Моделирование, создание и исследование перспективных материалов и разработка нового поколения датчиков различной функциональности для сенсорных и информационно-телекоммуникационных систем

Объектами исследования НИР «Моделирование, создание и исследование перспективных материалов и разработка нового поколения датчиков различной функциональности для сенсорных и информационно-телекоммуникационных систем» являются: физические принципы построения и новые наноструктуры и конструкции для создания биологических и химических сенсоров и средств диагностики нового поколения для сенсорных и информационно-телекоммуникационных систем. Целью работы является разработка, создание и исследование свойств новых композитных наноматериалов и структур для их применения в сенсорах с различной функциональностью на основе наноэлектронных, оптоэлектронных и акустоэлектронных технологий для широкого применения в сенсорных, диагностических и информационно-телекоммуникационных системах. В процессе работы проводились теоретические и экспериментальные исследования свойств создаваемых материалов, структур и устройств. В результате исследований на втором этапе НИР: 1. Установлено, что использование раствора смеси KOH-IPA с весовым соотношением компонентов 10% - 6% позволяет добиться формирования на поверхности пластины кристаллитов пирамидальной формы с высотами порядка 1.5 мкм и диагоналями от 2 до 2.5 мкм при температуре 80°С, а оптимальное время обработки пластин кремния раствором KOH-IPA при этом составляет 10 минут 2. Созданы и исследованы физические свойства гибридных многослойных сенсорных покрытий, содержащие отдельные молекулы фермента глюкозооксидазы инкорпорированные в матрицу из наноуглеродных материалов и проводящих полимеров. Разработанное сенсорное покрытие моделирует структуру нативной клеточной мембраны. Показано, что разработанная сенсорная структура обладает селективными сенсорными свойствами по отношению глюкозы в водных растворах. С помощью кондуктометрических датчиков на основе встречно-штыревых электродов были получены концентрационные зависимости на содержание глюкозы в водных растворах. Было показано, что регулярное повышение концентрации глюкозы в растворе на 0.05 мг/мл приводит к скачкообразному увеличению значения межэлектродного тока на величину 0,025 мкА. 3. На примере вируса трансмиссивного гастроэнтерита свиней (TГС) показано, что датчик на основе пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем является перспективным для диагностики вирусов как в присутствии, так и в отсутствие чужеродных вирусных частиц. Время анализа не превышает 10 мин и процесс измерения может быть полностью автоматизирован. Акустический датчик на основе пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем позволяет обнаруживать вирусы непосредственно в суспензии, без иммобилизации антител на поверхности пьезоэлектрика. 4. Экспериментально исследованы спектральные оптические свойства синтезированных однослойных и многослойных композитных нанопокрытий на стеклянных подложках. Показано, что 3-х слойные покрытия на основе композиционных наноструктур SiO2+TiO2, Ag+TiO2 или Ag+SiO2 и промежуточного слоя с большим показателем преломления TiO2 обеспечивают широкополосное высокоэффективное просветление в оптическом видимом диапазоне. 5. Показано, что пространственная фотостимулированная перестройка ЭП в высокоомных МТДПТДМ структурах (темновая и при освещении) обусловлена несимметричными условиями токопереноса носителей различного знака через потенциальный барьер. Установлено, что условия возникновения ОДФП при освещении в высокоомных МТДПТДМ структурах, отличаются от условий возникновения ганновских колебаний, возбуждаемых ЭП в «классических» диодах Ганна, причем в отсутствии освещения возникновение фототоковых колебаний в таких структурах не происходит ни при каких напряжениях смещения. 6. Исследованы кинетические характеристики субтерагерцовых фононов в образцах керамики на основе твердых растворов электролита Ce1-xGdxO2-y. Для объяснения характера температурной зависимости и малой длины свободного пробега фононов использованы результаты расчетов энергии образования вакансий в анионной подрешетке твердого раствора YSZ с аналогичной кристаллической структурой. Анализ экспериментальных результатов показал, что если в исследуемой системе, так же как и в системе YSZ, образуются структурные дефекты, связанные наличием вакансий, то в модели ДУС их энергия Δ=8.53K. . 7. Разработан Измеритель внутренней квантовой эффективности светодиодов, позволяющий проводить измерение 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 8 %. Все запланированные на 2023 год работы успешно выполнены. По результатам выполненных работ опубликовано 28 работ с DOI в российских и зарубежных журналах, из них: в журналах, входящих в систему цитирования WOS и относящихся к Q1 – 5 статей, Q2 – 13 статей, Q3 – 2 статьи, Q4 – 2 статьи; статьи в журналах, входящих только в систему цитирования Scopus – 6 статей, входящих только в систему цитирования РИНЦ – 14 статей. Получено 3 патента РФ, опубликовано 18 работ без DOI, в журналах и сборниках трудов, входящих в РИНЦ. Библиографическое описание опубликованных работ приведено в Приложении А к данному отчету. Полученные результаты соответствуют, а в ряде случаев превышают мировой уровень в данной области исследований.