Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экологического и экономичного химического метода осаждения металлических нанослоев

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.5074
Продолжительность работ
2009 - 2010, 14 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Внебюджетные средства
0 млн

Информация отсутствует

Соисполнители

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Демичева Ольга Валентиновна

Этапы проекта

1
20.07.2009 - 30.09.2009
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 1
<Выбор направлений исследований, экспериментальные исследования и изготовление образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках>
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 20 июля 2009 г. № 02.740.11.5074.


Шифр: «2009-1.5-509-009-035»
Период выполнения этапа 15 июля 2009 г. - 30 сентября 2009 г.
Исполнитель: Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский новый университет» (НОУ ВПО «РосНОУ», г. Москва
Цель работы Получение металлических нанослоев контролируемой толщины химическим методом, в том числе на углеродные нанотрубки, исследование возможностей самого метода, а также свойств получаемых наноматериалов.


1. Наименование разрабатываемой продукции
Лабораторная технологическая инструкция получения металлических нанослоев химическим методом, в том числе на углеродные нанотрубки.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
В процессе работы разрабатывается экологический и экономичный химический метод осаждения металлических слоев. За отчетный период изготовлены первые лабораторные образцы модифицированных медью контактных полосок на облучаемой стороне кремниевого солнечного элемента. Контакт из серебра является пористой подложкой для микрослоев и нанокластеров меди.
Объектами исследования являются нано- и микропористые полоски из серебра шириной 120 мкм и толщиной 30 мкм, объединенные в решетку на фронтальной стороне кремниевой пластины и представляющие собой электрический контакт солнечного элемента. Для модификации их электрических свойств на поверхность и в поры серебра были осаждены нано- и микрокластеры кристаллической меди химическим методом.
При выполнении первого этапа были получены следующие результаты:
2.1. Полученные результаты по осаждению медных кластеров на серебряные контакты кремниевых солнечных элементов позволили выбрать направление исследований, предварительную методику изготовления экспериментальных образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках-контактах с целью разработки экологического и коммерчески выгодного неэлектрохимического метода осаждения металлических нанослоев. В процессе работы на 1 этапе получены следующие результаты:
2.1.1. Проведен анализ литературы по электрохимическому и неэлектрохимическому осаждению меди на серебро. Особое внимание было уделено экологически чистым способам осаждения меди, исключающим применение цианидных растворов и органических растворителей неэлектрохимическим методом;
2.1.2. Проведен анализ рекламной информации фирм, производящие осаждение меди на различные металлы. Особое внимание было уделено экологии, утилизации химических отходов и коммерческим показателям деятельности фирм;
2.1.3. Разработана лабораторная методика и составлена технологическая инструкция получения металлических нано- и микрослоев меди химическим методом на металлических подложках-полосках из серебра, проведена оптимизация параметров процесса;
2.1.4. Изготовлены первичные образцы модифицированных медными нано- и микрокластерами серебряных контактов;
2.1.5. Проведены первые измерения толщины медного покрытия серебряной полоски, его химического состава и кристаллической структуры. Например, толщина медного покрытия составила 2.1 мкм, время осаждения 5 мин. Металлические кластеры имеют кристаллическую структуру меди, равномерно распределены по поверхности серебряной полоски. Диаметр кластеров составил менее 0.5 мкм.
2.2. Новизна примененного химического метода осаждения металлических нанослоев из медных кластеров в сравнении с другими химическими методами, родственными по тематике и целевому назначению, состоит в том, что осаждение меди ведется без внешнего источника электрического напряжения, что определяет возможный мировой уровень настоящего исследования.
2.3. Особенность проведенного исследования состоит в том, на отчетном этапе были получены положительные результаты осаждения меди, которые отвечают экологическим требованиям и определяют возможную коммерческую выгоду. Ожидается, что они способны повысить эффективность преобразования солнечной энергии на 1-3% и получить коммерческую выгоду за счет снижения цен и увеличения продаж.
2.4. На отчетном этапе созданы предпосылки к признанию разработки экологического и экономичного химического метода осаждения металлических слоев объектом интеллектуальной собственности.

3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Областями возможного применения разрабатываемого химического метода нанесения металлических нанослоев являются альтернативные источники энергии и изделия электронной промышленности. Модифицированные нано- и микрокластерами меди серебряные контакты в виде микрополосок могут применяться в производстве солнечных батарей. Поскольку углеродные нанотрубки имеют соизмеримую с медью электропроводность, то от размещения их с медью в порах серебряного контакта можно ожидать исключительных свойств металлических контактов не только в солнечных батареях, но и различных электронных приборах, основанных на инжекции носителей заряда. Кроме того, медные нано- и микрокластеры вместе с углеродными нанотрубками должны улучшить теплопроводность, механические и адгезионные свойства уже известных конструкций.
3.2. Полученные на первом этапе результаты позволяют предположить практическое внедрение полученных результатов в образовательный процесс в виде подготовки диссертационной работы. Проведены 2 научных семинара для аспирантов и студентов по темам: «Модель процесса осаждения металлических слоев» и «Особенности осаждения нано- и микрослоев металлов на различные виды металлических подложек».
3.3. Полученные на первом этапе результаты позволяют прогнозировать подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров. Заданные индикаторы и показатели 1 этапа работы достигнуты.

