• Разработка и развитие технологических методик синтеза высокодисперсных коллоидных систем на основе оксида кремния и оксида титана (IV) и получение просветляющих и защитных покрытий широкого назначения на их основе
  

  Руководитель направления Кособудский Игорь Донатович в.н.с., д.х.н, профессор

  
  

   
  Эффективным способом улучшения физическо-химических свойств пленок на основе диоксида кремния и диоксида титана является модифицирование примесями, за счет которого, например, можно создать полупроводниковый материал, обладающий, уникальными свойствами, связанными с различным характером полупроводниковых оксидов: оксид меди (II) – узкозонный полупроводник (p-типа с узкой шириной запрещенной зоны 1,2 эВ), а оксид цинка – широкозонный полупроводник (n–типа, ширина запрещенной зоны 3.37эВ).
  Синтезированные композиционные материалы могут обладать большими потенциальными возможностями применения в качестве материала для фотоприемников, светодиодов, прозрачных контактов, элементов солнечных ячеек и других элементов для тонкопленочной электроники и оптоэлектроники.
  Распространенным жидкостным методом синтеза различных наноматериалов является золь-гель синтез. Этот метод обладает рядом преимуществ, такими как гибкость технологии, простота используемого оборудования, экологичность, экономичность. Основу золь-гель метода получения материалов составляют физико-химические процессы образования гелей из растворов исходных компонентов.
  Установка для нанесения оптических покрытий методом вытягивания из жидкой высокодисперсной системы показана на рис. 1
  

  

  Рисунок 1- Установка для нанесения оптических покрытий методом вытягивания из жидкой высокодисперсной системы: 1 – подложка с нанесенным покрытием; 2 – высокодисперсная коллоидная система; 3 – пульт управления

   
  Коллектив лаборатории работает над изучением просветляющих свойств тонких пленок на основе SiO₂ и TiO₂, полученных золь-гель методом, с включением добавок на основе переходных металлов (Ni, Co, Fe, Ag и проч.) и их соединений (Me_xO_y, Me_xS_y, MexCy). Например, для стеклянных подложек с поверхностной пленкой CuO@SiO₂ оптимизированного состава и толщины удалось добиться увеличения просветляющих свойств стекла на 3-4% (рисунок 2).

  

  Рисунок 2 – Оптическое пропускание в видимом диапазоне для стекла с поверхностным слоем CuО@SiO₂ различной толищны (пропорциональна скорости вытягивания) и концентрации Cu

• Разработка и развитие электрохимических технологий синтеза композиционных материалов на основе переходных металлов и их соединений для использования в устройствах широкого спектра применений
  

  Руководитель направления Васильков Михаил Юрьевич с.н.с., к.т.н

  
  

   
  В настоящее время активно развиваются методы создания наноструктурированных материалов, основанные на использовании процессов формирования и самоформирования энергоэффективными методами, в частности, с применением электрохимического подхода для получения нанопористых матриц оксида алюминия и диоксида титана. Композиты на основе мембран Al₂O₃ и TiO₂ находят широкое применение в нанотехнологиях, микробиологии и ядерной физике, поскольку обладают уникальными физико-химическими свойствами. В лаборатории налажен технологический процесс получения индивидуальных нанопористых матриц Al₂O₃ и TiO₂ с применением авторских установок (рисунок 3).

  

  Рисунок 3 – Фотографии и условные схемы оборудования для электрохимического получения нанопористых матриц оксида алюминия и диоксида титана : 1 – электрод 1 (катод) ; 2 – корпус ячейки; 3 – электрод 2 (анод); 4 – прижимная площадка (а) и держатель с кольцом для анода

   
  Мембраны формируются в различной конфигурации на металлических подложках (рисунок 4), в том числе с последующим модифицированием различными материалами для применения в оптике, электронике, катализе и проч.

  

  Рисунок 4 – Оптические и электронные микрофотографии композитов на основе пористого Al₂O₃ и TiO₂ на металлических подложках. Морфология поверхности полученных пленок

   
  Лаборатория СФ-3 занимается исследованиями в области формирования фотонных кристаллов и создания газовых датчиков на основе оксидных мембран, модифицированных различными добавками. Ведутся работы в направлении изучения кинетики формирования наноструктур, их электрофизических и оптических свойств в различных газовых средах для применения в качестве чувствительных материалов газовых сенсоров. Значительный прогресс достигнут при разработке каталитических материалов для процессов конверсии выбросов газообразного углекислого газа, электролитической генерации водорода, запасания водорода в жидких органических носителях.

• Разработка и экспериментальное исследование новых оптических методов одноканальной и многоканальной обработки оптического сигнала и фотоэлектрических сенсоров для определения местоположения одного или нескольких объектов, перемещающихся в произвольном направлении
  

  Руководитель направления Перепелицин Юрий Николаевич в.н.с., к.ф.-м.н.

