Наукоемкие технологии и материалы

за одну штуку. На оборудование одной нефтевышки требуется порядка 200 газовых сенсоров. В связи с этим приобретение таких приборов увеличивает затраты на нефтедобычу.

В настоящее время среди газовых сенсоров широкое распространение получили пьезокварцевые, термокаталитические и кондуктометрические (полупроводниковые). С развитием нанотехнологий удалось получить высокодисперсный материал, обладающий высокой сорбционной активностью, что позволило повысить чувствительность полупроводниковых сенсоров. В работе мы предлагаем использование стабильных и высокочувствительных полупроводниковых (МОS) сенсоров на основе нанопорошка диоксида олова. Для производства нанопорошка использовали ацетат олова

(+2):

Полученную нанодисперсную оловянную кислоту осаждали, просушивали и прокаливали. В результате оловянная кислота превращалась в нанопорошок диоксида олова (рисунок):

Снимок зерен SnO2, полученный на просвечивающем электронном микроскопе.

Порошок смешивали с наполнителем и отжигали. Для повышения селективности и чувствительности были подобраны каталитические добавки, температуры отжига чувствительного слоя и оптимальные температурные режимы работы сенсора, что позволило снизить предел обнаружения и определять концентрации сероводорода ниже 10 ppm. Использование дешевых прекурсоров и простой методики получения нанопорошка позволяет производить сенсоры по $35 за штуку.

151

УДК 621.382

РАЗРАБОТКА ГИБРИДНЫХ ЭМИТТЕРОВ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУР С60/S

Тучин А. В.

Воронежский государственный университет

E-mail: 24in@mail.ru

Создание устройств наноэлектроники, совместимых с кремниевой технологией является актуальной задачей на данный момент. Среди множества перспективных направлений разработок большой интерес представляют полевые электронные эмиттеры для современной вакуумной электроники, которая сохраняет свои позиции в областях применений, где требуется радиационная стойкость, высокая пиковая мощность, устойчивость к электромагнитным импульсам и т.п. Основным недостатком полевых эмиттеров до последнего времени были высокие рабочие напряженности электрического поля и необходимость использования высокого вакуума. Обнаружение эмиссионных свойств у наноуглеродных структур расширило возможности применения полевых эмиттеров. Это обстоятельство было обусловлено чрезвычайно низкими пороговыми напряженностями поля и способностью к работе в относительно низком вакууме. В качестве наноуглеродных структур в эмиссионных устройствах используют углеродные нанотрубки (УНТ). Низкая пороговая напряженность эмиссии обеспечивается наличием больших локальных полей, возникающих из-за присутствия фуллереновых «шапок» на концах нанотрубок. Несмотря на хорошие эмиссионные свойства УНТ, существует непреодолимая технологическая проблема выращивания регулярных структур УНТ одинакового диаметра и хиральности ориентированных перпендикулярно подложке. Замена нанотрубок на фуллерены, которые являются идентичными при различных технологических условиях, позволит решить указанные проблемы. Для разрабатываемых эмиссионных устройств на основе фуллеренов исследуются фуллерены С84 [1], которые значительно дороже фуллеренов С60. Целью работы является создание новых гибридных структур на основе фуллеренов С60/Si для автоэмиссионных устройств.

На данный момент из первых принципов проведены расчеты молекулы фуллерена С60 во внешнем электрическом поле в интервале 0…108 В/см. Выявлена ориентационная деформация углеродного

152

скелета, индуцированное перераспределение заряда, приводящее к возникновению дипольного момента фуллерена С60 (11.35 D, при E=5∙107 В/см), обнаружена селективная реакция электронных подсистем на внешнее поле: σ- электронная подсистема остается стабильной, а в π-электронной системе наблюдается значительное перераспределение электронной плотности, что обеспечивает электрическую и термическую стабильность фуллерена С60, с одной стороны, и возможность влиять на реакционные способности молекулы. Ориентационная деформация и возбуждение π-электронной подсистемы приводят к значительным изменениям ИК-спектра фуллерена С60. Установлено, что при величине поля E=5∙107 В/см происходит активация шести дополнительных колебательных мод ИКспектра [3]. Важной характеристикой молекул является энергетический зазор между низшей свободной молекулярной орбитатью (LUMO) и высшей занятой МО (HOMO). Значение энергетического зазора влияет на многие характеристики молекулы [2]. В ходе работы установлено, что электрическое поле стабилизирует LUMO и дестабилизирует HOMO орбитали, что приводит к уменьшению потенциала ионизации фуллерена С60 и к уменьше-

нию ELUMO-HOMO. Уменьшение ELUMO-HOMO приводит к изменению как электрических и оптических свойств фуллеренов, так и к акти-

вации молекулы, что упростит проведение химических реакций с С60. При осаждении фуллеренов на Si необходима активация подложки и фуллерена, активация электрическим полем является предпочтительнее стандартной термической, так как уменьшает требование к вакууму в камере, где проводится осаждение.

