Развитие подходов по созданию новых элементов электроники на основе гибких полимерных композиционных материалов с углеродными нанонаполнителями

Полимерные электропроводящие композиционные материалы (ПЭКМ) являются относительно новым классом функциональных материалов, позволяющих обойти ряд фундаментальных ограничений характерных для традиционных для твердотельной электроники металлических и полупроводниковых материалов, а также получить улучшенные по сравнению с ними эксплуатационные характеристики. Современная электронная база не позволяет решать задачи гибкой электроники по многократному использованию элементов при повышенных деформациях (единицы и десятки процентов относительного удлинения) и при изгибах. Перспективными для данных задач являются ПЭКМ, представляющие собой полимерную диэлектрическую матрицу с электропроводящими нанонаполнителями. ПЭКМ позволяют получать синергетический эффект от использования полимеров, выполняющих роль механической матрицы, и электропроводящих наполнителей, обеспечивающих достижение требуемых электрофизических и механических свойств конечного материала. Развитие подходов по разработке таких ПЭКМ в последних два десятилетия стали для мировой науки и техники принципиально важным направлением материаловедения. Возможность модификации электронной структуры углеродных нанонаполнителей в совокупности с возможностью создавать композиты различной морфологии позволит комплексно решить проблему создания новых элементов для электроники с заданными функциональными свойствами. Настоящий проект посвящен исследованию ПЭКМ с равномерно распределенной электропроводящей фазой в полимерных матрицах с целью создания высокоэффективных тензорезистивных и термоэлектрических элементов для использования от криогенных температур до 300°C при повышенных деформациях. Для решения поставленной задачи будут разработаны методы получения и всесторонне исследованы композиты с использованием полимеров полибензимидазола и ароматического полиамида, отличающихся структурой макромолекул и характером взаимодействия с углеродными нанонаполнителями. В качестве электропроводящей фазы будут использованы следующие материалы: 1) одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) разных морфологии и соотношения металлических и полупроводниковых ОУНТ; 2) многостенные УНТ (металлический характер проводимости); 3) различные производные графена – восстановленный оксид графена, аминированный и тиолированный графены (характер от полупроводникового до полуметаллического). Несмотря на большое количество работ, опубликованных в литературе по созданию ПЭКМ для электроники, большинство объектов, предлагаемых в рамках настоящего проекта, будут созданы впервые. Впервые полученные и протестированные элементы будут обладать в сравнении с существующими аналогами: i) более эффективным распределением в матрице полимера наночастиц наполнителя с контролируемыми в широком диапазоне электрофизическими свойствами, ii) более широким диапазоном температур эксплуатации, iii) бо́льшими модулем упругости, прочностью и гибкостью. Будет решена фундаментальная задача установления взаимосвязи между типом диэлектрической матрицы, электрофизическими свойствами нанонаполнителей и морфологией композитов с проявляемыми фундаментальными и функциональными свойствами. Проект является комплексным и междисциплинарным – поставленные задачи включают исследования по дизайну и получению новых ПЭКМ, а также исследования: электронных транспортных и термоэлектрических свойств, взаимодействия наполнителя и полимерной матрицы спектроскопическими и методами микроскопии, определение функциональных характеристик и разработку элементов и прототипов. Данные задачи будут решены впервые в рамках одной работы. Решение поставленных задач позволит разработать фундаментальные и технологические основы получения высокоэффективных функциональных ПЭКМ для задач создания элементов гибкой электроники, а также определить стратегию развития подходов по реализации разработанных материалов в виде конечных продуктов, востребованных современной отечественной и мировой электроникой.