  
  

   
  Изучение механизмов переноса фотовозбужденной электронно-дырочной плазмы в объеме высокоомных структур в условиях сильных электрических полей. Проведение исследований фундаментального характера в этой области привело к обнаружению ряда новых эффектов, на базе которых были разработаны и предложены новые оптические методы одноканальной и многоканальной обработки оптического сигнала. В дальнейшем, результаты проведенных исследований заложили теоретическую основу работ прикладного характера, связанных с разработкой и созданием нового класса устройств - оптически управляемых СВЧ устройств, предназначенных для оптической обработки и адресации оптического сигнала в современных и перспективных системах информационного обмена используемых для решения важных прикладных задач (системы вычислительной оптоэлектроники, системы и сети волоконно-оптической связи, системы навигации, радиолокация и т.д.). В частности, проведение этих работ позволило реализовать к настоящему времени оптический модулятор, обеспечивающий формирование оптических сигналов сложной формы с высокостабильными поляризационными и амплитудными характеристиками, предназначенный для использования в оптической схеме волоконно-оптического гироскопа с серродинной схемой управления. Ниже на рис. 5 приведена фотография оптического модулятора оптических сигналов сложной формы.

  a)

  b)

  Рисунок 5- Оптический модулятор оптических сигналов сложной формы.
  a) - фотография оптического модулятора сигналов сложной формы.
  b)- оптические импульсы сигналов сложной формы, формируемые оптическим модулятором: а – операция оптического сложения оптических сигналов треугольной и прямоугольной формы; б – прямоугольной и пилообразной формы; г – синусоидальной и треугольной формы, u -периодических сигналов прямоугольной формы.

   
  Проведение исследовательских работ в ходе выполнения ГЗ « Сенсор» дало возможность отработать ряд технологических операций, касающихся создания фоточувствительных структур, а также оценить влияние пространственной конфигурации электрического поля на растекание подвижных носителей в приповерхностной области неосвещаемого электрода. Как показывают оценки, реализация однозначного пространственного соответствия между областью генерации фотоносителей на одной стороне структуры и областью их регистрации на другой стороне структуры дает возможность реализовать многоэлементную структуру, которая может быть использована в качестве активного элемента фотоэлектрического сенсора. Такие сенсоры могут быть использованы в системах «следящего привода», которые используются сегодня в различных областях гражданской и военной техники, в том числе и размещаемых на подвижных платформах (космических, воздушных, морских). Помимо этого, в зависимости от варианта их реализации, такие сенсоры могут использоваться в различных областях информационно-телекоммуникационной и оптической вычислительной техники, робототехники, приборостроении, а также в аппаратуре, функционирующей в условиях воздействия сильных электромагнитных полей и ионизирующих излучений, разрабатываемый сенсор может быть реализован на основе компонентной базы серийно производимой в России.
  Возможность создания многоэлементного фотоэлектрического сенсора основана на использовании нового физического механизма в основе которого лежит эффект пространственной фотостимулированной перестройки электрического поля. Было показано, что генерация фотоносителей у одного из электродов высокоомной туннельной МДП структуры и их перенос к электроду противоположному освещаемому приводит на время освещения в таких структурах к пространственной перестройке электрического поля в объеме всей структуры. При этом после выключения освещения, частично накапливаемый у неосвещаемого электрода заряд фотоносителей самопроизвольно стекает во внешнюю цепь. Данный физический механизм позволяет реализовать однозначную пространственную связь между областью генерации фотоносителей и областью их регистрации. Экспериментально установлено, что в диодных структурах, создаваемых на основе кристаллов с большими значениями электрооптических коэффициентов r41, поле фотоэлектрического домена обеспечивает многократное периодическое изменение фазовой задержки в линейно-поляризованном световом потоке, пропускаемом через диодную структуру. Данный физический механизм может быть использован для разработки оптического метода пространственно-временной коммутации оптических сигналов и устройства ввода-вывода данных в наносекундном диапазоне (см. рис. 6).

  

  Рисунок 6 – пространственно-временная коммутация оптических сигналов и устройства ввода-вывода данных в наносекундном диапазоне

• Исследована хеморезистивная реакция сенсора на изопропанол и бензол на основе нанопокрытия из ZnO, выращенного электрохимическим синтезом на Si/SiO₂ подложке. Показано, что хеморезистивная реакция сенсора в широком диапазоне низких температур подложки (от 20 до 80 °C) при её УФ-активации в газовых смесях низкой концентрации с воздухом существенно зависит от типа газа и влажности воздуха. Влажность воздуха усиливает хеморезистивный сигнал для бензола и не влияет на сигнал сенсора на изопропанол. Однако в диапазоне температур 200-350 °C сигнал сенсора для обоих газов не зависит от влажности воздуха и УФ-активации подложки. Полученные результаты могут быть полезны для разработки эффективных низкотемпературных хеморезистивных газовых сенсоров.