Литература

1.Chih-Pong Huang, Chih-Chuan Su, et. al Nanomeasurements of electronic and mechanical properties of fullerene embedded Si (111) surfaces //.- Appl. Phys. Let.- 2010.- №97, p. 061908 01-061908 03

2.Каманина Н. В. Электрооптические системы на основе жидких кристаллов и фуллеренов – перспективные материалы наноэлектроники. Свойства и области применения // СПб: СПбГУ-

ИТМО, 2008. С. 137.

3.Тучин А. В., Битюцкая Л. А. Поляризация фуллерена С60 в постоянном электрическом поле // Конд. ср. и межф. гр.- 2010.-Т12, №12.-С.168-172

153

УДК 621.382

РАЗРАБОТКА МАКЕТА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ ГРАФЕНОВЫХ ЛИСТОВ

Сухотерин Е. В.

Воронежский государственный университет

E-mail: suhoterin88@mail.ru

В настоящее время кремниевые технологии, фактически, достигли своего предела. Для повышения скорости вычислений при одновременном уменьшении размера устройств, необходимо искать альтернативный подход. Один из вариантов такого подхода – использование новых веществ, исследование которых возможно благодаря нанотехнологиям. Одним из наиболее вероятных кандидатов на должность «кремниезаменителей» являются материалы на основе углерода — углеродные нанотрубки и графен, которые могут стать основой наноэлектроники будущего. Графен обладает замечательной механической и химической стабильностью и уникальными электронными свойствами.[1,2].

Целью работы является, создание полевого транзистора на основе графеновых листов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: Расчѐт квантоворазмерных эффектов в графеновом транзисто-

ре.

Моделирование свойств полевых транзисторов на основе графена.

Разработка теоретической модели полевого транзистора, с использованием программных пакетов.

Создание тестового образца и тестового окружения. Планируется проведение работ в течение 2 лет в соответствии

с календарным планом. Работа выполняется в четыре этапа:

Этап 1. Анализ литературы, описание способов и выбора решения задач, обоснование принятого направления разработки.

Этап 2. Моделирование свойств полевых транзисторов на основе графена:

-расчет и моделирование вольт-амперных характеристик;

-расчет и моделирование плотности носителей заряда как функции затворного напряжения;

-моделирование основных характеристик графенового транзистора при различных температурах;

154

- расчѐт распределения электрического поля.

Этап 3. Конструирование теоретической модели полевого транзистора, с использованием программных пакетов:

-создание алгоритма работы полевого транзистора на основе графена;

-разработка функционального описания теоретической модели полевого транзистора.

Этап 4. Создание тестового образца и тестового окружения.

-сравнение экспериментальных и теоретических характе-

ристик.

-подготовка отчетных материалов.

Ожидаемые научные результаты по завершении 1-го года финансирования - анализ теоретической модели графенового транзистора; устранение высокого тока утечки в графенофых структурах, с помощью использования узких полосок графена в которых присутствует кванто-размерный эффект, благодаря которому образуется запрещенная зона; изучение возможности минимизации транзистора на базе графена; разработка конструкции полевого транзистора на основе двухслойного графена.

Ожидаемые научные результаты по завершению 2-го года финансирования - разработка методики технологического процесса по созданию транзистора на основе графена; получение графенового транзистора, работающего в гигагерцовом диапазоне; измерение вольт-амперных характеристик и других характеристик графенового транзистора; сравнение расчѐтных и экспериментальных характеристик.

Литература

1.M. Barbier Single-layer and bilayer graphene superlattices: collimation, additional Dirac points and Dirac lines / M.Barbier, P. Vasilopoulos, F. Peeters // Phil. Trans. R. Soc. A - 2010 №(368) p. 5499-5524.

2.L.Liao High-κ oxide nanoribbons as gate dielectrics for high mobility top-gated grapheme transistors / L. Liao, J. Bai, Y. Qu, Y. Lin, Y. Li, Y. Huangb, X. Duan // PNAS 2010 №15 p. 6711–6715.

155

УДК 621.38

РАЗРАБОТКА НАНОУГЛЕРОДНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ

Воробьев А.Ю.

