Исследование электрофизических характеристик графеновых наноструктур для сенсорных приложений

Цель работы - исследование чувствительности графеновых структур к отдельным молекулам; изучение туннельных характеристик графена, полученного путем химического осаждения из газовой фазы, а также из оксида графена. Объект исследования - графеновые наноструктуры. Для исследования сенсорных характеристик рассматриваемых систем предлагается использовать методы статистической физики, квантовой теории, апробированные авторами при исследовании туннельного тока на интерфейсе углеродных нанотрубок, электрофизических свойств искривленных графеновых нанолент. Для проведения экспериментальной проверки предполагается использовать хорошо апробированные методы получения графена путем химического осаждения из газовой фазы, а также из оксида графена. Данными методами можно получать однослойные и многослойные графеновые структуры с различной степенью дефектности. Актуальность работы, теоретическая/практическая значимость. Графен относительно новый углеродный материал, набравший за последние годы большую популярность, благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам. На настоящий момент сложно назвать направление, в котором использование графеновых или функционализарованных графеновых структур не привело бы к улучшению прочностных, электрических, теплофизических характеристик материалов. Одной из особенностей графеновых структур является зависимость электрофизических свойств от морфологии материала и параметров внешней атмосферы. Адсорбированные на поверхности графеновых структур молекулы различных газов таких как О2, CO, NO и др. могут изменять сопротивления материалов в несколько раз, благодаря чему на основе графена возможно создание высокочувствительных детекторов этих газов. Проект направлен на разработку технологии создания детектора газов О2, CO, NO CxHx на основе CVD или GO графена. Графеновые наноструктуры являются веществами с периодическим законом дисперсии, и, следовательно, для них можно ожидать эффектов, аналогичных эффектам в сильных полях для случая сверхрешеток. К таким эффектам относятся, например, наличие падающего участка на вольтамперной характеристике или наличие абсолютной отрицательной проводимости. Все эти обстоятельства позволяют предположить, что из-за эффектов связанных с туннелированием электронов из углеродных наноструктур будут наблюдаться особенности, связанные с периодичностью спектра электронов, что особенно существенно для случая сильных внешних полей. Отметим также и чисто теоретический интерес к данной проблеме, связанный с выходом за рамки теории линейного отклика. Поэтому исследование сенсорных свойств этих веществ является важным и актуальным, как с прикладной, так и фундаментальной точек зрения. Заявленные задачи исследования сенсорных характеристик графеновых наносистем, основанных на изучении туннельных эффектов позволят получить фундаментальные научные результаты, соответствующие мировому уровню.Предполагаемые результаты. 1. Будет проведено моделирование структуры и электронного строения графеновых систем в рамках модели эффективных гамильтонианов. 2. Выполнен расчет туннельного тока контакта "графен - металл" при различной степени дефектности графенового слоя и при функционализации графена азотом. 3. Построены вольт-амперные характеристики контактов, исследованы зависимости ВАХ от частоты. 4. Будут изучены туннельные характеристики графена, полученного путем химического осаждения из газовой фазы, а также терморасширенного графена. 5. Создание графеновых пленок, измерение их частотных вольт-амперных характеристик. 6. Экспериментальная проверка чувствительности ВАХ системы к адсорбируемым молекулам различных газов. 7. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных. Область применения результатов проекта: детектирование уровня выхлопных газов автотранспорта, датчики возгорания и задымленности.