  Публикации:
  
  • Solomatin M.A., Glukhova O.E., Fedorov F.S., Sommer M., Shunaev V.V., Varezhnikov A.S., Nasibulin A.G., Ushakov N.M. and Sysoev V.V. The UV Effect on the Chemiresistive Response of ZnO Nanostructures to Isopropanol and Benzene at PPM Concentrations in Mixture with Dry and Wet Air //Chemosensors. 2021. V. 9(7). P.181-198.

• Исследован механизм заполнения пор серебром композитных мембран из нанопористого анодного оксида алюминия (ПАОА). Выявлены технологические условия равномерного и неравномерного заполнения пор серебром. При неравномерном заполнении пор серебром на поверхности мембран образуется нерегулярная 2D структура серебряных кластеров с поверхностной плотностью 3*10⁶ см^-2, что на три порядка меньше поверхностной плотности пор. Показано, что при варьировании времени процесса и тока осаждения возможно получение композитов с различной степенью равномерного заполнения пор серебром. Разработанные керамические нанопористые мембраны ПАОА, модифицированные серебром, могут стать базовой платформой для построения различных сенсорных устройств.

  Публикации:
  
  • Васильков М.Ю., Михайлов И.Н., Исаев А.Е., Сафошкин Д.З., Кособудский И.Д., Ушаков Н.М. Синтез и изучение композиционного материала на основе пористого анодного оксида алюминия, модифицированного нанонитями серебра.// РЭНСИТ. 2021. 13(1). С.39-44.

• Синтезированы полимерные композитные наноматериалы на основе сферических наночастиц Cu(Cu₂O) размером от 10 до 25 нм в матрице полиэтилена низкой плотности с объемной долей 0,1-0,4. Измерена электропроводность таких композитных наноматериалов, которая для объемной доли равной 0,4 в 4,5-5 раз превышает электропроводность полиэтиленовой матрицы. Для прогнозирования электропроводности таких материалов проведен анализ известных математических моделей электропроводности и выбраны модели с хорошим соответствием экспериментальным данным.

  Публикации:
  
  • Ushakov N. M., Kosobudsky I. D. About the features of electric conductivity models for polymer composite nanomaterials based on Cu(Cu2O)-LDPE // Semiconductors, 2020, Vol. 54, No. 12, pp. 1692–1694

• На основе результатов экспериментальных исследований качественно обоснован новый физический механизм фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости, которая может рассматриваться как нелинейный фотоэлектрический отклик высокоомной симметричной металл-туннельный диэлектрик-полупроводник (МТДПТДМ) системы на внешнее оптическое воздействие. Показано, что дипольный слой заряда периодически образуется в макроскопически однородной туннельной системе при превышении внешними макропараметрами (интенсивность оптической засветки и величина прикладываемого электрического напряжения) определенных пороговых значений. Превышение порога приводит к сильному отклонению внутреннего электрического поля в образце от своего равновесного значения. В результате состояние поля в туннельной МТДПТДМ системе становится неустойчивым и оно спонтанно переходит из одного стационарного состояния, исходно пространственно-неоднородного распределенного в объеме всей МТДПТДМ структуры, к другому устойчивому состоянию, при котором пространственно узко локализованная область «сильного» электрического поля в виде фотоэлектрического домена перемещается от одного электрода к другому с максимальной для полупроводника скоростью.

  Публикации:
  
  • Перепелицын Ю.Н. Исследование фототоковой доменной неустойчивости в высокоомных туннельных мдп структурах CdTe // Радиоэлектроника, наносистемы, информационные технологии. 2020.-Т. 12.-№ 2.-С.191-200

• Предложена и исследована новая конфигурация энергоэффективного композитного катода для выделения водорода на основе нанотрубок диоксида титана, торцы которых декорированы нановискарами оксида рутения. В предложенной катодной структуре выделение водорода осуществляется преимущественно с торцов нанотрубок, что значительно уменьшает размеры пузырьков водорода, повышая тем самым энергоэффективность катода. Показано, что для малых плотностей тока порядка 10 мА/см² лучшая энергоэффективность получена для катодов с размером нанотрубок малого диаметра (34 ± 1 нм) и с повышенной нагрузочной массой RuOx. При увеличении плотности тока до 100 мА/см² лучшую эффективность композитных катодов обеспечивают нанотрубки диоксида титана большего диаметра (108±3 нм) благодаря более легкому выделению крупных пузырьков водорода. Полученные результаты могут быть полезны для разработки эффективных катализаторов в устройствах генерации водорода.

  Публикации:
  
  • Fedorov F.S. Vasilkov M.Yu., Ushakov N.M. et al Tailoring electrochemical efficiency of hydrogen evolution by fine tuning of TiOx/RuOx composite cathode architecture // International Journal of HydrogenEnergy. 2019. 44. P. 10593-10603

Научные исследования проводятся в тесном взаимодействии с научными группами из Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А. - группа профессора Д.А.Зимнякова (кафедра физики) и группа проф. В.В. Сысоева (лаборатория «Микросенсоров и микросистем»)