Новое поколение материалов и электронных устройств с проектируемой фрактальной наноструктурой

Целью проекта является комплексное экспериментально-теоретическое исследование процессов создания полимерных композиционных материалов с управляемой микро- и наноструктурой, влияющей на электрические и оптические свойства электронных и оптоэлектронных устройств на их основе.Ряд перспективных материалов и устройств электроники, оптоэлектроники и фотоники представляет собой нанокомпозиты. Использование композитов даёт известные преимущества, связанные со малой массой, гибкостью, механической устойчивостью, а также возможностью использования технологий печатной электроники в изготовлении устройств на их основе. Эффективным путём регулирования свойств таких материалов является управление их структурой с использованием различных подходов на соответствующих уровнях масштаба. На первом уровне масштаба (отдельные компоненты) важнейшими являются кристаллографические параметры вещества, определяющие электронный транспорт, люминесценцию, поглощение света и др. свойства. На этом уровне будет осуществлён синтез образцов нанокомпозитов системы сульфид меди – сульфид цинка различного химического состава (в том числе путём изоморфного замещения ионов цинка в матрице сульфида на ионы Ca, Sr, Ba), исследование структуры и характеристик синтезированных нанокомпозитных материалов методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии, спектров комбинационного рассеяния, фотолюминесценции.На втором уровне появляется возможность управлять свойствами компонентов за счёт модифицирования поверхности наночастицами с определёнными донорно-акцепторными свойствами. С одной стороны, эти модификаторы взаимодействуют с электронной подсистемой вещества и оказывают существенное влияние на его электрические и оптические свойства. Появляется возможность установить качественные и количественные взаимосвязи между физическими свойствами материала (проводимость, люминесценция, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, проводимость) и донорно-акцепторными свойствами поверхности. С другой стороны, донорно-акцепторные свойства предопределяют взаимодействие на границе раздела фаз в процессе формирования композита и соответственно его структуру и свойства – третий уровень масштаба. Для неупорядоченных сред, которыми являются композиты, перспективным подходом описания их структурных параметров является теория фракталов и соответственно использование фрактальных характеристик. В данном проекте регулирование фрактальных характеристик будет осуществляться созданием на поверхности твердофазного компонента мозаичных углеродных нанофрагментов различной размерности и кривизны поверхности – модифицированных 0-, 1-, 2- и 3-мерных углеродных наночастиц. Поверхность модифицированных компонентов позволяет формировать требуемую фрактальную структуры композита по принципу взаимодействия «ключ-замок» между составляющими его компонентами, когда требуемые акцепторные (донорные) свойства поверхности соответствуют акцепторным (донорным) свойствам полимерной матрицы в композиционном материале. В свою очередь, структура композита диктует его электрические и оптические свойства. Использование модификаторов различной мерности позволяет регулировать структуру композита как на локальном уровне, так в плоскости и в объёме материала. Преимуществом углеродных модификаторов является восприимчивость при соответствующем легировании к электрическим и магнитным полям, что позволяет дополнительно использовать данный фактор для управления структурой композита и более того, создавать градиентные материалы, структура и свойства которых меняется в одном или нескольких направлениях.Для прогнозирования диэлектрической проницаемости композитов будет использоваться предложенная авторами модифицированная формула Лихтенеккера, содержащая параметр, отражающий интенсивность межфазных донорно-акцепторных взаимодействий.Электропроводность композиционных структур будет проанализирована с использованием теории перколяции.Синтез углеродных частиц, в том числе допированных атомами и функциональными группами, придающими требуемые донорно-акцепторные свойства, впервые будет осуществляться с привлечением методов формирования ударных волн в газовых средах и асимптотической теории гиперзвуковых течений неравновесных сред на основе кинетического уравнения Больцмана.Практическая реализация результатов работы будет осуществлена путём создания образцов эффективных электролюминесцентных источников света и средств отображения информации, датчиков, элементов хранения энергии и других устройств методами печатной электроники.