Разработка физических принципов, материалов и конструкций для создания биологических, химических и физических сенсоров и средств диагностики нового поколения для сенсорных и информационно-телекоммуникационных систем

Объектами исследования НИР «Разработка физических принципов, материалов и конструкций для создания биологических, химических и физических сенсоров и средств диагностики нового поколения для сенсорных и информационно-телекоммуникационных систем» являются: Физические процессы и явления в различных средах и структурах, предназначенных для создания биологических, химических и физических сенсоров и средств диагностики для сенсорных и информационно-телекоммуникационных систем. Целями работы является: - разработка и исследование наноэлектронных, оптоэлектронных, акустоэлектронных и акустооптических технологий и сенсоров на их основе для широкого применения в сенсорных, диагностических, информационно-телекоммуникационных системах, робототехнике, биомедицине, экологии; - разработка и исследование новых композитных наноматериалов с нанофазными наполнителями, электродинамических сред и покрытий с заранее заданными свойствами, параметры которых могут меняться под внешним воздействием. В процессе работы проводились теоретические и экспериментальные исследования свойств создаваемых материалов и устройств. В результате исследований на заключительном этапе НИР: 1. Предложен мощный неферментативный глюкозный биотопливный элемент (ГБТЭ) на основе Au-анода с нано-микрогибридной структурой. Равномерно распределенный микрополусферический массив поликарбоната для этого нового электрода изготавливается путем горячего тиснения с использованием никелевой формы. Затем путем нанесения монослоя наночастиц золота на массив микрополусфер с использованием 1,6-гександитиола в качестве двустороннего якоря был изготавлен анод из золота с гибридной нано/микроструктурой. Катод состоит из стеклоуглеродного электрода, покрытого графеновой пленкой. Нафион, протонообменная мембрана, используется для разделения анода и катода и завершения сборки батареи. Экспериментальные результаты показывают, что предлагаемый неферментативный GBFC имеет высокую плотность мощности 10.7 мВт/см-2, высокую плотность тока 29.5 мА/см-2, напряжение холостого хода 8.2 В и ток короткого замыкания 34 мА при комнатной температуре. Расчетная эффективность преобразования энергии электрода составляет 52.47%. Кроме того, предложенный ГБТЭ обладает такими преимуществами, как простота производства в больших масштабах, низкая стоимость производства, высокая воспроизводимость и долговременное хранение. Таким образом, он вполне пригоден для коммерциализации и использования в практических приложениях. 2. Созданы и исследованы электрические свойства композитов на основе фенилона, содержащего частицы никеля. Поведение диэлектрической проницаемости в таких материалах можно объяснить в рамках модели, которая предполагает существование в композитах иерархии электрически связанных пространственных структур и зависимость электропроводности и диэлектрической проницаемости этих композитов от размеров частиц наполнителя (от соотношения величин радиуса частиц наполнителя и параметра области туннелирования). Зависимость диэлектрической проницаемости полимерных материалов от содержания наночастиц в композите может служить независимым подтверждением того, что перколяционный-туннельный процесс является причиной «низкого» перколяционного порога Vcd. Поведение электропроводности и диэлектрической проницаемости в области ниже классического перколяционного порога имеет одинаковое происхождение. 3. Исследована возможность создания золотосодержащих наноматериалов методом термического разложения (МСС) для получения наночастиц золота в объеме матрицы полиэтилена высокого давления (ПВДФ). Показано, что варьируя условиями синтеза, возможен синтез наночастицы имеющих размер 50 нм и 7 нм, которые равномерно распределены по всему объему полимерной матрицы. Обнаружено, что наночастицы, образующиеся в результате разложения HAuCI4 при 300ºС, состоят из металлической фазы золота и имеют хорошо сформированную кристаллическую структуру. Показано, что композиционные материалы с наночастицами золота обладают антимикробным действием относительно грамположительных и грамотрицательных бактерий. 4. С помощью компактного биологического анализатора, включающего жидкостный датчик на основе резонатора с поперечным электрическим полем, компактное устройство с ВЧ генератором и приемником информационного сигнала, а также компьютер с соответствующим программным обеспечением, была исследована жизнеспособность бактериальных клеток, подверженных воздействию антибиотиков и 3-см СВЧ излучения. Показано, что антибиотики при определенном количестве полностью убивают бактериальные клетки. Что касается воздействия СВЧ излучения, то для используемой частоты 9.37 ГГц, импульсной мощности 100 Вт и скважности импульсов 10000 облучение суспензии в течение одного часа никак не повлияло на жизнеспособность бактериальных клеток. 5. Исследован механизм заполнения пор серебром композитных мембран из нанопористого анодного оксида алюминия. Выявлены технологические условия равномерного и неравномерного заполнения пор серебром. 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. 6. Разработаны технологические методики импульсного создания периодического профиля пор ПАОА. Изготовлены лабораторные образцы мембран в режиме импульсного анодирования (ИА) с помощью периодической серии из 10 импульсов длительностью 140 мин. Мембраны имели 2-х секционный профиль пор с периодом 400 нм и толщиной 3-4 мкм. 7. Разработана технологическая методика анодирования титановой проволоки в результате которого при комнатной температуре на поверхности титановой нити формируется оксидный слой TiO2, состоящий из нанотрубок TiO2. Установлено, что методом химического восстановления нанотрубок TiO2 в растворе H2PtCl6+HCOOH происходит формирование плёночного композитного покрытия TiO2@Pt. Установлены оптимальные условия процесса, при которых наблюдается формирование кристаллических Pt микросфер на поверхности тубулярной матрицы. 