Локальная фотохимическая реконструкция двумерных углеродных наноструктур для создания элементов интегральной электроники нового поколения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00401

НазваниеЛокальная фотохимическая реконструкция двумерных углеродных наноструктур для создания элементов интегральной электроники нового поколения

Руководитель Бобринецкий Иван Иванович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-709 - Нанотранзисторы и другие наноэлектронные приборы элементной базы информационных систем

Ключевые слова графен, углеродные нанотрубки, сверхкороткий импульс, фемтосекундные лазеры, двухфотонное окисление, полевые транзисторы, p-n переход, литография, безмасочная технология, реконструкция поверхности, сенсоры

Код ГРНТИ47.13.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основная научная проблема, на решение которой направлен проект, связана с выяснением механизмов и построением модели изменения химических и физических свойств двумерных и одномерных углеродных структур при взаимодействии со сверхкоротким импульсным лазерным излучением, и разработка технологических основ локальной безмасочной модификации углеродных наноматериалов при создании новых функциональных элементов электроники и фотоники. С уменьшением технологических размеров при производстве интегральных микросхем новые наноразмерные материалы привлекают все большее внимание в качестве основы будущих функциональных компонентов для разработки вычислительных устройств нового поколения. Одним из таких материалов являются углеродные наноструктуры, в частности, графен и нанотрубки. Возможность точной химической и физической «настройки» свойств подобных наноструктур под конкретные функциональные задачи является основой для создания различных электронных устройств. При этом, управление свойствами подобных устройств в процессе создания и функционирования может происходить с использованием различных внешних источников. В настоящий момент, вопрос технологической интеграции функциональных структур на основе графена решается традиционными методами микроэлектроники, что не только ухудшает свойства графена за счет внесения примесей и дефектов в атомарную структуру на различных этапах микрообработки, но и лишает возможности эксплуатации новых, несвойственных традиционным материалам, эффектов. В частности, свойствами графена можно управлять, вводя различные механические напряжения при формировании 2.5-мерных структур (складок, изгибов, ступеней и т.п.), что трудно реализовать традиционными методами планарной технологии. Изучение свойств, методов и разработка технологических принципов локального управления свойствами функциональных систем на основе графена и углеродных нанотрубок с использованием безмасочных методов лазерной модификации атомной структуры определяет научную значимость решения рассматриваемой проблемы. Для создания и изучения свойств функциональных структур на основе графена будут разработаны методы фемтосекундного лазерного фотохимического паттернирования углеродной решетки в контролируемой атмосфере или молекулярном окружении. В частности, основной системой для исследования и моделирования свойств будет являться p-n переход в одиночной нанотрубке или монослое графена, интегрированный в состав транзисторной структуры. Такой подход сочетает в себе несколько преимуществ. Хорошо определенная структура системы обусловлена локальным характером воздействия: атомная решетка графена является идеальной модельной системой, а диаметр, обрабатываемой лазером области, может быть минимизирован до 60 нм. При этом, основное внимание будет уделено процессам, происходящим при взаимодействии графеновой плоскости и внешнего окружения при сверхкоротком импульсном воздействии: явлениям двухфотонного поглощения излучения и инициируемого им химического взаимодействия, генерации горячих носителей заряда, реконструкция атомарной структуры, - и их влиянию на транспортные свойства проводников на основе графена и углеродных нанотрубок. В работе будут получены новые знания (в том числе, подтвержденные экспериментом), существенно расширяющие представления о природе взаимодействия электромагнитного излучения и углеродных наноматериалов на сверхкоротких временах воздействия. Полученные в работе результаты позволят сформулировать основополагающие принципы технологии создания активных графеновых систем, физические и химические микроскопические свойства которых могут варьироваться в широких пределах за счет сверхкороткого импульсного лазерного воздействия. На основе полученных результатов будет предложен физико-технологический базис лазерных методов паттернирования графена как на физическом, так и на химическом уровне при создании новых функциональных элементов и устройств: планарных атомарных гетеропереходов для фотовольтаики и оптоэлектроники, транзисторов на основе реструктурированного графена, химических и биологических сенсоров, основанных в том числе на акустических эффектах в 2.5D модифицированной структуре графена.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Некрасов Н., Киреев Д., Емельянов А., Бобринецкий И. Graphene-Based Sensing Platform for On-Chip Ochratoxin A Detection Toxins, Toxins 2019, 11, 550. (год публикации - 2019)
10.3390/toxins11100550

