КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 14-19-01308

НазваниеФункциональные молекулярные системы с переключаемыми транспортными свойствами на основе органических молекул и одномерных проводников

РуководительБобринецкий Иван Иванович, Доктор технических наук

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

Годы выполнения при поддержке РНФ 2014 - 2016  , продлен на 2017 - 2018. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-801 - Фундаментальные основы конвергентных наук

Ключевые словаМолекулярные проводники, нанопровода, мемристор, квантово-химическое моделирование, молекулярная динамика, нанотрубки, органическая электроника, нанолитография

Код ГРНТИ47.03.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
С уменьшением технологических размеров при производстве интегральных микросхем отдельные молекулы привлекают все большее внимание в качестве будущих функциональных компонентов при разработке вычислительных устройств нового поколения. Возможность точной химической «настройки» свойств молекул под конкретные функциональные задачи является основой для создания различных электронных устройств. При этом управление свойствами подобных устройств в процессе функционирования может происходить с использованием различных внешних источников. Изучение новых принципов и технологии формирования систем обработки информации с использованием переключаемых молекулярных систем на основе органических и биологических молекул, как элементов передачи, хранения и обработки информации определяет актуальность предлагаемого проекта. Одним из ключевых результатов, в области изучения молекулярных систем является возможность управления проводимостью одиночного молекулярного канала посредством приложения неразрушающих электрических напряжений. Этот эффект может быть использован для создания принципиально новых элементов памяти и логических устройств на их основе. Для создания и изучения свойств проводящих молекулярных систем предлагается использование одномерных проводников, формирующих либо одиночные электроды, либо перколированные сетки в составе трехмерной композитной структуры. В частности, основной системой для исследования и моделирования свойств будет являться структура из УНТ-электродов, размещенных в органической матрице. Такой подход сочетает в себе несколько преимуществ. Хорошо определенная структура системы обусловлена локальным характером воздействия электрического поля (диаметр УНТ сравним с размерами перестраиваемых молекул). При этом основное внимание будет уделено процессам, происходящим при взаимодействии молекул и нанотрубок: явлениям квантовой интерференции между органическими молекулами и квантоворазмерными углеродными структурами, влиянию различных конфигураций органических молекул на транспортные свойства одномерных проводников. Полученные в работе результаты позволят сформулировать основополагающие принципы создания активных молекулярных систем, физические и химические свойства которых на микроскопическом уровне могут варьироваться в широких пределах. Будут предложены принципы построения элементов резистивной органической памяти на основе перекрестной нанопроводной системы, соединенной перестраиваемым молекулярным каналом.

Ожидаемые результаты
Будет предложена комплексная модель для описания взаимодействия молекулярных цепей и углеродных нанотрубок при создание проводящих квазиодномерных структур с переключаемыми транспортными свойствами. Будут сформулированы технологические принципы формирования массивов молекулярных элементов памяти на основе перекрестных систем из нанотрубок, соединенных молекулярными каналами с переключаемыми транспортными свойствами, что создаст предпосылки к разработке сенсорных устройств электростатического типа и электронных органических проводящих систем, обладающих эффектом памяти состояния (мемристоров). Результаты работы будут находиться на высоком мировом научно-техническом уровне, а в ряде положений в области конструктивно-технологических принципов организации систем молекулярной памяти будут значительно расширять существующий в мире уровень знаний. Результаты работы будут опубликованы в виде статей в реферируемых журналах, в том числе в изданиях, индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science), а также представлены на международных конференциях в виде устных и стендовых докладов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Предложена комплексная модель, основанная на технологическом базисе формирования локальных планарных электродов к молекулярным системам, и моделях одномерных молекулярных проводников для изучения взаимодействия молекулярных цепей и углеродных нанотрубок, что создает предпосылки к разработке сенсорных устройств электростатического типа и электронных проводящих систем, обладающих эффектом памяти. Проведено моделирование и начаты экспериментальные исследования молекулярных систем на различных типах органических полупроводников, обладающих различными электрофизическими характеристиками на макромасштабах: эпоксидиановая смола (диэлектрик), полианилин (проводник или полупроводник), цианиновые красители (светочувствительные полупроводники). Продемонстрировано, что при минимизации межмолекулярного взаимодействия отдельные молекулы различных органических веществ проявляют схожие свойства в проводимости.

