Функциональные разветвленные сети на основе одностенных углеродных нанотрубок, жгутов из них и графеновых моно-/слоистых чешуек для эмиссионной электроники: новые технологические решения и прикладные разработки

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00226

НазваниеФункциональные разветвленные сети на основе одностенных углеродных нанотрубок, жгутов из них и графеновых моно-/слоистых чешуек для эмиссионной электроники: новые технологические решения и прикладные разработки

Руководитель Глухова Ольга Евгеньевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" , Саратовская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова Полевая эмиссия, автокатоды, разветвленная 3D-сетка из одностенных углеродных нанотрубок и графеновых чешуек, планируемый эксперимент, технологические решения, вычислительно-технологическая платформа, лазерная наносварка, работа выхода, пондеромоторная сила, туннелирование электронов

Код ГРНТИ47.09.48

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение научной проблемы эмиссионной электроники – поиск новых наноматериалов с целью развития элементной базы для приборов с сильноточными автоэмиссионными источниками электронов. Актуальность и сложность решения этой проблемы обусловлены комплексностью требований, которым должны удовлетворять соответствующие наноматериалы, обеспечивая высокий интегральный ток при оптимальных эмиссионных и механических свойствах, хорошую устойчивость к воздействию тепла и пондеромоторных сил, в том числе при воздействии импульсных и периодических переменных напряжений. Конкретной целью проекта является разработка новых технологических решений формирования с помощью лазера нового углеродного наноматериала высокой твердости и проводимости с развитой поверхностью с большим количеством эмиссионных центров, экспериментальная верификация и получение в итоге нового материала для создания высокоэффективных наноэмиттеров автоэмиссионных катодов. Новый углеродный наноматериал планируется формировать как разветвленную сеть на основе одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), жгутов (bundle) из ОУНТ и графеновых моно- и слоистых чешуек (flakes). Актуальность обусловлена большими перспективами подобных сеток. Сетки на основе графена уже успешно применяются как эмитирующие покрытия острий полевых катодов [Nature Communications, v. 9, аrticle number: 1288 (2018); Applied Surface Science, V. 362, 30 January 2016, p. 250-256; Composite Part B: Engineering, V.183, 15 Feb.,2020, 107600], а также наряду с 3D-сетками из нанотрубок они используются как эмитирующие поверхности, подвешенные между остриями или электродами [Nature Communications, v. 7, аrticle number: 11513 (2016); Journal of Nanosci. And Nanotech. V.19, 2375–2378, 2019]. Главной проблемой подобных сеток остается обеспечение 1) высокой прочности, которая определяется надежностью контактов между компонентами её составляющими, и 2) высокой адгезией с катодной поверхностью. В данном проекте удовлетворение нового наноматериала этим требованиям будет обеспечено в процессе достижения поставленной цели. Поскольку цель проекта является масштабной, она требует комплексного и междисциплинарного подхода, подразумевающего: 1) разработку научно-методического численного аппарата (НМЧА) для решения инженерных и технологических задач в области получения новых функциональных углеродных наноматериалов как эффективных наноразмерных источников электронов для автоэмиссионных катодов; 2) разработку с помощью созданного НМЧА технологических решений а) формирования с применением лазера нового наноматериала на базе графена и ОУНТ/жгутов, обладающего высокой твердостью и проводимостью, развитой поверхностью с большим количеством эмиссионных центров, б) снижения работы выхода путем модификации атомами щелочных металлов с выявлением максимально возможной концентрации; 3) получение лазерной наносваркой нового углеродного наноматериала в виде разветвленной сети из ОУНТ, ОУНТ-жгутов и графеновых моно- и слоистых чешуек, в том числе на различных подложках; 4) формирование образцов функционализированного нового углеродного наноматериала с применением модификации атомами щелочных металлов; 5) экспериментальное исследование эмиссионных характеристик, стабильности эмиссии полученных образцов нового наноматериала. Под наносваркой понимается формирование ковалентных связей между атомами различных нанообъектов в составе наноматериала. Научная новизна предлагаемого проекта заключается в создании новой вычислительно-технологической платформы (ВТП), основу которой составят: а) в качестве вычислительного аспекта – новый НМЧА; б) в качестве технологического – новый лазерно-технологический инструментарий (ЛТИ). Новый НМЧА обеспечит планируемый эксперимент в трех направлениях. Первое направление НМЧА заключается в обеспечении качества лазерной наносварки указанных нанообъектов. Оно подразумевает выявление оптимальных длины волны лазера и длительности импульса при заданной мощности. Второе направление НМЧА заключается в определении оптимальной толщины наноматериала с позиции сужения потенциального барьера для туннелирующих электронов, и критических полей, в которых значение пондеромоторной силы возрастает настолько, что приводит к разрушению наноэмиттера, а также максимальный эмиссионный ток без разрушения эмиссионных центров. Третье направление НМЧА заключается в установлении способа фукнционализации наноматериала атомами щелочных металлов, обеспечивающего снижение работы выхода электронов. Новый ЛТИ будет представлен новой технологией формирования разветвленных 3D-сеток из указанных нанообъектов для автокатодов, которая одновременно: 1) производит качественную наносварку ОУНТ, ОУНТ-жгутов и графеновых моно-/слоистых чешуек на основе априорных данных, полученных из планируемого эксперимента; 2) формирует морфологию поверхности с образованием многочисленных эмиссионных центров в виде «леса» из срощенных ОУНТ, ОУНТ-жгутов и атомарных ребер графеновых чешуек; 3) сращивает синтезируемую 3D-сетку с подложкой. Таким образом, с помощью разработанной ВТП будет получена серия образцов наноматериала с высокими проводимостью и прочностью, толщина которых будет соответствовать оптимальной с позиции увеличения потока туннелирующих сквозь барьер электронов. Уже на основе результатов, полученных с помощью ВТП, будет проведена функционализация образцов в направлении снижения работы выхода. Впервые 3D-сетки из ОУНТ, ОУНТ-жгутов и графеновых чешуек будут модифицированы атомами щелочных металлов, которые, заполняя нанополости 3D-сетки, обеспечат изменение электронного строения наноматериала и снижение работы выхода.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Герасименко А.Ю., Куксин А.В., Шаман Ю.П., Кицюк Е.П., Федорова Ю.О., Сыса А.В., Павлов А.А., Глухова О.Е. Electrically Conductive Networks from Hybrids of Carbon Nanotubes and Graphene Created by Laser Radiation Nanomaterials, Vol. 11, Iss. 8, P. 1875 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11081875