4. Выводы
1. Достигнута селективность осаждения меди:
• медь осаждается только на серебряную контактную полоску;
• на фронтальной стороне кремниевой пластины кластеры меди не обнаружены;
• медь также не осаждается на ранте и оборотной стороне кремниевой пластины;
• медь не осаждается на заднем алюминиевом электрическом контакте.
2. Достигнута высокая адгезия медного покрытия с серебряной полоской:
• не обнаружено шелушение меди;
• медное покрытие от серебряной полоски не отрывается клейкой лентой.
3. Возможно создание коммерчески выгодных ванн осаждения меди на контактные полоски:
• достигнута скорость осаждения 0.4 мкм/мин;
• низкая цена требуемых химикатов;
• применение водных растворов исключает загрязнение окружающей среды;
• утилизация меди не имеет принципиальных ограничений.
4. Возможно встраивание в технологическую линию осаждение меди на контактные полоски:
• время осаждение от 2 до 10 мин;
• температура осаждения 400С;
• отсутствие органических химикатов
• использование водных растворов
• низкая концентрация раствора соли меди (до 5%)
• средства защиты - только защитные очки и перчатки.
5. Состав выполненных работ соответствует требованиям задания и календарного плана. Содержание лабораторной технологической инструкции соответствует требованиям задания. Изготовлены 3 образца с нанокластерами и нанослоями меди, 3 образца с микрослоями меди на электрическом контакте из пористого серебра.

Работы этапа № 1 «Выбор направлений исследований, экспериментальные исследования и изготовление образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках» выполнены в установленный государственным контрактом, техническим заданием и календарным планом срок.

Руководитель работ по проекту
Доктор химических наук В. И. Лаптев
Развернуть
2
01.10.2009 - 15.12.2009
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 2
«Испытания образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках, обобщение и оценка результатов»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 20 июля 2009 г. № 02.740.11.5074.

Шифр: «2009-1.5-509-009-035»
Период выполнения этапа 1 октября 2009 г. - 15 декабря 2009 г.
Исполнитель: Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский новый университет» (НОУ ВПО «РосНОУ», г. Москва
Цель работы Получение металлических нанослоев контролируемой толщины химическим методом, в том числе на углеродные нанотрубки, исследование возможностей самого метода, а также свойств получаемых наноматериалов.


1. Наименование разрабатываемой продукции

В состав разрабатываемой научно-технической продукции входят:

- лабораторная технологическая инструкция получения металлических нанослоев химическим методом, в том числе на углеродные нанотрубки.
- лабораторные образцы углеродных нанотрубок, модифицированных нанослоями металлов.
- лабораторные образцы пористых металлов, модифицированных нанослоями металлов.
- отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.

2. Характеристика выполненных на 2 этапе работ по созданию продукции
  
В процессе работы разрабатывается экологический и экономичный химический метод осаждения металлических слоев. За отчетный период разработаны 4 методики измерений характеристик образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках. Изготовлены образцы модифицированных медью контактных полосок на облучаемой стороне кремниевого солнечного элемента. Контакт из серебра является пористой подложкой для микрослоев и нанокластеров меди.

Объектами исследования являются нано- и микропористые полоски из серебра шириной 120 мкм и толщиной 30 мкм, объединенные в решетку на фронтальной стороне кремниевой пластины и представляющие собой электрический контакт солнечного элемента. Для модификации их электрических свойств на поверхность и в поры серебра были осаждены нано- и микрокластеры кристаллической меди химическим методом.
  
2.1. При выполнении второго этапа были получены следующие результаты.
  
2.1.1. Изготовлены лабораторные образцы пористых металлов, модифицированных нанослоями металлов.
2.1.2. Полученные образцы нано- и микрослоев медных кластеров на серебряном контакте кремниевого солнечного элемента позволили разработать следующие методики измерений характеристик образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках:
- Разработана методика рентгенофазового анализа экспериментальных образцов осажденных микрослоев меди на серебряную контактную подложку;
- Разработана методика механического измерения профиля контактных полосок солнечного элементов и осажденных микрослоев меди;
- Разработана методика оптического измерения профиля контактных серебряных полосок солнечного элемента;
- Разработана методика электронно-оптического измерения химического состава контактных полосок солнечного элемента с помощью сканирующего электронного микроскопа.
- Новизна разработанных методик измерения характеристик образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках состоит в особенности применения и комплексного использования известных научных методик к впервые полученным медным нано- и микрослоев меди на пористом серебряном контакте кремниевого солнечного элемента.

