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 заключительном этапе получены следующие оригинальные результаты научно-исследовательской работы: 1. Разработана технология и созданы многослойные пьезоэлектрические структуры на основе (ZnO/Si, LiNbO3) и сенсорных пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащие ферменты алкогольокисдазы, селективно реагирующие на метанол. Исследование морфологии получаемых сенсорных пленок показало, что пленка из ZnPc(tBu)₄ имеет однородную морфологию поверхности. Средняя шероховатость сформированной пленки ZnPc(tBu)₄ составляет 1.8 нм. Наличие сенсорной пленки на поверхности пленки ZnO привело к уменьшению ее шероховатости и увеличению однородности морфологии ее поверхности. 2. На основе сформированных пленок было создано акустоэлектронное сенсорное устройство. Было проведено исследование чувствительности созданного устройства к парам этилового, метилового и изопропилового спиртов. Наличие иммобилизованного в пленке фермента АО привело к возникновению селективного амплитудного отклика к парам метилового спирта равного 2.25 дБ/мм. Максимальный амплитудный отклик к парам этилового спирта был в 4 раза меньше и составлял порядка 0.5 дБ/мм. Также наличие фермента АОх в пленке привело к увеличению максимального значения фазовой чувствительности до 149 ppm к парам метилового спирта и до 80 ppm к парам этилового спирта. 3. Установлено, что акустический датчик на основе щелевой моды в акустической линии задержки успешно регистрирует взаимодействие специфических антител с вирусом ТГС и перспективен для детекции вируса ТГС в водных растворах с различной проводимостью, а также в присутствии посторонних вирусных частиц. Взаимодействие вирусов со специфическими антителами приводит к увеличению проводимости суспензии. Изменение проводимости суспензии изменяет затухание и фазовую скорость щелевой моды. Это, в свою очередь, изменяет глубину и частоту резонансных пиков на частотной зависимости вносимых потерь сенсора. По изменению выходных параметров датчика для вирусной суспензии до и после биологического взаимодействия со специфическими антителами можно делать выводы о наличии (или отсутствии) исследуемых вирусов в анализируемой суспензии. 4. Разработаны технологические основы получения композитных нанопокрытий на основе металлосодержащих наночастиц, локализованных на поверхности диоксида кремния и диоксида титана. 5. В МТДПТДМ структурах на основе электрооптических кристаллов, изменение полем домена электрооптических характеристик среды дает возможность за счет поперечного электрооптического эффекта Поккельса обеспечить перенос оптической информации с управляемого светового потока на другой световой поток, пропускаемый через структуру, т.е. осуществлять высокочастотную оптическую модуляцию одного светового потока другим. 6. Показано, что низкие значения теплоемкости, обусловленной вкладом акустических фононов, для Y2.25Lu0.75Al5O12 коррелируют с аномалиями на концентрационных зависимостях фононного транспорта, поглощения акустических волн и формы линии ЯМР алюминия. 7. Экспериментально на представительной выборке светодиодных матриц показана возможность оценки качества отдельных кристаллов светодиодных матриц по значениям ВКЭ и параметрам функции, аппроксимирующей ватт-амперную характеристику кристалла. Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности использования их при создании различных биологических, химических и физических датчиков, в том числе: - Разработанное акустоэлектронное устройство на основе пленок Ленгмюра-Блоджетт иммобилизованных ферментом алкогольоксидазы имеет потенциал использования при анализе жидкостей на наличие следов метилового спирта. - Разработанный акустический датчик на основе щелевой моды в акустической линии задержки успешно регистрирует взаимодействие специфических антител с вирусом ТГС и перспективен для детекции вируса ТГС в водных растворах с различной проводимостью, а также в присутствии посторонних вирусных частиц. - Разработанный в результате выполнения работ метод продемонстрировал возможность оценки качества отдельных кристаллов светодиодных матриц по значениям ВКЭ и параметрам функции, аппроксимирующей ватт-амперную характеристику кристалла. Все запланированные на 2024 год работы успешно выполнены. По результатам выполненных работ в 2024 году опубликовано 65 работ, из них в журналах 32 статьи и в сборниках трудов конференций и тезисов конференций 33 работы. 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.