2. Некрасов Н., Киреев Д., Омерович. Н, Емельянов А., Бобринецкий И. Photoinduced doping in graphene field-effect transistor with inkjet-printed organic semiconducting molecules Nanomaterials, 9, 1753 (год публикации - 2019)
10.3390/nano9121753

3. Freddi, S., Emelianov, A.V., Bobrinetskiy, I.I., Drera, G., Pagliara, S., Kopylova, D.S., Chiesa, M., Santini, G., Mores, N., Moscato, U., Nasibulin, A.G. Development of a Sensing Array for Human Breath Analysis Based on SWCNT Layers Functionalized with Semiconductor Organic Molecules Advanced Healthcare Materials, 2020, 2000377 (год публикации - 2020)
10.1002/adhm.202000377

4. Nekrasov, N., Emelianov, A., Kireev, D., Omerović, N., & Bobrinetskiy, I. Photosensitive junctions based on UV-modified graphene and inkjetprinted organic molecules Proc. SPIE, Proc. SPIE 11365, Organic Electronics and Photonics: Fundamentals and Devices II, 113650X (год публикации - 2020)
10.1117/12.2560646

5. Емельянов А.В, Некрасов Н.П., Москотин М.В., Федоров Г.Е., Отера Н., Ромеро П.М., Неволин В.К.. Афиногенов Б.И., Бобринецкий И.И. Individual SWCNT Transistor with Photosensitive Planar Junction Induced by Two-Photon Oxidation Advanced Electronic Materials, 7, 3, p.2000872 (год публикации - 2021)
10.1002/aelm.202000872

6. Некрасов Н.П., Якунина Н.В., Пушкарев А.В, Орлов А.В., Гаджански И., Пескуэра А., Центено А., Заратуза А., Никитин П., Бобринецкий И.И. Spectral-Phase Interferometry Detection of Ochratoxin A via Aptamer-Functionalized Graphene Coated Glass Nanomaterials, 11(1), p.226 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11010226

7. Некрасов Н.П., Афиногенов Б.И., Кокарева Н.Г., Бессонов В.О., Федянин А.А., Бобринецкий И.И. Femtosecond laser reconstruction of graphene field effect transistor Proceedings of SPIE, vol. 11770, p. 117700N (год публикации - 2021)
10.1117/12.2589254

8. Стручков Н.С., Некрасов Н.П., Емельянов А.В, Туякова Ф.Т., Бобринецкий И.И. Gate-controlled sensing of ammonia by single-layer MoS2 field-effect transistor Proceedings of SPIE (год публикации - 2022)

9. Лашков А.В., Якунина Н.В., Ромашкин А.В, Стручков Н.С., Царик К.А Nanochannels based on graphene formed by ion etching to develop array-based gas sensors Proceedings of SPIE (год публикации - 2022)

10. Некрасов Н.П., Якунина Н.В.,, Неволин В.К., Бобринецкий И.И., Герасименко А.Ю. Two-photon polymerization of albumin hydrogel nanowires strengthened with graphene oxide Biomimetics, 6, 66 (год публикации - 2021)
10.3390/biomimetics6040066

11. Некрасов Н.П., Ярич С., Киреев Д., Емельянов А.В., Орлов А.В., Гаджански И., Никитин П., Анкиванде Д., Бобринецкий И.И. Real-time detection of Ochratoxin A in wine through insight of aptamer conformation in conjunction with graphene field-effecttransistor Biosensors and Bioelectronics (год публикации - 2022)
arXiv:2104.10551v2

12. Гвитер Р.Э., Некрасов Н.П., Емельянов А.В., Насибулин А.Г., Рамакришнан К., Бобринецкий И., Джонс Д.Д. Differential Bio-Optoelectronic Gating of Semiconducting Carbon Nanotubes by Varying the Covalent Attachment Residue of a Green Fluorescent Protein Advanced Functional Materials, https://doi.org/10.1002/adfm.202112374 (год публикации - 2022)
10.1002/adfm.202112374

Публикации