Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Все заявленные научные результаты на конец года получены. Создан нейроинтерфейс, содержащий массив микроэлектродов для считывания информации с нейросетей и для электрического возбуждения нейронов. Дополнительно к запланированным результатам удалось сформировать новое направление, в создании двухэлектродных VO2-наноприборов с рекордно малым энергопотреблением, которые могут стать основой нейроморфных систем, нейроинтерфейсов и сенсоров. 1. Впервые были предложены и реализованы оригинальные конструкции нейроинтерфейсов, содержащие массив микроэлектродов для считывания информации с нейронов и нейросетей и для их электрического возбуждения. Конструкция является модифицированной конструкцией планарного пэтч-клампа Предусмотрена система присасывания мембран нейронов к порам. Впервые появилась возможность регистрации нейронной связи между нейронами, с числом нейронов больше 2 (до 60). Выполнены тестовые измерения. Впервые предложена, разработана технология и реализована конструкция сменных мембран. Сформировано 10 сменных полипропиленовых мембран, на которых можно культивировать клетки нейронной сети (время культивирования от 1 до 2 недель). Продемонстрирована возможность поочередного изучения нейросетей, культивированных на каждой из мембран. Работоспособность системы, возможности регистрации пространственной временной динамики потенциалов в сетях нейронов, измерение сигналов с нейронов при введении токсических веществ в окружающую среду были проверены на культуре нейронов, моллюска Lymnaea stagnalis, образующих нейронную сеть. Обеспечена возможность считывания, по крайней мере, миллисекундных процессов. 2. Предложены оригинальные «мягкие» контакты к нейронам. Разработана технология формирования массива углубленных металлических наноконтактов к нейронам. Технология основана на возможностях наноимпринт-литографии. Расстояние от металлических наноконтактов до мембраны нейрона задается в интервале 100 - 250 нм. Сформированы лабораторные образцы нейроинтерфейсов с массивами «мягких» контактов к нейронам на площади около 150 см2. 3. Впервые предложены и реализованы оригинальные переключающие 3D наноприборы из монокристаллов двуокиси ванадия (VO2), работа которых основана на электрически стимулированном фазовом переходе полупроводник-металл. Одним из контактов является проводящая наноигла, внедренная в кристалл. Концентрация электрического поля и тока у вершины иглы обеспечивает электрическое переключение кристалла из изолирующего в проводящее состояние. 3D наноприбор, не связан с подложкой, активная область не превышает стотысячную или миллионную часть мкм3 (10-6 мкм3). Показано, что энергия потребления такого прибора в 1000 раз меньше, чем у известных приборов с плоскими контактами. Формирование 3D наноприбора включает операцию выращивания нанокристаллов двуокиси ванадия на вершинах массива наноиголок, технология создания которого хорошо отработана. Показано, что контакт в виде проводящей наноиглы, внедренной в кристалл VO2, обеспечивает электрическое переключение кристалла из изолирующего в проводящее состояние при рекордно малом напряжении (в 20-70 раз меньше, по сравнению с плоским контактом), что открывает возможность формирования нейроморфных систем на основе VO2. 4. Показано, что управляемый рост кристаллов VO2 на вершинах проводящих наноигл, является основой для формирования наносенсоров, не связанных с подложкой (free standing) и основанных на эффекте Зеебека. Продемонстрированы сенсоры, работа которых основана на тепловом фазовом переходе и на эффекте электростатического управления. Данные наносенсоры могут служить основой новых оригинальных сенсоров в нейроинтерфейсах. 5. Отправлены в печать 2 статьи (квартиль Q1). Благодарность только РНФ. V.Ya. Prinz, S.V. Mutilin, L.V. Yakovkina, A.K. Gutakovskii, A.I. Komonov, Tip-based ultralow-power VO2 nanodevices, Nano Letters IF =14, Q 1. A.V. Prinz, S.V.Golod, V.A.Seleznev, A.S.Ratushnyak, V.Ya. Prinz, Design and fabrication of planar patch-clamp multielectrode device. Lab on a Chip IF =6,3, Q 1. 6. Сверх заявленного плана написан обзор работ по применению 3D печати в бионике, оптогенетике, нейроинтерфейсах. V.Ya. Prinz, K.B. Fritzler, Additive micro/nano manufacturing in photonics, electronics and bionics готовится к отправке в Nanoscale IF =7,7 Q 1 S.V. Mutilin, V.Ya. Prinz, L.V. Yakovkina, A.I. Komonov. Thermoelectric device based on nanocrystal VO2 готовится к отправке в APL Q 1.