Воронежский государственный технический университет Е-mail: ckpn@mail.ru

Проект направлен на решение проблемы становления и развития в Российской Федерации новейшей технологии создания электронной компонентной базы на основе углеродных тубулярных наноструктур. В настоящее время технологии такого уровня ни в России, ни в мире не существует.

Cовременные конденсаторы должны отвечать требованиям высокого быстродействия, высокой энергоемкостью и малыми габаритными размерами [1,2].

Целью настоящего проекта является разработка технологии изготовления наноуглеродных электродов суперконденсаторов c двойным электрическим слоем, отвечающего указанным требованиям.

Задачами выполнения проекта являются:

–анализ литературных данных, выбор методов и методик исследований, патентный поиск, проведение экспериментов;

–разработка эскизной конструкторской и технологической документации;

–разработка и изготовление экспериментальных образцов суперконденсаторов;

–разработка и изготовление опытных образцов суперконденсаторов и проведение их испытаний, выполнение контрольноизмерительные операций;

–разработка рабочей конструкторской и технологической документации;

–завершение испытаний образцов суперконденсаторов;

–подготовка мелкосерийного производства;

выпуск и реализация малых партий продукции.

В работе применяются современные методы и методики исследований: химических газотранспортных реакций (система С2H2-H2) [3], металлографии, химического и кристаллографического анализа, электросопротивления, сканирующей зондовой, оптической и растровой электронной микроскопии, рентгеноспектрального мик-

156

роанализа и др.

Врезультате выполнения проекта будет разработаны способы

итехнология изготовления наноуглеродных электродов суперкон-

денсаторов, удельная площадь поверхности которого превышает 4000 м2/г, величина запаса энергии на единицу массы – более 10 Вт/г, а емкость – более 5000 фарад, что существенно превосходит

выпускаемые в настоящее время конденсаторы на емкости в диапазонах до микрофарад (10-6 фарад), до нанофарад (10-9 фарад) и до пикофарад (10-12 фарад).

Работа находится на стадии завершения исследований НИОКР. Предложена конструкция и способ изготовления суперконденсатора с двойным электрическим слоем. Подана заявка на получение патента. Проведены маркетинговые исследования, разработан биз- нес-план проекта.

Создание наноуглеродных суперконденсаторов высокой энергоемкости позволит не только использовать их в качестве незаменимых элементов электрических схем различных приборов и устройств – от персональных компьютеров до СВЧ-печей, мобильных телефонов и телевизоров, но и завоевать новую область применения – аккумуллирование энергии. Разработка может быть использована в интересах Министерства обороны, атомной промышленности и энергетики и др. Преимуществами наноуглеродных суперконденсаторов являются: высокое быстродействие, мощность и энергоемкость при сверхмалых габаритных размерах [4-6].

Помимо новой конструкции суперконденсатора новизна предлагаемого нами подхода в сравнении с аналогичным подходом разработчиков США и других стран, определяющая мировой уровень разработки по научным и технологическим критериям, заключается в методе выращивания углеродных нанотрубок: нанотрубки выращиваются с использованием в качестве катализатора частиц на-

ногранулированного композита Ni-Mg2O.

Прогнозируется, что жизненный цикл наноуглеродных суперконденсаторов нового поколения составит не менее 25 лет.

Полная стоимость проекта: 12 000 000 (двенадцать миллионов) рублей.

Интеллектуальная собственность, которая уже создана и/или будет создана в ходе выполнения НИОКР:

1. Заявка на патент №2010102440 Способ получения углеродных нанотрубок / Небольсин В.А., Воробьев А.Ю. и др. Зарегист-

157

рировано в ФИПС 25.01.2010 г.

Литература

1.Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – Пер. с японск. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 134 с.: ил.

2.Уорден К. Новые материалы и конструкции. Свойства и применение. Москва: Техносфера, 2006. – 224 с.

3.Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Сборник под ред. П.П. Мальцева. Москва: Техносфера, 2006.

4.Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. Мир материалов и технологий. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2003, 336 с.

5.Справочник по электрическим конденсаторам под ред. Четверткова. – М.: Радио и связь, 1983. – 576 с.; ил.

6.Chuizhou M. et al. Highly Flexible and All-Solid-State Paperlike Polymer Supercapacitors – Nano Lett. – DOI: 10.1021/nl 1019672.

УДК 66.074

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА

Поздняков И.А.

Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)

E-mail: mr_907@mail.ru

К сожалению, задача обеззараживания воздуха и внутрибольничных инфекций до сих пор не только не решена, но и становится все более острой, о чем свидетельствует статистика: 2,5 млн. случаев заражения внутрибольничными инфекциями ежегодно, высокий риск профессиональной заболеваемости в инфекционных и туберкулезных больницах, выявление все новых и новых штаммов микроорганизмов, устойчивых к воздействию антибиотиков, химических препаратов и ультрафиолетового излучения.

