Исследование физических процессов в гетероструктурах на основе новых функциональных наноматериалов и нанокомпозитов для микросенсорики, химических источников тока и медицинских применений

Отчет 83 с., 1 кн., 43 рис., 10 табл., 2 прил. НАНОСТРУКТУРЫ, НАНОКОМПОЗИТЫ, УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ, НАНОТРУБКИ, ГРАФЕН, НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ КРЕМНИЙ, ДЕФЕКТЫ, ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ, РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, СЕНСОРЫ, СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ Объекты исследования – углеродные нанотрубки (УНТ), пористый кремний (ПК), оксиды металлов, многослойные кремниевые структуры, наноструктурированные композиты. Цель проекта – создание многоуровневых кремниевых, селективных сенсорных структур, включающих интегрированные/гибридные мембраны и фильтры, чувствительные элементы. Получение нанокомпозитных материалов на основе наноструктурированного кремния, углерода (углеродные нанотрубки (УНТ), графена, глобулярного углерода), оксидов металлов, полианилина (ПАНИ) для химических источников тока и сенсоров с улучшенными характеристиками. Синтез гибридных нанокомпозитов на основе УНТ, ПАНИ и ионов металлов с селективной каталитической активностью для неферментативного определения содержания биомолекул в жидкостях. Исследование физических процессов в композитных гетероструктурах.. Методология проведения работы: получение слоев ПК и УНТ различной морфологии, многоуровневых структур, нанокомпозитов и гибридных структур; функционализация полученных материалов облучением, термообработками; комплексное теоретическое и экспериментальное исследование свойств наноматериалов и тестовых структур. Важнейшие результаты работы: - Предложен способ формирования макропористых каналов с диаметрами 200-500 нм для создания фильтрующих мембран с использованием освещения. В присутствии окислителя, меняя интенсивность освещения, можно варьировать толщину слоя микропористого кремния, формирующегося на стенках макропор, и, следовательно, диаметр макропор после экспозиции в щелочной среде. Создана тестовая структура проточного газового сенсора с интегрированными газотранспортным и газочувствительным слоями на пористом кремнии. Предложен способ получения сорбирующих слоев на основе мембран пористого стекла и окисленного мезопористого кремния. Результаты тестирования на газопропускание мембран показали практически полное поглощение NO2 и пропускание H2S. - Впервые показано, что в случае облучения непрерывным ионным пучком азота поверхность УНТ легируется азотом в пиридиновой и пиррольной конфигурации, в отличие от способа получения легированных азотом УНТ путем использования при синтезе азотсодержащих прекурсоров, где основной конфигурацией азотных дефектов является замещающий азот. Присутствие на поверхности облученных УНТ большого количества гетероатомов (кислорода и азота) обеспечивает более высокую адгезию оксидов металлов к их поверхности. - С использованием коммерчески выпускаемых УНТ получены композиты с оксидом марганца, а также сочетанием оксидов марганца и рения. Установлены режимы формирования композитов, позволяющие повысить удельную емкость исходного материала (УНТ) на 300%. - Исследованы особенности структуры и химического состояния на межфазных границах в композитах ПАНИ/МУНТ. Обнаружено увеличение содержания аниона хлорида, связанного с поляронными энергетическими состояниями ПАНИ, что свидетельствует об увеличении электрической проводимости интерфейсного слоя ПАНИ по сравнению с его объёмным слоем в композитах ПАНИ/МУНТ. Электрод на основе композита ПАНИ/Ar+-МУНТ имеет большую проводимость и на 20% более высокую удельную емкость, нежели электрод на основе композита ПАНИ/МУНТ. - Методом численного моделирования исследованы критически-предельные концентрации атомов кислорода на графеновой поверхности в энергетически выгодных конфигурациях. Показано, что графеновая плоскость с дивакансией, окисленная 4 атомами кислорода, в которой два атома кислорода находятся по одну сторону, а два по другую является энергетически наиболее выгодной конфигурацией расположения атомов кислорода. - Показано, что в образцах, обработанных композитом Cu2+/ПАНИ, наблюдается значимое (более 7,5 %) возрастание концентрации окисленной глюкозы относительно ее концентрации в контрольных образцах, что свидетельствует о действии дополнительного механизма окисления глюкозы и подтверждает предположение о каталитической активности композита Cu2+/ ПАНИ в отношении окисления глюкозы.