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основные усилия в 2019 году были направлены на развитие предложенного в 2018 году нового направления по созданию уникальных двухэлектродных VO2-наноприборов- нанопереключателей, технология которых полностью совместима с кремниевой технологией. Наноприборы состоят их монокристаллического нанокристалла VO2 с внедренной в него наноострой проводящей иглой, выполняющей роль одного из контактов этого прибора. Были проведены импульсные измерения этих VO2 наноприборов, которые продемонстрировали преимущество нашего подхода и показали, что созданные нанопереключатели имеют рекордно малое энергопотребление и перспективны для создания нейроморфных систем, нейроинтерфейсов и сенсоров. Полученные результаты говорят об электрически стимулированном механизме фазового перехода в VO2. Продемонстрировано отличие процессов, развивающихся при фазовом переходе в планарных поликристаллических пленках VO2 и в предложенных нами наноприборах. Показано, что электрическая энергия, вызывающая переключение фазового состояния в нанокристалле VO2 в 500 раз меньше, чем энергия, необходимая для его разогрева до температуры структурного фазового перехода (68 градусов Цельсия). Получены прорывные результаты о стабильности VO2 нанопереключателей, о минимальной энергии, затрачиваемой на переключение. 1. Показано, что предложенный нами оригинальный дизайн нанопереключателя на основе монокристалла VO2 нанометровых размеров со встроенной проводящей наноиглой, обеспечил стабильность работы и рекордное число переключений 2х10^11(двести миллиардов) без каких-либо изменений в характеристиках переключателя. Число переключений было ограничено только временем измерений. 2. Установлено, что электрическая энергия, необходимая для переключения является рекордно малой и составляет всего 4,2 фемтоджоуля, что на несколько порядков меньше известных мировых достижений. Данная величина даже меньше энергии, которую затрачивает нейрон в мозгу человека на формирование 1 спайка (5,6 фемтоджоуля). Тем самым продемонстрирован путь решения энергетической проблемы в сформированых 3D нейроморфных системах, в том числе, предназначенных для компьютеров нового поколения. 3. Получены новые результаты об электрически стимулированном механизме фазового перехода в нанокристаллах VO2, свидетельствующие в пользу электронного фазового перехода (перехода Мотта Хаббарда). Электрические процессы, развивающиеся в нанокристаллах, сильно отличались от процессов в планарных структурах на основе пленок VO2 синтезированных одновременно с ними. Если в планарных структурах, мы наблюдали структурный фазовый переход со временем релаксации сопротивления около 25 нсек, а электрические импульсы длительностью меньше 20 нсек вовсе не приводили к фазовому переходу, то в нанокристаллах фазовый переход инициировался импульсами длительностью меньше, чем 1 нсек, при этом отсутствовала релаксация сопротивления. Электрическая энергия 4,2 фемтоджоуля, которая вызывает переключение, в 500 раз меньше энергии, необходимой для нагрева нанокристалла до температуры теплового фазового перехода. Этой энергии может хватить только для разогрева тонкой нанонити внутри кристалла объемом 20х20х100 нм3, соединяющей вершину внедренной иглы со вторым контактом к нанокристаллу. 4. Продемонстрирована возможность локального, селективного формирования нанокристаллов VO2 только на вершинах кремниевых наноигл. Установлены материалы, на которых не растут пленки и кристаллы VO2, что открывает новые возможности для селективного формирования нанокристаллов в заданных локальных местах подложки и для создания сложных нейроморфных систем. 5. Установлены закономерности синтеза нанокристаллов VO2 (М-фазы) на трехмерных структурах кремния. Найденные режимы синтеза открывают возможность для формирования новых интеллектуальных трехмерных устройств и, в том числе нейроморфных устройств и нейроинтерфейсов. 6. Продемонстрирована полная совместимость технологии формирования VO2 нанопереключателя с кремниевой технологией. 