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

Отчет 80 с., 44 рис., 4 табл., 1 приложение 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. Исследование физических процессов в гетероструктурах на их основе. 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: - Получены многослойные сенсорные структуры с интегрированными чувствительными и фильтрующими слоями. Разработана методика нанесения слоев оксида марганца на поверхность чувствительного слоя. Установлена химическая природа сорбции газов NO2 и H2S слоями оксида марганца. Показано снижение чувствительности оксида олова к диоксиду азота после нанесения фильтрующего слоя оксида марганца, при этом чувствительность к парам сероводорода осталась на высоком уровне, что повышает селективность многослойной сенсорной структуры. - Исследования транспортных свойств макропористой кремниевой мембраны с интегрированным газотранспортным слоем показали высокую проницаемость макропористых каналов для паров NO2, H2S и NH3, как для газочувствительного элемента на основе нестехиометрического оксида олова (SnOx), так и для слоев органического электропроводящего полимера полианилина. - Варьированием условий синтеза были оптимизированы структура и состав композита ионы меди/полианилин (Cu2+/ПАНИ), обеспечивающие его максимальную каталитическую активность в отношении окисления глюкозы. - Проведен комплексный анализ структуры, электрохимических характеристик, особенностей накопления и переноса заряда в композитах на основе наноуглерода (МУНТ, ТУ) и ПАНИ, а также композитов на основе МУНТ и оксида марганца. На основе полученных данных: 1) проведена оптимизация состава, условий получения композитов на основе ПАНИ, МУНТ и ТУ с целью повышения электрохимических параметров, технологических свойств и снижения стоимости. Отработан способ формирования композитов (ПАНИ/МУНТ/ТУ), позволяющий получать электродные материалы с удельной емкостью ~250-190 Ф/г при массовом содержании технического углерода 65-85%; 2) установлена определяющая роль содержания калия в составе оксида марганца на характеристики электродных композитов на основе МУНТ и оксида марганца, формируемых с применением растворов KMnO4. Отработаны условия и режимы получения композитов с оптимальной степенью допирования оксида MnO2 ионами калия, обладающие максимальной удельной емкостью до 135 Ф/г. - В результате расчетов на основе функционала электронной плотности получено: плоскости молекулы ПАНИ располагаются параллельно графеновой плоскости, молекула ПАНИ отталкивается от атомов кислорода, молекула ПАНИ образует связь с атомами азота, при этом молекула ПАНИ выстраивается вдоль нормали к графеновой плоскости. При взаимодействии атомов Ti с ионизированными атомами углерода дивакансии графеновой плоскости образуется устойчивая структура с электронными свойствами узкозонного полупроводника.