Интеллектуальные инфракрасные фотоэлектронные устройства на основе ван-дер-Ваальсовых гетероинтегрированных многомерных структур

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 23-49-00159

НазваниеИнтеллектуальные инфракрасные фотоэлектронные устройства на основе ван-дер-Ваальсовых гетероинтегрированных многомерных структур

Руководитель Панин Геннадий Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

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

Ключевые слова интеллектуальная энергоэффективная оптоэлектроника, фотомемристор, ван-дер-ваальсовые гетероструктуры смешанной размерности, двумерные материалы, квантовые точки, графен, низкоразмерные халькогениды, оптоэлектронные нейронные сети, машинное зрение

Код ГРНТИ50.33.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фотоэлектронные мемристивные устройства, демонстрирующие динамическое поведение фотоэлектронных состояний, подобное прохождению сигналов в биологических нейронных сетях, могут решить одну из основных проблем современной опто-микроэлектроники, связанную с критическим увеличением энергопотребления при детектировании и обработке больших данных, что существенно ограничивает автономность визуального распознавания и принятия решений в реальном времени, например в беспилотном транспорте. Современный суперкомпьютер с архитектурой цифровой обработки сигналов, имитирующий работу нейронной сети с числом нейронов на два порядка меньшим, чем в мозге человека (водителя), потребляет в миллион раз больше энергии, чем биологическая нейронная сеть, которая выполняет те же задачи (вождение). При этом автономная работа обучаемой зрительной нейронной сети человека распознает информацию на порядки быстрее компьютерной. Актуальность исследования формирования и контроля фотоэлектронных состояний в интеллектуальных устройствах на основе ван-дер-ваальсовых гетеро-интегрированных низкоразмерных структур в условиях электрического, оптического и фононного возбуждения определяется необходимостью создания принципиально новых энергоэффективных фотоэлектронных устройств для автономного оптического зондирования, когда детектирование, обработка и хранение данных происходит параллельно без физического разделения сенсора, памяти и процессора, подобно процессам в биологических нейронных сетях. Интеллектуальные фотоэлектронные устройства позволяют повысить скорость доступа к разветвленным нейронным сетям и улучшить энергоэффективность обработки и хранения в них данных. Представленный проект направлен на решение научной проблемы формирования и контроля многоуровневых фотоэлектронных состояний в устройствах на основе ван-дер-ваальсовых гетероинтегрированных смешано-размерных структур в условиях электрического, оптического и акусто-электрического возбуждения. Проект направлен на исследование экспериментальное и с помощью компьютерного моделирования процессов переноса заряда в гетероструктурах с двумерными кристаллами и нульмерными квантовыми точками, а также структурных и электронных переходов, приводящих к изменению их фотоэлектронных состояний, при разных условиях электрического, оптического и фононного возбуждения. Будут исследованы слоистые фотоэлектронные мемристивные ван-дер-ваальсовые гетероструктуры с фотозатвором из графена/оксида графена, BN, халькогенидов MoS2, SnS2 и др. для управления фотоэлектронными состояниями в инфракрасном (ИК) диапазоне в условиях контроля рекомбинации носителей заряда и акустических фононных возбуждений для решения актуальных проблем автономного распознавания образов, машинного зрения и искусственного интеллекта. Установление механизмов управления фотоэлектронными состояниями в ван-дер-ваальсовых гетеро-интегрированных устройствах позволит создать информационные устройства нового поколения со сверхнизким энергопотреблением, сверхвысокой плотностью записи и с возможностью автономного фото-/фото-акустоэлектронного детектирования и распознавания сигналов, подобно в биологической сенсорной нейронной сети.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Митюшев Н., Кабачков Е., Лаптинский К., Фирсов А., Панин Г., Баранов А. One-Stage Process of Reduction, Fluorination, and Doping with Nitrogen of Graphene Oxide Films ACS Appl. Mater. Interfaces, 15, 52853-52862 (год публикации - 2023)
10.1021/acsami.3c12567

