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 24-79-00143
НазваниеИсследование оптоэлектронных свойств MXeнов для их практического применения в экранирующих устройствах терагерцового диапазона
Руководитель Бурданова Мария Геннадьевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова терагерцовая фотоника, устройства оптоэлектроники, наноматериалы, MXeны, экранирование электромагнитных волн, эффективность экранирования
Код ГРНТИ29.33.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В связи с возрастающим интересом к высокочастотной электронике, терагерцовые технологии находят все большее применение в телекоммуникациях, электрооптических устройствах, в системах безопасности, спектроскопии биомедицине и химии. Кроме того, в последние несколько лет активно изучается применение сильных терагерцовых полей в различных приложениях. Тем не менее, существует только ограниченное количество материалов способных эффективно экранировать терагерцовое излучение. Было показано, что углеродные материалы обладают отличительными свойствами в терагерцовом диапазоне и способны эффективно его экранировать.
Новизна использования MXene в терагерцовом диапазоне заключается в их недавно открытых уникальных свойствах и потенциале для управления электромагнитными волнами в этом частотном диапазоне. Недавно двумерные слои переходных металлических карбидов (MXene) показали отличную эффективность экранирования в микроволновом диапазоне. Среди всех материалов, тонкая пленка из MXene Ti3C2Tx (≈1.5 мкм) может блокировать 99.99% электромагнитных волн и обладает наибольшей эффективностью экранирования. Кроме того было показано, что композиты на основе Ti3C2Tx обеспечивает значение эффективности экранирования в 76.1 дБ при толщине всего 1 мм. В другой работе было зарегистрировано ослабления сигнала на -11 дБ в диапазоне для образца толщиной 1.4 мм. Как видно из всех этих работ, электропроводящие MXены обладают способностью экранировать электромагнитные волны в диапазоне от микроволн и эти свойства могут быть расширены до терагерцового диапазона. Появляются первые работы в этом направлении.
Целью данного проекта является проведение комплексного исследования оптоэлектронных свойств MXенов с для их практического применения в экранирующих устройствах терагерцового диапазона. В рамках проекта планируется осуществить динамический контроль экранирующих свойств указанных материалов с использованием приложенного поля или оптической засветки, а также систематическое исследование влияния толщины наносимых покрытий из MXенов на экранирующие свойства. Семейство MXенов оказывает большой потенциал для настройки и модификации своих свойств путем изменения структуры и состава материала, что способствует созданию устройств с оптимальными характеристиками для конкретных приложений в области терагерцовых технологий.
Данный проект направлен на получение информации о диэлектрических характеристиках MXенов и их поглощении в широком спектральном диапазоне в зависимости от геометрии образцов. Для получения данных будет использована фурье-спектроскопия, а также время-разрешенная терагерцовая спектроскопия. Кроме того, будут задействованы установки по созданию сильных терагерцовых полей и установка для накачки и зондирования. Ожидается, что данное исследование применения пленок MXенов в экранирующих устройствах может привести к разработке разнообразных устройств, включая оптическое переключение и модулирование терагерцового излучения.
Исследование MXенов в терагерцовом диапазоне представляет новый подход к разработке устройств для управления терагерцевыми волнами. Потенциал применения в области оптической коммуникации, сенсорики, медицинской диагностики делает использование MXene в терагерцовом диапазоне значимым направлением исследований.
Результаты проекта будут опубликованы в высокорейтинговых междисциплинарных научных журналах, представлены на международных научных конференциях, и найдут свое отражение в квалификационных работах молодых исследователей – бакалаврских и кандидатских диссертациях. Участие в выполнении проекта молодых ученых, студентов и аспирантов позволит расширить их научный кругозор, поспособствует получению ими бесценного опыта проведения научных исследований и международного сотрудничества.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе реализации первого этапа проекта был успешно выполнен комплекс экспериментальных исследований, направленных на создание и оптимизацию проводимости наночастиц карбида титана, а также разработку и испытание экранирующих устройств на их основе. Работа включала четыре ключевых направления: формирование тонких пленок, оценку их экранирующей способности, изготовление образцов с электронно-химическим управлением свойствами, а также экспериментальную проверку возможности динамического контроля экранирующих характеристик посредством электрического воздействия.
В результате были получены и всесторонне охарактеризованы тонкие пленки Ti₃C₂Tx методом спрей-напыления на кварцевые подложки при строгом контроле толщины (300, 700 и 1300 нм) и размера наночастиц (порядка 100 нм). Исследования показали высокую эффективность экранирования терагерцового излучения: для частоты 300 ГГц наблюдалось значительное снижение коэффициента пропускания с ростом толщины пленки — от 0,7 до 0,15. Анализ транспортных характеристик выявил высокую электропроводность, определены значения концентрации носителей заряда (17–75 × 10²⁰ см⁻³) и их подвижность (100–260 см²/В·с), что также подтверждает пригодность материала для активных экранирующих приложений.
Разработана прозрачная электрохимическая ячейка на основе MXеновых пленок с ионной жидкостью, позволяющая осуществлять электрический контроль экранирующих свойств. Установлено, что изменение приложенного напряжения в диапазоне от –2 до +2 В приводит к изменению коэффициента пропускания терагерцового излучения в 1,5 раза. Применение ионной жидкости приводит к увеличению длины свободного пробега электронов и модификации электродинамических параметров материала, что обеспечивает стабильный и управляемый отклик MXеновых пленок в широком диапазоне частот.
Особое внимание уделено оптической модуляции: под воздействием фемтосекундной лазерной накачки (800 нм) выявлена отрицательная фотопроводимость, проявляющаяся во временнóм увеличении пропускания терагерцовых импульсов через Ti₃C₂Tx, что связано с особенностями металлической структуры материала. Достигнуто динамическое ослабление экранирующих свойств на наносекундных временных интервалах после оптического воздействия, что открывает перспективы быстрого оптоэлектронного управления экранированием.
Все полученные результаты подчеркивают высокий потенциал Ti₃C₂Tx как многофункционального материала для создания экранирующих устройств с электрической и оптической модулируемостью на терагерцовых частотах. Определены направления дальнейших исследований, включающие оптимизацию состава и поверхностных функциональных групп MXенов, а также расширение группы исследуемых металлов для еще большего повышения эффективности и управляемости экранирующих систем.
Публикации
1. Пауков М.И., Казанцев И.С., Радивон А.В., Целиков Г.И., Якубовский Д. И., Сюй А.В., Командин Г.А., Зайцев К.И., Арсенин А.В., Бурданова М.Г. Влияние толщины на экранирующие свойства MXeнов для электромагнитных волн терагерцового диапазона частот. Прикладная фотоника (год публикации - 2025)