7. Предложенный нами вариант формирования VO2 нанопереключателя решает проблему не только материала VO2, но и других материалов у которых отсутствует подложка для эпитаксии пленок. Совокупность полученных результатов существенно продвигает представление о возможности формирования на основе VO2 нейроморфных схем со сверхмалым энергопотреблением и с длительным временем работы. 8. Разработана технология создания массивов наноканавок с металлическими наноэлектродами, предназначенными для формирования нейроинтерфейсов. Использован оригинальный гибридный метод формирования проводящих 3D микро- и наноэлементов с помощью локального горячего тиснения литографически структурированных тонкопленочных металлических 2D элементов на полимерной подложке. 9. Подготовлен и отправлен в печать обзор о последних достижениях в формировании биогибридных микроструктур методом 3D печати. Особое внимание в обзоре уделено созданию нейроинтерфейсов - биогибридных систем, обеспечивающих взаимодействие нейронной сети мозга и электронных компонент. 10. Закончено оформление большого обзора по формированию с помощью 3D печати микро- и наностуктур 11. Разработанный в 2018 году мультиэлектродный интерфейс в 2019 году был существенно улучшен и ориентирован на исследования ограниченных двумерных нейрональных схем. Продемонстрирована регистрация потенциаловдействия и ионных мембранных токов на примере культивируемых нейронов моллюска Lymnaea stagnalis. В 2019 году по просьбе рецензентов значительно переработано содержание 2 статьей отправленных в печать в 2018 году, добавлены новые результаты. 1. а) Prinz Victor Ya., Mutilin Sergey V., Yakovkina Lyubov V., Gutakovskii Anton K., and Komonov Alexander I., Tip-based ultralow-power VO2 nanodevices,Nano Letters (Q1) (13 стр,4 рисунка,74 ссылки) б)Prinz Victor Ya., Mutilin Sergey V., Yakovkina Lyubov V., Gutakovskii Anton K., and Komonov Alexander I., A new approach to the fabrication of VO2 nanoswitches with ultra-low energy consumption, Nanoscale (Q1).(29 стр.11 рис.,65 ссылок ) 2. а) Prinz A.V., Seleznev V.A., Golod S.V., Ratushnyak A.S., and Prinz V.Ya. Design and fabrication of a planar patch-clamp multi-electrode device (, Lab on a Chip,( Q1) (23 страниц,10 фигур,56 ссылок). б)Prinz A.V., Seleznev V.A., Golod S.V., Ratushnyak A.S., and Prinz V.Ya. , Design and fabrication of multi-electrode interface for cultured neuronal networks. Journal of Neural Engeneering (Q1). (25 станиц,10 рисунков,48 ссылок) 3. K. B. Fritzler, Ya. Prinz, 3D printed biohybrid micro\ nanostructures, Additive Manufacturing (Q1)( 25 страниц, 5 составных рисунков и 70 ссылок ) 4. Golod Sergey V., Gayduk Alexey E., Kurus Nina N., Kubarev Vitaliy V. and Prinz Victor Ya. 3D shaping of thin-film metal patterns by direct imprinting. Advanced materials technology (Q1) отправлено в печать.(49 страниц, 13 рисунков и 81 ссылка) ) 5. Дополнен и подготовлен к отправке большой обзор по 3D микро- и нанопечати. V.Y. Prinz, K.B. Fritzler, Additive micro/nano manufacturing in photonics, electronics and bionics, (Q1)(60 страниц, 19 составных рисунков и 394 ссылки ) 6. S.V. Mutilin, V.Ya. Prinz, L.V. Yakovkina, A.I. Komonov. Thermoelectric device based on nanocrystal VO2" Sensor, Q1(6 страниц,3 рис. 28 ссылок) 7. V.Ya. Prinz, S. V. Mutilin, L. V. Yakovkina, Impact of the curvature radius of the contact needle on the characteristics of the voltage-induced metal insulator transition in VO2 film devices, Journal of Applied Physics (Q2). 8. 3D micro- nanoprintig by using lithographic masks. V.Ya. Prinz, A. V.A. Seleznev V. Prinz, D.B. Sultanov, , S.N. Rechkunov, Additive Manufacturing (Q1) ( 11 стр. 5 рис. 14 ссылок) 9. S. V. Mutilin, V Ya. Prinz, A. K. Gutakovsky, L. V. Yakovkina.«Peculiarities of VO2 crystals growth by MOCVD on 3D Nanostructures, Crystal Growth & design, Q1. Во всех статьях указано, что исследование выполнено только за счет гранта Российского Научного Фонда.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