2. Зимбовский Д.С., Капитанова О., Ху Х., Панин Г.Н., Баранов А.Н. Cu2O Photocathodes Modified by Graphene Oxide and ZnO Nanoparticles with Improved Photocatalytic Properties Langmuir, https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c02839 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.langmuir.3c02839

3. Колесов Е.А., Тиванов М.С., Королик О.В., Свито И.А., Антонович А.С., Клишин Ю., Гхазарян Д.А., Арсенин А.В., Волков В.С.,Капитанова О.О., Панин. Г.Н. Graphene on SiO2/Si and Al2O3 under thermal annealing and electric current: Competition of dopant desorption and conformation to substrate Diamond & Related Materials, 139, 110362 (год публикации - 2023)
10.1016/j.diamond.2023.110362

4. Баранов А.Н., Митюшев Н.Д., Фирсов А.А., Кабачков Е.Н., Панин Г.Н. Photosensitive memristor structures based on reduced graphene oxide and carbon nanoparticles J Struct Chem, Vol. 65, No. 4, pp. 840-847 (год публикации - 2024)
10.1134/S002247662404019X

5. Митюшев Н.Д., Ходос И.И., Кабачков Е.Н., Шаталова Т.Б., Панин Г.Н., Баранов А.Н. Chemical stitching of a reduced and fluorine decorated graphene oxide quilt Materials Letters, 372, 136989 (год публикации - 2024)
10.1016/j.matlet.2024.136989

6. Панин Г.Н., Капитанова О.О. Фотомемристорные сенсоры для автономных систем зрения на основе низкоразмерных материалов УСПЕХИ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ, vol. 12, № 5, p. 448. (год публикации - 2024)
10.51368/2307-4469-2024-12-5-448-455

7. Панин Г.Н., Емелин Е.В., Капитанова О.О., Корепанов В.И., Варламова Л.А., Климчук, Д.О., Ерохин С.В., Ларионов К. В., Сорокин П.Б. Мемристорные наноструктуры на основе фазового перехода биграфен/диаман Журнал технической физики (год публикации - 2024)

8. Буилова М.А., Ларионов К.В., Сорокин П.Б. Tunable metallic behavior in Ta2Pd3Se8 nanowires American Chemical Society (год публикации - 2025)

9. А. В. Зотов, Г. Н. Панин, Н. А. Тулина, Д. Н. Борисенко, Н. Н. Колесников Фотомемристивные переключения в кристаллах селенида висмута Орион, Прикладная физика, 2025, № 1, 55 (год публикации - 2025)

10. Джоши А. и др. Scalable synthesis of millimeter-long single crystal Ta2Ni3Se8 Van der Waals nanowires Springer Nature Limited, Scientific Reports (2025) 15:19535 (год публикации - 2025)

11. Митюшев Никита Дмитриевич, Мусаева Дарья Юрьевна, Артемов Даниил Александрович, Сюй Александр Владимирович, Павлова Ольга Сергеевна, Пирогов Юрий Александрович, Кабачков Евгений Николаевич, Фионов Александр Владимирович, Кытин Владимир Георгиевич, Елизавета Александровна Константинова, Виктор Ю. Тимошенко и Андрей Н. Баранов Gadolinium-doped carbon nanoparticles: coordination, spectroscopic characterization and magnetic resonance relaxivity The Royal Society of Chemistry, Dalton Trans., 2025, 54, 7340–7351 (год публикации - 2025)