 

Публикации

1. А.В.Емельянов, К.Ф.Ахмадишина, А.В.Ромашкин, В.К.Неволин, И.И.Бобринецкий Характеристики гибких прозрачных проводящих пленок на основе композита полианилин-углеродные нанотрубки ПЖТФ, Т. 41, Вып. 2, С. 87-95 (год публикации - 2015).

2. А.С. Селезнёв, И.А. Суетина, В.А. Петухов, Л.И. Руссу, А.Ю. Герасименко, М.В. Мезенцева, И.И. Бобринецкий Системы локального электрофизиологического воздействия на основе однослойных углеродных нанотрубок для исследования клеточных культур Медицинская техника, №6, С. 1-4 (год публикации - 2014).

3. К.Ф. Ахмадишина, И.И. Бобринецкий, И.А. Комаров, А. М. Маловичко, В.К. Неволин, А.В. Головин, А.О. Залевский, Р.Д. Айдарханов Быстродействующие биологические сенсоры на основе однослойных углеродных нанотрубок, модифицированных специфичными аптамерами Известия вузов. Электроника, - (год публикации - 2014).


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Разработаны комплексные методы формирования нанозазоров в углеродных нанотрубках с использованием фокусированного ионного воздействия, без разрушающего влияния на подложку. Продемонстрированы размеры сформированных щелей вплоть до 20 нм, что позволяет исследовать полимерные молекулы с низкой степенью полимеризации или молекулярные кристаллы. Предложены фотофизические и фотохимические методы модификации углеродных наноматериалов на примере графена. Предложены методы локальной химической модификации и травления графена с использованием жесткого ультрафиолета или лазерного облучения. Было проведено моделирование влияния кривизны графенового листа на его энергию активации при окислительном взаимодействии с кислородом. В совокупности данные методы могут позволить повысить качество формируемых нанозазоров в углеродных нанотрубках. Были изучены транспортные свойства стабилизированных солями одиночных лент J-агрегатов в конфигурации транзистора с полевым эффектом от затвора. Проведены работы по созданию и исследованию фотоотклика гетероструктур на основе пленок УНТ/J-агрегатов и продемонстрирована селективность в заданном спектре фотодетекторов. Все результаты работ нашли отражения (в новостях, списках публикаций) на сайте научной группы www.bobrinet.com.

 

Публикации

1. Dube, I., Jiménez, D., Fedorov, G., Boyd, A., Gayduchenko, I., Paranjape, M., Barbara, P. Understanding the Electrical Response and Sensing Mechanism of Carbon-Nanotube- Based Gas Sensors Carbon, Volume 87, Pages 330–337 (год публикации - 2015).

2. Gayduchenko Igor A., Fedorov Georgy E., Ibragimov Ramil A., Stepanova Tatiana S., Gazaliev Arsen S., Vysochanskiy Nikolay A., Bobrov Yuri A., Malovichko Anton M., Sosnin Ilya M., Bobrinetskiy Ivan I. Synthesis of single-walled carbon nanotube networks using monodisperse metallic nanocatalysts encapsulated in reverse micelles Hemijska industrija, OnLine-First Issue 00, Pages: 5-5 (год публикации - 2015).

3. I.I. Bobrinetskiy, A.V. Emelianov, N. Otero, P.M. Romero Patterned graphene ablation and two-photon functionalization by picosecond laser pulses in ambient conditions Applied Physics Letters, 107, 043104 (2015) (год публикации - 2015).

4. Natalia Woznica, Lukasz Hawelek, Henry E. Fischer, Ivan Bobrinetskiy, Andrzej Burian The atomic scale structure of graphene powder studied by neutron and X-ray diffraction Journal of Applied Crystallography, 48(5), 1429-1436 (год публикации - 2015).

5. V. Zhigalov ; V. Petukhov ; A. Emelianov, S. Timoshenkov Low-voltage field desorption in carbon nanotubes roc. SPIE 9440, International Conference on Micro- and Nano-Electronics, 94400C (год публикации - 2014).