К главным результатам 2020 года относятся следующие: - найдены условия MOCVD синтеза диоксида ванадия (VO2), позволившие существенно улучшить качество монокристаллов нанометровых размеров; - найдены режимы синтеза, при которых формируется кристалл VO2 с четко выраженной огранкой, состоящий только из М-фазы и проявляющий большое изменение сопротивления при фазовом переходе; Такие отдельные нанокристаллы являются высококачественными и необходимы для формирования долговечных наноприборов и схем. - впервые установлены условия высокоселективного синтеза нанокристаллов VO2, в том числе на 3D кремниевых структурах; -впервые установлены условия высокоселективного синтеза нанокристаллов VO2 на Al микро- и наноплощадках. Селективный синтез необходим, прежде всего, для формирования 3D кросс-бар структур нейроморфных схем. - впервые установлены материалы на поверхности, которых отсутствует синтез VO2. - продемонстрировано формирование 3D массива прецизионных наноколец VO2, перспективных для перестраиваемых оптических нанорезонаторов и оптических элементов нейроморфных схем. - исследованы биполярные резистивные переключения отдельных наночастиц V2O5 (с диаметром до 5 нм) инкапсулированных во фторграфеновые слои. Полученные результаты открывают путь создания создания сверхмалых биполярных мемристоров. - в 2020 году опубликовано 3 статьи в журналах Q1. Разработанные технологии позволяют управляемо синтезировать как одиночные высококачественные наноразмерные монокристаллы диоксида ванадия, так и их упорядоченные массивы на 3D кремниевых наноструктурах. Технологии основываются на хорошо отработанной кремниевой технологии, а сами приборы практически полностью (за исключением нанокристаллика VO2) состоят из кремния, что делает перспективным их быстрое внедрение в предприятия кремниевой электроники. В 2020 году большое внимание уделено улучшению качества синтезируемых нанокристаллов VO2, необходимых для формирования нейроморфных систем, электронных и фотонных приборов. В результате комплексных исследований морфологии, кристаллической решетки, состава и электрических характеристик синтезированных нанокристаллов, мы показали, что высококачественные бездефектные монокристаллы диоксида ванадия М-фазы на 3D кремниевых структурах формируются в очень узкой оптимальной области температур (453 ±20оС). Вне этого диапазона синтезируются кристаллы, либо имеющие большие структурные дефекты, либо представляющие собой смесь нескольких фаз. Сформированные из высококачественных монокристаллов двухконтактные резистивные нанопереключатели VO2, демонстрируют рекордную энергоэффективность (<4.2 фДж на переключение) и долговечность (>2·10^11 переключений). В работе [Mutilin S. V., Prinz V. Ya., Yakovkina L. V. and Gutakovskii A. K.) Selective MOCVD synthesis of VO2 crystals on nanosharp Si structures CrystEngComm https://doi.org/10.1039/D0CE01072C (2020) ] получил дальнейшее развитие предложенный подход формирования VO2 наноприборов. Подход основан на максимальном использовании кремния в составе VO2 приборов. Практически все элементы приборов формируются из кремния, и только на финальном этапе в заданных местах, на наноконтактных площадках, или на наноострых кремниевых элементах синтезируются монокристаллические нанокристаллы VO2. Установлены условия управляемого синтеза высококачественных кристаллов на вершинах Si наноигл, наногребнях и высокоселективного синтеза 3D массивов наноколец. Мы обнаружили возможность управляемого высокоселективного синтеза сложных наноструктур VO2 в виде отдельных колец и их упорядоченных прецизионных массивов. Селективный синтез осуществлялся на вертикальных цилиндрах, сформированных в результате попеременных процессов ионного травления и пассивации кремния (Бош-процесс). Из-за периодичности процесса на стенках таких цилиндров образуются гребешки. Синтез VO2 на них приводил к формированию массивов наноколец-резонаторов. Такие массивы перспективны для формирования перестраиваемых оптических метаматериалов и быстродействующих систем передачи и обработки информации. Важно отметить, что Бош-процесс очень широко применяется в электронной промышленности, а разработанные структуры практически полностью кремниевые. Это открывает для нашей технологии хорошие перспективы для внедрения в производство (заявка на изобретение оформляется). Данный подход можно распространить на другие новые материалы. Методами MOCVD нами были управляемо синтезированы разные фазы оксидов ванадия (пленки, нанокристаллы) с валентностью ванадия 4 (VO2) и 5 (V2O5, V6O13). При помощи температурного отжига (600 оС) в кислородной атмосфере, было показано, что кристаллы с фазами VO2 и V6O13 можно трансформировать в V2O5, как полностью, так и частично (только внешнюю оболочку кристалла перевести в V2O5, а ядро кристалла оставить прежним). Эти результаты важны для формирования гетероструктур на основе оксидов ванадия. Полученные