8. Разработан одноэлектродный сенсор на основе титановой проволоки с поверхностным слоем на основе TiO2@Pt по отношению к парам летучих органических веществ (спирты) в смеси с воздухом. Найдена линейная зависимость сенсорного отклика величиной до 15% (изменение напряжения на проволоке) датчика на основе TiO2@Pt в диапазоне концентраций до 2,0 об.% по отношению к воздушным парам этанола, изопропанола и ацетона с временем отклика ~10 сек и временем восстановления ~1 мин, функционирующего при рабочем токе 400-550 мА. Продемонстрирована стабильность работы сенсорного материала и возможность селективного распознавания целевых аналитов сенсорной линейкой, собранной путем объединения нескольких датчиков. 9. На основании измерения спектральных характеристик оптического отражения мембран ПАОА@Ag с гладким профилем пор обнаружен плазмонный резонанс с центром на длине волны 536 нм. Для 2-х секционных мембран с периодическим профилем пор (период 400 нм) обнаружен рост отражения света с ростом эффективного показателя преломления мембраны и наличие центра полосы подавления фотонов (ППФ) на длине волны 1080 нм. Все образцы мембран ПАОА, синтезированные по разработанной и описанной в НТО «Сенсор» технологической методике показали наличие ППФ в ожидаемом месте спектрального диапазона. 10. На основе результатов качественного теоретического анализа и экспериментальных исследований показано, что на основе структур с распределенными параметрами реализованными в виде многослойной однородной или неоднородной структуры на основе совершенного фоточувствительного монокристалла, содержащего на одной или противоположных гранях двумерную матрицу дискретных элементов, функционирующих независимо друг от друга возможна реализация координатно-чувствительного фотоприемника обеспечивающего быстрое определение текущих координат одного либо нескольких объектов, произвольно перемещающихся в пространстве. 11. Оценены основные параметры активного элемента координатно-чувствительного фотоприемника, а также параметры канавок, обеспечивающие эффективно независимое функционирование дискретной ячейки координатно-чувствительного фотоприемника. 12. Промоделирован процесс установления равновесия в образцах монокристаллов твердых растворов Arg:Er3+ при взаимодействии слабонеравновесных фононов (НФ) с двухуровневой системой (ДУС) в условиях нестационарного распространения теплового импульса. показано, что процесс может зависеть от природы, абсолютного значения и распределения дус по энергии. данные обстоятельства, а также условия обмена с термостатом, определяют критическую длину и время распространения теплового импульса в условиях эксперимента, когда образец находится в диапазоне температур термостата (жидкий гелий) 2.2 <Т< 4K. 13. Экспериментально исследована зависимость эффективности акустооптической (АО) дифракции от амплитуды звука при фазированном преобразователе из трёх секций. Получена постоянная высокая эффективность (~ 80%) в диапазоне изменения амплитуд в 2.3 раза, при хорошем согласии с численным расчётом. 14. Разработан способ измерения внутреннего квантового выхода (ВКВ) светоизлучающего диода (СИД), преимуществом которого перед известными является возможность измерений при комнатных температурах и без наличия образцового СИД. Достоверность способа подтверждена сопоставлением результатов измерений с результатами, полученными известным способом измерений. Относительная разница результатов измерений находится в пределах 3 %. 15. Разработаны способ и аппаратно-программный комплекс (АПК) для измерений профилей распределения граничной частоты электролюминисценции (ЭЛ), концентрации дефектов и ВКВ по площади светоизлучающей гетероструктуры (СГС). АПК имеет пространственную разрешающую способность до 0,65 мкм, верхний предел измерений частоты 40 МГц с относительной погрешностью порядка 2% в диапазоне токов 20 мкА – 50 мА. 16. Разработана и экспериментально апробирована модель деградации InGaN/GaN СИД при работе в режиме постоянного и импульсного тока повышенной плотности с учетом неоднородного распределения температуры по площади активной области. Модель дает возможность прогнозировать срок службы СИД при работе в номинальном режиме при известном значении коэффициента диффузии Mg из барьерного слоя в активную область СГС, оценка которого может быть получена по результатам ускоренных испытаний. 17. Разработана и экспериментально апробирована модель спада мощности оптического излучения InGaN/GaN СИД при испытаниях под действием прямого тока, учитывающая неоднородное распределение концентрации дефектов в СГС. Модель позволяет прогнозировать темп деградации СИД с различной начальной неоднородностью распределения концентрации дефектов и может быть использована для отбраковки дефектных и потенциально ненадежных СИД, склонных к ранней деградации. 18. Установлена сильная корреляционная связь порогового тока СИД оптронов с диодным выходом со спадом КТП в процессе их ускоренных испытаний при температуре Т = 100 °С и постоянном токе 25 мА на раннем этапе деградации, что объясняется повышенной дефектностью СИД оптрона. 19. В программной среде Comsol Multiphysics проведено 3D-моделирование и расчет температурных и термодеформационных полей в GaAs монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ усилителей в составе выходного усилителя мощности Х-диапазона и их контактных соединений с монтажной пластиной в импульсных режимах работы. Показано, что максимальная температура и термомеханические напряжения в кристалле МИС в динамическом режиме работы существенно превышают расчетные значения для стационарного режима. Термомеханические напряжения принимают максимальное значение в узкой области вблизи границы клеевого соединения кристалла МИС с монтажной пластиной; это максимальное значение сильно зависит от температурного коэффициента линейного расширения (ТКР) адгезива и принимает наименьшее значение при ТКР адгезива, равном ТКР кристалла GaAs. Все запланированные результаты были получены.