12. Любовь Юрьевна Антипина, Цзян Вэй и Павел Борисович Сорокин Unlocking the Potential of 1D M2X3Y8 Ternary Transition Metal Chalcogenides: A Review American Chemical Society, Nano Lett. 2025, 25, 7195−7209 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
• Исследована система оксид графена/дисульфид молибдена, изучены перенос заряда и их фоторезистивные свойства. • Исследованы стабильные халькогенидные квантовые точки на основе MoS2, которые представляют из себя структуру в 2Н фазе, в центре которой находится точка из 1Т фазы разного размера и формы, построена зависимость энергии квантовой точки от числа структурных ячеек. • Исследованы наноленты состава Ta2Pd3Se8, предсказаны две новые металлические фазы (1T’ и 1T’’). Рассмотрена возможность контроля структуры нанолент для переключения между проводящей и непроводящей фазой. Результаты подтверждают перспективность таких одномерных материалов для фотомемристорных устройств ИК диапазона. • Разработаны и исследованы и методики нанесения, сшивания и переноса сплошных пленок модифицированного оксида графена на подложки. Отработанный в работе метод нанесения, сшивания и переноса пленок на Si/SiO2 подложках позволял получать сплошные масштабируемые пленки большой площади. Полученные результаты показывают, что помимо фтора, который необходим для предотвращения поперечного сшивания слоев оксида графена, происходит встраивание азота, который в графене является донором электронов и повышает его термическую стабильность. Модифицированный оксид графена, в виде тонкой пленки, охарактеризованный с помощью методов спектроскопии, показал встраивание в его структуру фтора и азота, и их равномерное распределение. https://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=bb7436e8-fd38-4700-b3f3-0034f7c17216 • Были синтезированы и исследованы также углеродные наночастицы. Спектры их флуоресценции демонстрируют широкие пики в видимом диапазоне. При увеличении длины волны возбуждения наблюдается немонотонное изменение интенсивности флуоресценции и смещение пика флуоресценции в красную область. Синтезированные углеродные наноматериалы характеризуются интенсивным поглощением света в широком диапазоне и могут использоваться для формирования фотозатвора мемристорных структур. Гетероструктуры на основе GO, восстановленного аскорбиновой кислотой, демонстрировали энергозависимые фотомемристивные состояния при облучении светом с длиной волны 480 и 532 нм. В структурах, изготовленных на основе GO, восстановленного гидразином, при возбуждении светом 480, 532 и 650 нм, формировались энергонезависимые фотомемристивные состояния. Эти данные указывают на возможность получения фотомемристорных структур с кратковременной и долговременной памятью путем различной модификации GO. • Были изготовлены также многомерные гетероструктуры на основе двумерных и нульмерных материалов, таких как графен, оксид графена, углеродные наночастицы и халькогенидные наноматериалы на трехмерных ферроэлектрических (пьезоэлектрических) подложках с электродами, изготовленными методами фото- и электроннолучевой литографии. Для изготовления гетеро-интегрированных многомерных гетероструктур на трехмерной пьезоэлектрической подложке La3Ga5SiO14 (LGS) был использован электронный пучок для прямой электронной модификации, приводящей к локальному фазовому переходу двухслойного графена с нулевой запрещенной зоной и высокой электрической проводимостью в алмазоподобную полупроводниковую структуру диаман. Биграфен, перенесенный на пьезоэлектрическую подложку LGS