2.1.3. С помощью разработанных методик проведены следующие измерения характеристик нано- и микрослоев металлов на металлических подложках:
- Проведены систематические измерения параметров профиля медного покрытия серебряной полоски, его химического состава и кристаллической структуры. Например, обнаружен сильный разброс по высоте и площади поперечного сечения контакта при измерениях в разных точках полоски. Из табл. 1 видно, что измеренные высоты контактной полоски лежат в пределах 11,1 мкм и 17,1 мкм. Статистическая обработка 13 измерений дает среднее значение высоты 14,01,6 мкм. Площадь поперечного сечения контакта изменяется в пределах от 534 до 1665 мкм2, среднестатистическое значение равно 1234242 мкм2. Ширина контакта составила 1253.5 мкм.
- Проведен систематический анализ химического состава осажденных слоев меди. Обнаружено, что медь покрывает серебро равномерно и не реагирует с ним.
- Проведено систематическое определение кристаллической структуры осажденных слоев меди. Кристаллическая структура медных нано- и микрослоев соответствует кристаллической структуре массивных образцов меди.
- Проведены многократные осаждения меди на серебряный контакт. С помощью разработанной методики рентгенофазового анализа была определена скорость осаждения меди и максимально возможная толщина медного покрытия.
2.1.4. Результаты, полученные на 2 этапе, были доложены на двух научных семинарах «Методики измерения характеристик микро- и нанослоев металлов на металлических подложках» и «Анализ полученных результатов исследований микро и нанослоев металлов на металлических подложках».
2.1.5. Проведен анализ и обобщение результатов, полученных на 2 этапе. Полученные результаты соответствует требованиям технического задания и представлены в соответствующих разделах отчета по НИР.

2.2. Новизна примененного химического метода осаждения металлических нанослоев из медных кластеров в сравнении с другими химическими методами, родственными по тематике и целевому назначению, состоит в том, что осаждение меди ведется без внешнего источника электрического напряжения, что определяет возможный мировой уровень настоящего исследования.

2.3. Особенность проведенного исследования состоит в том, на отчетном этапе были получены положительные результаты по высоте и ширине, площади поперечного сечения контактной полоски с осажденым микрослоем меди, ее химическому составу и кристаллической структуре, которые отвечают экологическим требованиям и определяют возможную коммерческую выгоду. Ожидается, что они способны повысить эффективность преобразования солнечной энергии на 1-3% и получить коммерческую выгоду за счет снижения цен и увеличения продаж.
2.4. На отчетном этапе созданы предпосылки к признанию разработки экологического и экономичного химического метода осаждения металлических слоев объектом интеллектуальной собственности.

3. Области и масштабы использования полученных результатов

3.1. Областями возможного применения разрабатываемого химического метода нанесения металлических нанослоев являются альтернативные источники энергии и изделия электронной промышленности. Модифицированные нано- и микрокластерами меди серебряные контакты в виде микрополосок могут применяться в производстве солнечных батарей. Поскольку углеродные нанотрубки имеют соизмеримую с медью электропроводность, то от размещения их с медью в порах серебряного контакта можно ожидать исключительных свойств металлических контактов не только в солнечных батареях, но и различных электронных приборах, основанных на инжекции носителей заряда. Кроме того, медные нано- и микрокластеры вместе с углеродными нанотрубками должны улучшить теплопроводность, механические и адгезионные свойства уже известных конструкций.

3.2. Полученные на втором этапе результаты внедрены в образовательный процесс виде проведения на втором этапе работы 2 научных семинара для аспирантов и студентов по темам: «Методики измерения характеристик микро- и нанослоев металлов на металлических подложках» и «Анализ полученных результатов исследований микро и нанослоев металлов на металлических подложках», а также в виде подготовки диссертационной работы.

3.3. Полученные на втором этапе результаты позволяют прогнозировать подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров. Заданные индикаторы и показатели 2 этапа работы достигнуты.

4. Выводы

4.1. Разработаны методики измерений характеристик образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках.

4.2. Проведено измерение характеристик образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках.

  
4.3. Проведены научные семинары «Методики измерения характеристик микро- и нанослоев металлов на металлических подложках» и «Анализ полученных результатов исследований микро и нанослоев металлов на металлических подложках».

4.4. Проведен анализ и обобщение результатов, полученных на 2 этапе.