6. Д.Д. Левин, И.И. Бобринецкий, А.В. Емельянов, В.К. Неволин, А.В. Ромашкин, В. А. Петухов Особенности функционализации поверхности однослойного и мультислойного графена под действием УФ окисления Известия вузов. Электроника, Т. 20б №3. С. 259-267 (год публикации - 2015).

7. И.В. Федоров, А.В. Емельянов, A.В. Ромашкин, И.И. Бобринецкий Фотодетекторы на основе пленок однослойных углеродных нанотрубок и J-агрегатов тиамонометинцианина на гибком носителе Физика и техника полупроводников, том 49, вып. 9, 1282 (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Предложена комплексная модель, основанная на технологическом базисе формирования локальных планарных электродов к молекулярным системам и моделях одномерных молекулярных проводников для изучения взаимодействия молекулярных цепей и углеродных нанотрубок, что создает предпосылки к разработке сенсорных устройств электростатического типа и электронных проводящих систем, обладающих эффектом памяти. Проведено моделирование и экспериментальные исследования молекулярных систем на различных типах органических полупроводников, обладающих различными электрофизическими характеристиками на макромасштабах: эпоксидиановая смола (диэлектрик), полианилин (проводник или диэлектрик), цианиновые красители (светочувствительные полупроводники), олиготиофены и др. Продемонстрировано, что при минимизации размера молекулярного кластера отдельные молекулы различных органических веществ обладают значительно большей проводимостью и подвижностью по сравнению с плёнками и кластерами из этих молекул. Разработаны комплексные методы формирования нанозазоров в углеродных нанотрубках с использованием фокусированного ионного воздействия без разрушающего влияния на подложку. Продемонстрированы размеры сформированных щелей вплоть до 20 нм, что позволяет исследовать полимерные молекулы с низкой степенью полимеризации или молекулярные кристаллы. Методом фокусированной ионной литографии сформированы нанозазоры в одиночных проводниках на основе углеродных нанотрубок с воспроизводимым зазором шириной 30 нм. Были сформированы молекулярные каналы на основе молекул полианилина, а также молекулярных слоев олиготиофенов. Исследованы их транспортные свойства при комнатных и низких температурах. Выявлены особенности в проводимости молекул и переключении их транспортных свойств под влиянием внешнего воздействия (электрического поля, света). Были созданы молекулярные органические транзисторы на основе молекул ПАНИ, в которых исследован полевой эффект и определена подвижность молекулярного канала, которая составила 0.1 см2/В∙с при соотношении тока включения и выключения 500. Были изучены транспортные свойства стабилизированных солями одиночных лент J-агрегатов в конфигурации транзистора с полевым эффектом от затвора. Проведены работы по созданию и исследованию фотоотклика гетероструктур на основе пленок УНТ/J-агрегатов и продемонстрирована селективность в заданном спектре фотодетекторов. Предложены фотофизические и фотохимические методы модификации углеродных наноматериалов на примере графена. Предложены методы локальной химической модификации и травления графена с использованием жесткого ультрафиолета или лазерного облучения. Было проведено моделирование влияния кривизны графенового листа на его энергию активации при окислительном взаимодействии с кислородом. В совокупности данные методы могут позволить повысить качество формируемых нанозазоров в углеродных нанотрубках. Разработаны комплексные методы фотохимической модификации углеродных наноструктур (графена, нанотрубок) с использованием сверхкороткого лазерного импульсного излучения, демонстрирующие модификацию химических, оптических и электрических свойств углеродной решётки, включая возможность структурной модификации с разрешением менее 100 нм. Предложенные методы, могут быть развиты на органические материалы и являются основой нового направления фотохимической технологии при создании нового типа углеродсодержащих функциональных элементов. В целом предложена воспроизводимая технология формирования молекулярных проводников на основе полимерных полупроводниковых молекул, а также агрегатов олигомеров, которые проявляют новые эффекты в транспортных свойствах, а также существенно изменяют свои свойства при изменении внешних воздействий. Все результаты работ нашли отражения (в новостях, списках публикаций) на сайте научной группы www.bobrinet.ru.