Для очистки воздуха от твердодисперсной фазы микрозагрязнений применяются воздушные фильтры, а для обеззараживания воздуха в медицинских учреждениях уже более 80 лет применяется ультрафиолетовое излучение. Однако обеззараживание и дезинфекция воздуха с помощью ультрафиолета малоэффективно по нескольким причинам, а именно:

158

-зависимость эффективности УФ-рециркуляторами от конкретного микроорганизма;

-многие микроорганизмы устойчивы к облучению УФрециркуляторами;

-кварцевые лампы рециркуляторов и облучателей нельзя использовать для обеззараживания воздуха в присутствии людей.

Метод фильтрации воздуха также малоэффективен, т.к. фильтр способен пропустить только 10% от общего объема воздуха помещения, в процессе удержания загрязнений происходит проскок частиц загрязнений через фильтр, а также происходит накопление и рост концентрации микроорганизмов в фильтровальном материале.

Подходы к очистке и обеззараживанию воздуха, профилактике внутрибольничных инфекций должны быть изменены!

Авторами предлагается способ очистки воздуха заключающийся в воздействии на загрязнения силовых электрических полей определенного характера, с одновременной выработкой отрицательных аэроионов и озона необходимой концентрации. При этом происходит удаление пыли, спор, плесени, бактерий, вирусов, шерсти домашних животных, пылевого клеща, взвеси стройматериалов, пластмасс, стекловолокон, косметической и бумажной пыли, цветочной пыли и пуха, эпителий человека, а также очищение воздуха от следующих компонентов: фреон-12, сероуглерод, сероводород, запахи продуктов питания, запахи животных, товаров бытовой химии, табака, жженых материалов, выхлопных газов, эфирных масел, продуктов горения хлороформ, неприятных запахов.

Предлагаемая система очистки и обеззараживания воздуха (СООВ) значительно отличается от существующих тем, что имеет небольшие габариты, потребляемая мощность не превышает 15Вт, обладает хорошими эргономическими качествами, предельно проста в эксплуатации, электробезопасна. Предлагаемая система очистки и обеззараживания воздуха состоит из электроочистителя воздуха со встроенным ионо-озонатирующим устройством различного предназначения (бытового или промышленного), при наличии неоспоримых преимуществ по цене сравнима с представленными на рынке в настоящий момент средствами очистки.

В настоящее время авторами проведены экспериментальные исследования предлагаемой системы очистки и обеззараживания воздуха, подтвердившие возможность ее использования, определены сроки и этапы коммерциализации данной идеи.

159

Предлагаемая система очистки и обеззараживания воздуха применима для борьбы с внутрибольничными инфекциями и профилактики туберкулеза, гриппа, ОРВИ и других опасных инфекций в медицинских учреждениях, осуществляющих свою деятельность, как в государственном, так и в коммерческом секторах медицины.

УДК 537.9

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ НА ОСНОВЕ БЕССВИНЦОВОЙ КЕРАМИКИ

Толстых Н. А., Лисицкий Д. А.

Воронежский государственный технический университет

E-mail: mad_nik@bk.ru

Энергонезависимые постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или, по-английски, ROM — Read Only Memory), традиционно предназначены для хранения программ. Основной особенностью этой категории запоминающих устройств (ЗУ) является сохранение записанной в них информации после отключения напряжения питания. В системах обработки информации они применяются только для чтения, или преимущественно для чтения, поскольку процесс записи в них трудоемкий и долговременный. Как идеальное решение для применения в качестве энергонезависимого ОЗУ можно рассматривать так называемую FRAM. FRAM — это запоминающее устройство типа ОЗУ, которое использует сегнетоэлектрический эффект для реализации механизма хранения данных. Этот механизм существенно отличается от используемой в других типах энергонезависимой памяти, использующей технологию плавающего затвора. Сегнетоэлектрический эффект позволяет в материале сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. При приложении электрического поля к сегнетоэлектрическому кристаллу центральный атом перовскитной элементарной ячейки смещается в кристаллической решетке в соответствии с полярностью поля и занимает определенное положение, соответствующее направлению поля, а именно «0» или «1». Внутренняя схема управления позволяет определить состояние памяти. При снятии электрического поля центральный атом остается в том же положении, в котором он был, находясь в электрическом поле. Таким образом, память FRAM не нуждается в постоянной ре-

160