результаты перспективны для формирования сверхбыстрых высокостабильных логических наноэлементов для нейроморфных компьютеров будущего, «умных» метаматериалов, сенсоров и оптических фотонных устройств. Суммируя отметим, что в результате выполнения проекта разработано новое направление нанотехнологии, которое включает в себя синтез отдельных монокристаллических кристаллов VO2 наноразмеров и оригинальный метод формирования наноприборов с рекордной энергоэффективностью. Отметим, что отсутствует какая-либо другая технология, которая могла бы сформировать приборные структуры, подобные нашим. По теме проекта написано 2 комплексных обзора, которые раскрывают актуальные темы нейроинтерфейса, биогибридных структур, использующих VO2 структуры и проблемы 3D микро- и нанопечати. Статьи отправлены в печать. В 2020 году улучшена конструкция нейроинтерфейсов с жидкими микроэлектродами, со сменными мембранами, с возможностью in vivo и in vitro одновременно и последовательно записывать сигналы с массива нейронов. Данные нейроинтерфейсы перспективны для практических применений в нейро-психофармакологии при оптимизации лекарственных препаратов. Разработана технология формирования нейроинтерфейсных электродов с биосовместимыми и биостойкими нанопокрытиями HfO2. Электроды формировались из прецизионных Si нанотрубок с использованием нашей технологии сворачивания упруго-напряженных полупроводниковых мембран [PrinzV. et al., Physica E, 2000]. Ранее проводимость материала трубок не позволяла их использовать. В 2020 году на нанотрубки методами плазменно-стимулированного и термического атомно-слоевого осаждения были синтезированы диэлектрические пленки оксида гафния. Толщины стенок таких нанотрубок (10 нм-1 нм) позволяют проходить сквозь мембрану клеток без ее разрушения. Применение таких трубок перспективно для формирования уникальных нейроинтерфейсов. В 2020 году опубликовано 3 статьи в журналах Q1 5 работ в трудах конференций индексируемых в РИНЦ. Капогузов К.Е., Структурные и электрические свойства тонких пленок диоксида ванадия синтезированных на разных слоях диоксида кремния, Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2020» , 10-27 ноября г.Москва, - устный доклад (Призер 1 степени) Мутилин С.В., Синтез наноструктур VO2 на 3D поверхностях кремния, Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2020», 10-27 ноября г.Москва, - устный доклад (Призер 1 степени) К.Е. Капогузов, С.В. Мутилин, Л.В. Яковкина, В.Я. Принц, Свойства фазового перехода в тонких пленках диоксида ванадия, синтезированных на разных слоях диоксида кремния, ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА (ФТТ-2020), стр. 113-115, Томск, 18 мая 2020 г. - устный доклад Манцуров Н.Д., Мутилин С.В., Принц В.Я., Яковкина Л.В., Характеристики фазового перехода в пленках VO2 синтезированных на плоских и наноструктурированных подложках, «Школа молодых ученых «Актуальные проблемы полупроводниковых наносистем» АППМ-2020, 14–16 декабря 2020, Новосибирск, - стендовый доклад Капогузов К.Е., Мутилин С.В., Принц В.Я., Моделирование и изучение резистивного переключателя на основе нанокристалла VO2 с золотыми конусообразными контактами, «Школа молодых ученых «Актуальные проблемы полупроводниковых наносистем» АППМ-2020, 14–16 декабря 2020, Новосибирск, - стендовый доклад В СМИ опубликовано 12 сообщений о достигнутых результатах. Кроме этого, отправлено еще 4 статьи в журналы Q1 и 2 статьи в журналы Q2. 1. Prinz A.V., Seleznev V.A., Golod S.V., Ratushnyak A.S., and Prinz V.Ya. Design and fabrication of multi-electrode interface for cultured neuronal networks, Journal of Neural Engineering Q1 IF=4,5 2. Mutilin S., Kapoguzov K., Prinz V., Yakovkina L, Effect of SiO2 buffer layer thermal growth method on metal-semiconductor transition in CVD synthesized VO2 films Thin Solid Films. Q2 3. Fritzler K.B.. Prinz V.Ya. 3D printing of smart biohybrid microsystems, Additive Manufacturing.Q1 IF=7 4. Prinz V.Ya., Fritzler K. B. Additive micro/nano manufacturing for photonics and electronics. Q1 IF=26 5. A.I. Ivanov, Prinz V. Ya. I.V. Antonova, A.K. Gutakovskii, The resistive switchings on individual V2O5 nanoparticles encapsulated by fluorinated graphene Q2 6. Prinz V.Ya., Seleznev V.A., Prinz А.V., Sultanov D.B., Rechkunov S.N. 3D micro- nanoprintig by using lithographic masks. Additive Manufacturing. Q1 IF=7