 

Публикации

1. - Researchers suggest new route for graphene processing that could prove useful for graphene-based electronics Graphene info, Oct 30, 2016ElectronicsTechnical / Research (год публикации - ).

2. - Simple routes to new graphene-based devices: you need only light Phys.Org, October 31st, 2016 (год публикации - ).

3. А. В. Ромашкин, А.В Емельянов, К. А. Царик, И. И. Бобринецкий Deposition of polymers on structures with nano-gaps fabricated between carbon nanotubes by focused ion beam etching SPIE, - (год публикации - 2017).

4. А.В. Емельянов, A.В. Ромашкин, К.А. Царик, А.Г. Насибулин, В.К. Неволин, И.И. Бобринецкий Высокая подвижность носителей заряда в молекулярных каналах полианилина в нанозазорах между углеродными нанотрубками Физика и техника полупроводников, 2017, том 51, вып. 4, 512-516 (год публикации - 2017).

5. Г.Н. Тен, О.Е. Глухова, М.М. Слепченков, И.И. Бобринецкий, Р.А. Ибрагимов, Г.Е. Федоров, В.И. Баранов Influence of topological defects on the structure of G and D spectral bands of a single-layer carbon nanotube Optics and Spectroscopy, V. 120, Iss. 5, pp 732-739 (год публикации - 2016).

6. Д. Д. Левин, И. И. Бобринецкий, А. В. Емельянов, В. К. Неволин, А. В. Ромашкин, В. А. Петухов Specific Features of Surface Functionalization of Single-Layer and Multilayer Graphene by Oxidation on Ultraviolet Irradiation Semiconductors, Vol. 50, No. 13, pp. 1743–1748. (год публикации - 2016).

7. Ж. Занг, А.В Емельянов, А.А. Бакулин, И.И. Бобринецкий Molecular doping of single-walled carbon nanotube transistors: optoelectronic study Proc. SPIE 9923, Physical Chemistry of Interfaces and Nanomaterials XV, 992319 (год публикации - 2016).

8. И. Бобринецкий, А. Емельянов, А. Насибулин, И. Комаров, Н. Отеро, П. М. Ромеро Photophysical and photochemical effects in ultrafast laser patterning of CVD graphene Journal of Physics D: Applied Physics, V.49. P. 41LT01 (год публикации - 2016).

9. И.И. Бобринецкий, А. В. Емельянов, С. А. Смагулова, И. А. Комаров, Н. Отеро, П. М. Ромеро Laser direct 3D patterning and reduction of graphene oxide film on polymer substrate Materials Letters, 15 January 2017, Pages 20–23 (год публикации - 2017).

10. И.И. Бобринецкий, А.В Емельянов, Н. Отеро, П. Ромеро. Ultrafast graphene and carbon nanotube film patterning by picoseconds laser pulses SPIE. Photonics West. LASE, 13 - 18 February 2016. P9736-9 (год публикации - 2016).

11. О.Е. Глухова, В.А. Кондрашов, В.К. Неволин, И.И. Бобринецкий, Г.В. Савостьянов, М.М. Слепченков Prediction of the stability and electronic properties of carbon nanotori synthesized by a high-voltage pulsed discharge in ethanol vapor. Semiconductors, 50(4), 502-507 (год публикации - 2016).

12. Рыжий, В., Отсужи Т., Рыжий, М., Leiman, В. Г., Федоров, Г., Гольцман, Г. Н., Кнап, W Two-dimensional plasmons in lateral carbon nanotube network structures and their effect on the terahertz radiation detection Journal of Applied Physics, 120, 044501 (2016). (год публикации - 2016).

13. Федоров И. В., Емельянов А. В., Ромашкин A. В., Неволин В. К., Бобринецкий И. И Узкоспектральные фоточувствительные структуры на основе J-агрегатов цианиновых красителей Известия вузов. Электроника, Т. 21 (1). – 2016. – С. 38-47 (год публикации - 2016).


Возможность практического использования результатов
не указано