облучался электронным пучком через ПММА. Фазовый переход двухслойного графена в диаман наблюдался при высвобождении атомов водорода и кислорода из ПММА и LGS, соответственно, и связывании их в локальных облученных областях с биграфеном. Изменения интенсивности и положения пиков в спектрах КР указывают на фазовый переход биграфена в диаман с sp3 гибридизацией атомов углерода. Рамановское картирование структуры биграфен/диаман/биграфен свидетельствует, что фазовый переход формируется локально в месте облучения, где доля атомов углерода в sp3 гибридизации увеличивается до 3x1011 см-2. Моделирование модифицированной структуры биграфена на LGS и экспериментальная оценка доли sp3-гибридизованных атомов углерода указывают на образование нанокластеров диамана в облученных областях и открытии запрещенной зоны в биграфене в ИК области порядка 0.7эВ. • Были изучены оптические и электрические свойства изготовленных многомерных гетероструктур, возможность контроля их оптоэлектронных мемристивных состояний в широком диапазоне электромагнитного излучения. Фотоиндуциованный фазовый переход, наблюдаемый в структурах на основе MoS2 с КТ, приводит к динамическому фотомемристивному переключению, контролируемому зарядом и температурой. Мемристивные состояния, связанные с 2H и 1T фазами MoS2 контролировались зарядом КТ и переключались светом с длиной волны 532 нм и напряжением смещения 1-2,5 В. Фазовые переходы, контролируемые возбуждением КТ, приводят к многоуровневым состояниям. Структуры с КТ разного размера и разного состава могут формировать фотоиндуцированный заряд и определять геометрию каналов резистивного переключения при возбуждении их светом с разной длиной волны. • Были исследованы мемристорные наноструктуры, изготовленные на основе фазового перехода биграфен/диаман, индуцированного электронным пучком, на пьезоэлектрической LGS подложке. Индуцированный электронным пучком фазовый переход биграфена в диаман приводит к образованию барьера для носителей заряда и нелинейной ВАХ. ВАХ и изменение сопротивления в структуре Al/биграфен/Al необлученной и локально облучённой электронным пучком вдоль линии показывают, что облучение структуры приводит к нелинейной зависимости тока от напряжения смещения и к возрастанию сопротивления на два порядка. Мемристорная наноструктура сформированная электронным пучком в биграфене, показывает энергонезависимые мемристивные состояния биграфена (420 Ом) и диамана (20 кОм), которые можно обратимо переключать в электрическом поле при напряжениях смещения +/- 0.9 В. Моделирование и оценка стабильности структуры биграфен/диаман в электрическом поле показывает, что диаман с минимальной шириной 1 нм термодинамически стабилен. Зависимость барьера расщепления десорбции двух молекул кислорода от приложенного электрического поля показывает, что при ширине ленты <1 нм структура становится нестабильной и расслаивается на двухслойный графен. С увеличением ширины ленты энергетический барьер для расщепления алмазных кластеров растет с 0,66 эВ/ O2 до 2,38 эВ/ O2. Полученные данные указывают на возможность контроля фазового перехода в этих наноразмерных мемристорных структурах в электрическом поле. Низкоразмерные мемристорные структуры, на основе биграфен/диаман на LGS пьезоэлектрической подложке представляют собой новый класс атомарных функциональных устройств, полученных прямым электронно-лучевым экспонированием совместимым с КМОП технологией, и перспективных для создания новой энергоэффективной мемристивной памяти с опто-акустоэлектрическим контролем.