4.5. Созданы предпосылки к признанию разработки экологического и экономичного химического метода осаждения металлических слоев объектом интеллектуальной собственности.

4.6. Состав выполненных работ соответствует требованиям задания и календарного плана. Получены лабораторные образцы пористых металлов, модифицированных нанослоями металлов. Проведены измерения их характеристик. Содержание методик измерений характеристик образцов нано- и микрослоев металлов на металлические подложки лабораторной технологической инструкции соответствует требованиям технического задания.

Работы этапа № 2 «Испытания образцов нано- и микрослоев металлов на металлических подложках, обобщение и оценка результатов» выполнены в установленный государственным контрактом, техническим заданием и календарным планом срок.

Руководитель работ по проекту,
Приглашенный зарубежный исследователь,
доктор химических наук В. И. Лаптев
  


11 декабря 2009 г.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.04.2010
В процессе работы разрабатывается экологический и экономичный химический метод осаждения металлических слоев. За отчетный период (3 этап) разработана лабораторная технологическая инструкция получения металлических нанослоев и нанокластеров химическим методом на углеродных нанотрубках. Изготовлены экспериментальные образцы углеродных нанотрубок, модифицированных нанослоями и нанокластерами металлов.
Проведены исследования физико-химических и морфологических свойств модифицированной нанослоями и нанокластерами меди углеродных нанотрубок известными методами сканирующей электронной микроскопии с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Для изучения морфологии пробных образцов применялся оптический микроскоп производства ЛОМО. Результаты оптического сканирования поверхности после осаждения меди представлены в виде псевдопространственных компьтерных изображений. Проведены патентные исследования для подачи заявок «Технология металлических нанослоев» и «Устройство контактного наноэлемента».

Объектами исследования являются многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) в виде порошка. Для модификации их свойств на поверхность нанотрубок и во внутреннее пространство многослойных углеродных нанотрубок были осаждены нанослои меди и микрокластеры кристаллической меди химическим методом для применения их в качестве контактных элементов в устройствах наноэлектроники.

  
При выполнении третьего этапа были получены следующие результаты:
  
- Проведен анализ литературных данных по методам получения металлических слоев на углеродных нанотрубках;
- Разработана лабораторная технологическая инструкция получения металлических нанослоев и нанокластеров химическим методом на углеродных нанотрубках;
- Изготовлены экспериментальные образцы углеродных нанотрубок, модифицированных нанослоями металлов;
- Изготовлены экспериментальные образцы углеродных нанотрубок, интеркалированных нанокластерами металлов;
- Проведен патентный поиск;
- Результаты, полученные на 3 этапе, были доложены на двух научных семинарах «Химическая модификация поверхности углеродных нанотрубок» и «Особенности осаждения металлических нанослоев на углеродные нанотрубки»;
- Проведен анализ и обобщение результатов, полученных на 3 этапе.

Полученные результаты соответствует требованиям технического задания и представлены в соответствующих разделах отчета по НИР.
Развернуть
4
01.05.2010 - 05.09.2010
4.1 Разработка методик измерений
характеристик образцов углеродных
нанотрубок, модифицированных
нанослоями металлов и нанотрубок,
интеркалированных нанокластерами
металлов.
4.2 Измерение характеристик образцов
углеродных нанотрубок,
модифицированных нанослоями и
нанокластерами металлов.
4.3 Проведение научных семинаров:
«Методики измерения характеристик
углеродных нанотрубок с металлическим
покрытием»; «Результаты исследований
углеродных нанотрубок с нанослоями
металлов».
4.4 Разработка программы внедрения
результатов НИР в образовательный
процесс.
4.5. Анализ и обобщение результатов,
полученных на 4 этапе.
Развернуть

Программа

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

Программное мероприятие

1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей
Тема
Разработка методов атомно-слоевого осаждения диэлектрических, полупроводниковых и металлических покрытий на наноструктурированные поверхности.
Продолжительность работ
2008, 2 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка метода получения наноструктурированных металлических элементов на поверхности диэлектриков с использованием лазерного осаждения металла из жидкой фазы для создания элементов устройств современной фотоники и микроэлектроники с участием научных организаций Финляндии.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 12 мес.
Бюджетные средства
4 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование возможности получения слоев нанокристаллического кремния природного и модифицированного изотопного состава методом стимулированного плазмой химического осаждения из газовой фазы.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка научных и технологических основ создания мехатронных систем продолженного расширения рабочего тела для повышения энергоэффективности поршневых двигателей.
Продолжительность работ
2009, 5 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка способов получения методами наплавки новых экономичных, высокопрочных, свариваемых слоистых конструкционных металлических материалов для изделий нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации
Продолжительность работ
2014 - 2016, 26 мес.
Бюджетные средства
48,6 млн
Количество заявок
13