2. Слепченков М.М., Барков П.В., Глухова О.Е. Hybrid Films Based on Bilayer Graphene and Single-Walled Carbon Nanotubes: Simulation of Atomic Structure and Study of Electrically Conductive Properties Nanomaterials, Vol. 11, Iss. 8, P. 1934 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11081934

3. Давидович М.В., Нефедов И.С., Глухова О.Е., Слепченков М.М. Toward the Theory of Resonant-Tunneling Triode and Tetrode with CNT-Graphene Grids Journal of Applied Physics, Vol. 130, Iss. 20, P. 204301 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0067763

4. Слепченков М.М., Барков П.В., Глухова О.Е. In silico study of the electrically conductive and electrochemical properties of hybrid films formed by bilayer graphene and single-wall nanotubes under axial stretching Membranes, Vol. 11, Iss. 9, P. 658 (год публикации - 2021)
10.3390/membranes11090658

5. Глухова О.Е., Слепченков М.М., Колесниченко П.А. Туннельный ток между структурными элементами тонких графен/нанотрубных пленок Физика твердого тела, Т. 63, № 12, С. 2198-2204 (год публикации - 2021)
10.21883/FTT.2021.12.51684.180

6. Куксин А.В., Курилова У.Е., Глухова О.Е., Еганова Е.М., Дудин А.А., Герасименко А.Ю. Electrically conductive CNT networks formed by laser Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2086, P. 012011 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2086/1/012011

7. Герасименко А.Ю., Куксин А.В., Шаман Ю.П., Кицюк Е.П., Федорова Ю.О., Мурашко Д.Т., Шаманаев А.А., Еганова Е.М., Сыса А.В., Савельев М.С., Телышев Д.В., Павлов А.А., Глухова О.Е. Hybrid Carbon Nanotubes–Graphene Nanostructures: Modeling, Formation, Characterization Nanomaterials, Vol. 12, Iss. 16, P. 2812 (1-27 pp.) (год публикации - 2022)
10.3390/nano12162812

8. Илатовский Д.А., Гильштейн Е.П., Глухова О.Е., Насибулин А.Г. Transparent Conducting Films Based on Carbon Nanotubes: Rational Design toward the Theoretical Limit Advanced Science, Vol. 9, Iss. 24, P. 2201673 (1-16 pp.) (год публикации - 2022)
10.1002/advs.202201673

