Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Третий год проекта был направлен на практическую реализацию пьезоэлектрического наногенератора (ПЭНГ) на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, допированных азотом (N-УНТ), с верхним плоским электродом. Для этого на основе моделирования предварительно были определены оптимальные топологические размеры, толщина и материал верхнего плоского электрода для его последующей технологической реализации и достижения максимальной равномерной силы прижима верхнего электрода на вершины N-УНТ (Хомленко Д.Н., Полывянова М.Р., О.И. Ильин, М. В. Ильина // Российские нанотехнологии, №3, 2025 г.). Определены параметры технологических режимов формирования верхнего и нижнего электродов ПЭНГ с верхним плоским электродом, позволяющие сформировать мембрану верхнего электрода с заданными на основе моделирования топологическими размерами и размером перфорационных микроотверстий. Определены параметры технологических режимов роста N-УНТ с заданными параметрами в области между верхним и нижним электродами ПЭНГ с учетом технологических особенностей, связанных с влиянием предшествующих литографических операций и процессов селективного травления на последующий рост N-УНТ. Установлено, что технологические операции, связанные с процессами формирования и удаления жертвенного слоя SiOx в плавиковой кислоте, а с высокотемпературной обработкой в процессе формирования пленки polySi (640 °С), не оказывают значительного воздействия на каталитическую способность никеля и позволяют осуществлять рост локальных массивов N-УНТ. Установлено, что для получения вертикально ориентированных N-УНТ целесообразно использовать температуру роста 550 °С, обеспечивающую концентрацию легирующей примеси азота до 12% (О.И. Соболева, М.В. Ильина, Д.Н. Хомленко, О.И. Ильин // Наноиндустрия, Спецвыпуск 11s, Т. 18 (135), 2025), и увеличивать время роста для получения N-УНТ длиной свыше 2 мкм. С учетом отработанных режимов разработан технологический маршрут изготовления ПЭНГ на основе массива вертикально ориентированных N-УНТ с верхним плоским электродом, позволяющий реализовать предложенную конструкцию с использованием стандартной кремниевой технологии. Разработан и изготовлен комплект железноокисных фотошаблонов под кремниевые пластины диаметром 100 мм. Изготовлен макет ПЭНГ на основе массива вертикально ориентированных N-УНТ с верхним плоским электродом в соответствии с разработанной конструкцией по предложенному технологическому маршруту за исключением операции ионного легирования поликремниевой мембраны. В качестве альтернативы проводящей мембраны дополнительно был изготовлен гибкий проводящий электрод на основе силиконовой основы с напыленным методом магнетронного распыления слоем Mo толщиной 300 нм. При этом поликремниевая мембрана стала выполнять роль инерционной массы, создавшей исходную механическую деформацию для N-УНТ, выросших вдоль границы перфорационных отверстий. Выполнены исследования выходных параметров макета и установлена их зависимость от амплитуды и частоты внешнего механического воздействия с использованием методики, апробированной на 2-ом году выполнения проекта (M.V. Il`ina, O. I. Soboleva, M.R. Polyvianova, N.N. Rudyk, I.V. Pankov, D.N. Khomlenko, O.I. Il`in, Development of a nitrogen-doped carbon nanotube nanogenerator for mechanical energy harvesting // Carbon Letters, 2025). Показано, что с увеличением амплитуды раскачки динамика от 3,5 до 95 мкм происходит увеличение выходного напряжения (в значениях voltage peak to peak) от 0,14 до 248 мВ. Данная зависимость связана с увеличением величины деформации N-УНТ при увеличении амплитуды вибрации верхнего электрода. При этом наблюдается постепенное насыщение, связанное с пределом сжимаемости гибкого электрода под механическим воздействием вибрационного динамика. Установлено, что с увеличением частоты вибрации динамика от 15 до 120 Гц не наблюдается явной зависимости выходного напряжения, величина которого составляла 152 ± 23 мВ. Данный факт, вероятно, обусловлен тем, что не была достигнута резонансная частота колебаний N-УНТ ввиду демпфирования колебаний мягким материалом гибкого электрода. При этом, увеличение прижима гибкого электрода позволило значительно снизить резонансную частоту колебаний N-УНТ, что приводило к уменьшению выходного напряжения от 375 до 141 мВ с увеличением частоты от 15 до 120 Гц. Максимально достигнутая мощность макета составила ~0,3 мкВт (напряжение 0,550 В, токе 550 нА) при воздействии внешних колебаний частотой 15 Гц и амплитудой ±1,0 В. Энергоэффективность работы макета оценивалась, как отношение амплитуды внешнего сигнала к амплитуде преобразованного сигнала и составила ~28% (0,275 В к 1,0 В). При этом исследования стабильности работы макета ПЭНГ на основе массива N-УНТ с верхним плоским электродом показали его работоспособность на протяжении всего периода воздействия постоянного вибрационного шума (более 4х суток) без тенденции к уменьшению выходного напряжения. При импульсном воздействии отклонение среднего уровня выходного напряжения макета от воздействия к воздействию не превышало 23%. Таким образом, изготовленный макет ПЭНГ на основе массива N-УНТ с верхним плоским электродом позволил увеличить в 4,5 раза мощность и на 11% энергоэффективность макета ПЭНГ на основе массива N-УНТ с верхним профилированным электродом, разработанного на 2-ом году проекта. Кроме того, решена проблема с повышением стабильности работы макета в режиме постоянного механического воздействия. Реализация третьего года проекта позволила получить новые научно-технические результаты и создать технологии, являющиеся основой для создания новых источников энергии на основе пьезоэлектрических наногенераторов с использованием вертикально ориентированных N-УНТ, высоко конкурентных по выходным параметрам с современными разработками в этой области. По результатам реализации третьего года проекта подготовлены 4 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Web of Science»/«Scopus» и RSCI. Результаты проекта представлены на 9 тематических конференциях: X Российский форум «Микроэлектроника 2024», XIV Международная научная конференция «Фуллерены и наноструктуры в конденсированных средах», Международная конференция «Наноуглерод и Алмаз», Международная научно-техническая конференция "Микроэлектронные имплантируемые нейроинтерфейсы 2024", 17-я Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». Подана заявка на патент РФ, защищающая разработанную конструкцию ПЭНГ с верхним плоским электродом. Результаты проекта также вошли в материал докторской диссертации руководителя проекта Ильиной М.В., защищенной 29 октября 2024 года, диссертационный совет 24.2.326.07 ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет» (https://www.mirea.ru/nauka-i-innovatsii/dissertation-tips/dissertatsionnyy-sovet-24-2-326-07/).