Биоинтегрированная электроника на основе углеродных нанотрубок и графена

Объект исследования – наноструктуры на основе углеродных нанотрубок, графена и их гибридов, свойства наноструктур для гибкой нательной и имплантируемой биоэлектроники. Цель работы – поиск новых наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена с управляемыми электрофизическими, оптическими и механическими свойствами для гибкой нательной и имплантируемой биоэлектроники. В последнее время наиболее остро встала проблема несовместимости диагностической и терапевтической традиционной кремниевой электроники с биотканями различных органов, решение которой может быть достигнуто с помощью гибких биосовместимых электронных компонентов. К основным перспективным элементам гибкой электроники относятся аллотропные формы наноуглерода – нанотрубки и графен, структурные свойства которых обеспечивают исключительные электрические, оптические, тепловые и механические свойства. Активно осуществляется поиск новых наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена с управляемыми электрофизическими, оптическими и механическими свойствами для гибкой нательной и имплантируемой биоэлектроники. Принцип формирования наноструктур базируется на том, что одномерные и двумерные углеродные наноматериалы, к которым относятся углеродные нанотрубки и графен, за счет малого размера и особенной структуры в виде моноатомных слоев с ковалентно связанными атомами в гексагональные кольца имеют высокую степень удельной поверхности при значительной гибкости и прочности, а также могут проявлять полупроводниковые или металлические свойства с высокой подвижностью заряда и регулируемой электропроводностью. Такими же свойствами может быть наделен трехмерный биосовместимый материал на основе сконструированных наноструктур из углеродных нанотрубок, графена и их гибридов, обеспечивающий интеграцию и постоянный контакт с биологическими тканями различных органов человека. Таким образом, основной задачей первого этапа работы является формирование каркасных углеродных материалов с заданными структурными, механическими и электрофизическими свойствами с целью их использования в качестве компонентов биоинтегрированной электроники, в том числе для разработки механически прочных гибких электродов. Для создания новых материалов на основе углеродных нанотрубок и графена необходимо понимание особенностей структуры и закономерностей изменения их электрофизических, оптических и механических свойств при внешнем воздействии электромагнитным лазерным излучением. При исследовании физических свойств в работе использованы методы квантовой механики и молекулярной динамики, современные аналитические методы исследования материалов (растровая и просвечивающая электронная микроскопия, энергодисперсионная спектроскопия, методика измерения эмиссионных вольт-амперных характеристик и др.) на основе неупорядоченных систем/вертикальных массивов углеродных нанотрубок и графена, а также каркасных наноматериалов в пленочном виде, на гибкой подложке и в объемном виде внутри полимерных и биополимерных материалов. Разработаны методы определения нелинейно-оптических параметров наноматериалов для выявления условий формирования каркасных углеродных материалов с заданными структурными, механическими и электрофизическими свойствами с целью использования в качестве компонентов биоинтегрированной электроники, в том числе для разработки механически прочных гибких электродов. Область применения – наноматериалы для электроники, нано-процессы (применение на наноуровне). В ходе выполнения работ I этапа НИР все поставленные задачи были решены, результаты получены, цель работ по этапу достигнута. Получены значимые результаты в области развития нано-процессов, наноматериалов для электроники, материалов для микро- и наноэлектроники, исследования и разработки базы наноэлектронных элементов для гибкой электроники на основе углеродных нанотрубок и графена. Создан научно-технический задел, необходимый для успешного выполнения следующих этапов НИР.