018, 14 мес.
Бюджетные средства
27 млн
Количество заявок
0