Публикации

8. Буилова М.А., Ларионов К.В., Сорокин П.Б. Tunable metallic behavior in Ta2Pd3Se8 nanowires American Chemical Society (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном году проведены теоретические исследования фазовых переходов в низкоразмерных нанолентах Ta2Pd3Se8 и Ta2Ni3Se8. Показано, что внесение заряда и воздействие температуры позволяют управлять переходом между полупроводниковыми и металлическими фазами. Выявлена новая гибридная металлическая фаза и установлены условия её формирования. Определены оптические диапазоны эффективного переноса заряда и подтверждена чувствительность нанолент к поверхностным акустическим волнам, что открывает перспективы для фотомемристивных приложений. Разработана технология получения сплошных пленок оксида графена, субсантиметрового размера, легированного азотом для контроля проводимости, и их переноса на приборные подложки. Разработана методика легирования восстановленного оксида графена азотом для контроля проводимости и плотности носителей заряда. Реализована оригинальная двухстадийная функционализация графена: окисление его в кислородной плазме с последующим восстановлением в парах гидразина, направленным на замещение кислородсодержащих функциональных групп атомами азота. Такой подход позволил достичь контролируемого легирования графеновых структур. Установлено, что предварительное окисление увеличивает эффективность последующего азотирования по сравнению с непосредственным легированием, что подтверждает ключевую роль дефектной структуры, созданной на первой стадии, в усилении реакционной способности материала. Предложены и отработаны методики, на основе известных методов гидротермального синтеза углеродных наночастиц, позволяющие управлять их оптическими свойствами в широком диапазоне видимого и ближнего ИК, контролируя их состав, размер и поверхностную функционализацию. Синтезированы углеродные наночастицы (CD) размером менее 10 нм, легированные различными катионами редкоземельных элементов для контроля их оптических свойств в видимом - ИК диапазоне. Получена зависимость спектров поглощения от концентрации легирующих катионов. Были изготовлены гетероструктуры на основе оксида графена и углеродных наночастиц, легированных РЗЭ, и определен их фото-отклик при облучении светом разной длины волны. Полученные результаты указывают на перспективность использования углеродных наночастиц для их встраивания в структуры с оксидом графена для контроля их фоточувствительности в широком спектральном диапазоне. Изготовлено и исследовано несколько типов латеральных и вертикальных структур на основе селенида висмута с различными электродами, демонстрирующих мемристивные переключения в электрическом поле при оптическом возбуждении, и хорошую воспроизводимость от цикла к циклу (около 10%), что позволяло получать несколько мемристивных состояний. Исследованы структуры, полученные осаждением из суспензии селенида висмута, которые демонстрируют качественно схожие мемристивные состояния, что открывает путь к изготовлению фотомемристорных устройств на основе этого ИК материала относительно простыми методами 3D печати. Разработана методика, позволяющая выращивать кристаллы LiNbO3:Mg. Выращены оптически однородные монокристаллы LiNbO3:Mg диаметром 20-25 мм и длиной до 30 мм. Синтезированы тонкие пленки ниобата лития (~ 150 нм) на кремниевой подложке методом высокочастотного магнетронного распыления. Разработана технология создания матриц ван-дер-ваальсовых гетероструктур смешанной размерности на основе монослоев графена, оксида графена, халькогенидов и углеродных наночастиц методами фото- и электроннолучевой литографии на подложках из лантангаллиевого силиката (LGS), ниобата лития, а также из слоев ниобата лития, осажденных на кремниевую подложку. Разработаны и изготовлены фотомемристорные устройства, контролируемые опто-акусто-электронным возбуждением в видимом-ИК спектральном диапазоне. Изготовлено фотомемристорное устройство на основе восстановленного оксида графена, легированного фтором и азотом с углеродными наноточками (CD) (rGOFN/CD), которое демонстрирует многоуровневые резистивные состояния, управляемые электрически и оптически возбуждением светом с различными длинами волн. Показано, что окислительно-восстановительный процесс, контролируемый генерацией носителей заряда при фотовозбуждении CD, приводит к появлению уровней резистивного состояния, зависящих от длины волны, что определяет способность распознавать длину волны света. Обнаружена генерация фототока при нулевом смещении, которая позволяет оптически считывать состояния фото ответа и получить фотомемристивный сенсор с автономным питанием. Полученные результаты открывают перспективы создания оптоэлектронных нейроморфных устройств и архитектур на основе фотомемристоров rGOFN/CD для энергоэффективных широкополосных систем технического зрения. Разработаны, изготовлены и исследованы фотомемристорные устройства на пьезоэлектрических подложках для удаленного управления их зарядом и сопротивлением. Изготовлены фотомемристорные структуры на основе ОГ/УНЧ и MoS2/УНЧ в виде матриц 4x2 и 6x2 на монокристаллических подложках LGS методом электронно-лучевой литографии и сформированы ВШП для генерации и детектирования поверхностных акустических волн с длиной волны 60 и 50 мкм. Показано, что ПАВ позволяет бесконтактно возвращать все состояния матрицы в исходное состояние без подачи электрического смещения на каждый ее элемент. Возбуждение фотомемристорное устройства на основе наноструктур BiGr/Diaman/BiGr лазером с длиной волны 1064 нм, 405 нм и 532 нм приводит к изменению сопротивления элементов матрицы с 290 до 340 кОм, 620-700 кОм и 520-600 кОм, соответственно, считываемого при напряжении 0.7В. Проведенное исследование выявило возможность получения динамических мемристивных состояний в условиях фото-акустоэлектронного возбуждения, что можно применить для формирования фотомемристорной нейронной сети. Увеличение амплитуды ПАВ приводило к уменьшению гистерезиса и к промежуточным значениям сопротивления элементов матрицы. Изменение частоты генерации ПАВ позволяло настраивать промежуточные значения фотомемристивных состояний.

Публикации

8. Буилова М.А., Ларионов К.В., Сорокин П.Б. Tunable metallic behavior in Ta2Pd3Se8 nanowires American Chemical Society (год публикации - 2025)