9. Куксин А.В., Глухова О.Е., Герасименко А.Ю. Электропроводящие каркасные материалы из углеродных нанотрубок Известия высших учебных заведений. Электроника, Т. 27, № 1, С. 19-27 (год публикации - 2022)
10.24151/1561-5405-2022-27-1-19-27

10. Нефедов И.С., Давидович М.В., Глухова О.Е., Слепченков М.М., Руби Ю.М. Radiative heat transfer between two carbon nanotubes Scientific Reports, Vol. 12, P. 17930 (1-10 pp.) (год публикации - 2022)
10.1038/s41598-022-22138-8

11. Давидович М.В. Особенности вакуумного резонансного туннелирования на одноямном и двухъямном барьерных потенциалах Журнал технической физики, Т. 92, Вып. 9, С. 1387-1401 (год публикации - 2022)
10.21883/JTF.2022.09.52931.257-21

12. Глухова О.Е., Слепченков М.М. Графен/нанотрубные квази-1D-структуры в сильных электрических полях Физика твердого тела, Т. 64, Вып. 5, С. 578-586 (год публикации - 2022)
10.21883/FTT.2022.05.52340.26

13. Куксин А.В., Шаман Ю.П., Кицюк Е.П., Глухова О.Е., Герасименко А.Ю. Influence of laser radiation on carbon nanostructures in order to improve their electrophysical characteristics 2022 International Conference Laser Optics (ICLO), P. 1-2 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9839984

14. Слепченков М.М., Герасименко А.Ю., Куксин А.В., Шаман Ю.П., Шаманаев А.А., Сыса А.В., Лебедев Е.А., Еганова Е.М., Горячев А.В., Павлов А.А., Глухова О.Е. Electrophysical properties of laser-structured carbon nanomaterials functionalized with LaB6 nanoparticles Diamond and Related Materials, Vol. 140, P. 110512 (год публикации - 2023)
10.1016/j.diamond.2023.110512

15. Давидович М.В., Нефедов И.С., Глухова О.Е., Слепченков М.М., Руби Дж.М. Field emission in vacuum resonant tunneling heterostructures with high current densities Scientific Reports, Vol. 13, P. 19365 (год публикации - 2023)
10.1038/s41598-023-44900-2

16. Заманский К.К., Осипова А.А., Федоров Ф.С., Копылова Д.С., Шунаев В.В., Алексеева А.А., Глухова О.Е., Насибулин А.Г. Sensitivity enhancement of SWCNT gas sensors by nitrogen plasma treatment Applied Surface Science, Vol. 640, P. 158334 (год публикации - 2023)
10.1016/j.apsusc.2023.158334

17. Глухова О.Е., Слепченков М.М. Влияние наночастиц карбида гафния на эмиссионные свойства квази-2D-графен/нанотрубной пленки: исследование из первых принципов Физика твердого тела, Т. 65, Вып. 8, С. 1408-1414 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.08.56163.121

18. Глухова О.Е., Слепченков М.М. Effect of LaB6 nanoparticles on the electronic and emission properties of single-walled carbon nanotubes/graphene hybrid 1D Nanomaterial Letters on Materials, Vol. 13. Iss. 3. P. 312-316 (год публикации - 2023)
10.22226/2410-3535-2023-4-312-316

19. Куксин А.В., Герасименко А.Ю., Шаман Ю.П., Шаманаев А.А., Сыса А.В., Глухова О.Е. Влияние функционализации на электрофизические свойства лазерно-структурированных гибридных углеродных наноматериалов Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика (год публикации - 2023)

20. Глухова О.Е., Слепченков М.М., Кицюк Е.П., Шаман Ю.П., Герасименко А.Ю. Функционализация наночастицами BaO графен-нанотрубных наноструктур для устройств с полевой электронной эмиссией Нано- и микросистемная техника, Том 25, № 6, стр. 266–274 (год публикации - 2023)
10.17587/nmst.25.266-274

21. Давидович М.В. Термополевая эмиссия в наноструктурах с резонансным туннелированием Журнал технической физики (год публикации - 2024)

22. Слепченков М.М., Глухова О.Е. Electronic properties and behavior of carbon network based on graphene and single-walled carbon nanotubes in strong electrical fields: Quantum molecular dynamics study Nanotechnology, Vol. 33, Num. 28, P. 285001 (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6528/ac652a

23. Давидович М.В. Дисперсионное взаимодействие тел произвольной формы Радиотехника и электроника, T. 67, № 10, стр. 955-963 (год публикации - 2022)
10.31857/S0033849422100011

Публикации