Разработка подходов по управлению электрофизическими свойствами приповерхностного слоя композитов, модифицированных многослойными углеродными нанотрубками

Углеродные нанотрубки широко используются для создания токопроводящих композитов на основе различных полимерных матриц, одним из практических применений которых является создание различных чувствительных элементов пьезоэлектрических и биохимических сенсоров, композитных электродов для суперконденсаторов, устройств носимой электроники и др. Вместе с тем, их использование в значительной мере тормозится трудностью создания эффективных контактов при подключении в качестве элементов различных электронных устройств. Причиной этого является то, что в процессе получения композитных пленок, под действием сил поверхностного натяжения, полимер покрывает поверхность наполнителя, и, тем самым, блокирует электрические контакты между трехмерной токопроводящей сеткой из углеродных нанотрубок и подключаемыми электродами/токоподводами. Толщина такого слоя в пленках композита может варьироваться в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких микрон в зависимости от условий их получения и обработки, и для тонких пленок может составлять до ~5-10% объема композита. За счет этого, сопротивление приповерхностного слоя может составлять более 95% от общего измеряемого сопротивления в зависимости от содержания нанотрубок в композите, что может вносить значительную погрешность в сигнал сенсоров, созданных на основе таких композитов – сигнал сенсора, в основном, будет обусловлен изменением состояния приповерхностного слоя чувствительного элемента. При протекании тока через такой контакт в приповерхностном слое будет выделяться значительное количество тепла, что будет приводить к его деградации или термическому разрушению, нарушая таким образом стабильность работы устройств. Вместе с тем, использование эффекта покрытия нанотрубок матрицей полимера в приповерхностном слое композита также может иметь широкое научное и практическое значение. Так, наличие в композитах, модифицированных МУНТ, такого приповерхностного слоя обуславливает более высокую чувствительность пьезоэлектрических сенсоров (до 50-100 раз) при начальной деформации чувствительного элемента пьезодатчиков. Кроме того, ранее мы показали, что приложение повышенного напряжения при исследовании вольтамперных зависимостей композитов приводит к образованию дополнительных токопроводящих путей в приповерхностном слое композита, что увеличивает его проводимость, и может быть использовано для создания мемристоров или подобных устройств. Такие токопроводящие пути, образующиеся в приповерхностном слое под действием повышенного напряжения, склонны к разрушению, что обусловлено тепловым движением полимерных цепей матрицы, скорость которого зависит от окружающей температуры. Данный эффект может быть использован для создания пассивных датчиков, например, для контроля соблюдения теплового режима при транспортировке. Другим возможным направлением использования знаний об управлении электрофизическими характеристиками приповерхностного слоя композита может стать создание биосенсоров на основе композитов, модифицированных МУНТ. Так, большое количество исследований показало возможность получения селективного отклика на белки, антигены, метаболиты и др., варьируя функциональный состав поверхности МУНТ и тип полимерной матрицы композита, используемой для изготовления электродов. При этом полимерная матрица здесь играет не только роль матрицы, но структурирует МУНТ и учувствует в переносе заряда, увеличивает электрокаталитическую активность, улучшает адсорбцию анализируемого вещества. Возможность управления электрофизическими свойствами приповерхностного слоя используемых электродов может способствовать улучшению чувствительности, селективности и ресурса таких электродов. Таким образом проблема формирования приповерхностного слоя в композитах, модифицированных МУНТ, с заданными электрофизическими свойствами является одной из ключевых задач для успешного развития наноиндустрии в целом. Ее решение позволит улучшить уже существующие и разработать новые типы сенсоров и устройств на основе нанотрубок, обладающих крайне обширной областью практического применения, позволит провести оптимизацию и удешевить использующиеся сейчас токопроводящие и антистатические композиты, модифицированные как МУНТ, так и другими наноуглеродными материалами. В рамках данного проекта предполагается проведение систематического исследования по разработке подходов для формирования приповерхностного слоя в композитах, модифицированных МУНТ, с заданными электрофизическими свойствами. Для этого планируется определить влияние типа полимерной матрицы, характеристик нанотрубок, способа получения композита и условий получения пленок композитов на их электрофизические свойства и выявить вклад приповерхностного слоя в проводимость пленок композитов. Планируется разработать подходы по использованию лазерной обработки для модификации поверхности композитов на основе различных полимерных матриц и выявить ее влияние на структуру приповерхностного слоя композитов, установить влияние параметров обработки на образование аморфного углерода за счет термического разложения полимерной матрицы, на возможность увеличения дефектности или деструкции МУНТ под воздействием лазерного излучения, определить влияние параметров обработки на перераспределение МУНТ в приповерхностном объеме композитов. Будут выявлены параметры лазерной обработки поверхности композитов, требуемые для формирования приповерхностного слоя с низким сопротивлением для создания антистатических материалов, эффективных контактов для пьезоэлектрических датчиков и электродов, а также параметры лазерной обработки, которые позволят формировать приповерхностный слой композита с высоким сопротивлением для создания высокочувствительных датчиков давления, мемристоров и др. В ходе выполнения проекта планируется определить влияние модификации приповерхностного слоя композитов, модифицированных МУНТ, на их эксплуатационные характеристики: 1) возможность снижения содержания МУНТ в композиционных антистатических материалов при сохранении требуемой проводимости; 2) увеличение стабильности и воспроизводимости характеристик пьезоэлектрических датчиков; 3) снижения контактного сопротивления полимерных электродов. А также возможность практического применения композитов с высоким сопротивлением приповерхностного слоя в качестве высокочувствительных датчиков. Таким образом, в рамках проекта предлагается комплексное исследование по формированию композитов с заданными электрофизическими свойствами приповерхностного слоя начиная от определения влияния исходной полимерной матрицы, характеристик нанотрубок и способа получения композита до оценки возможности практического использования композитов с заданными свойствами приповерхностного слоя и сравнения электрофизических и эксплуатационных свойств исходных и модифицированных композитов.