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 19-19-00401

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

РуководительБобринецкий Иван Иванович, Доктор технических наук

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

Года выполнения при поддержке РНФ2019 - 2021

КонкурсКонкурс 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 словаграфен, 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.

Ожидаемые результаты
Будет предложена комплексная модель для описания взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов и углеродных наноструктур при создании функциональных элементов электроники на основе графена и углеродных нанотрубок. Будет разработана модель взаимодействия углеродной решётки с внешними молекулами (кислород, вода, аммиак) под действием сверхкоротких импульсов света, что создаст предпосылки к разработке сенсорных устройств электрохимического типа и фотоэлектронных систем, обладающих высоким временным и пространственным разрешением. Будут сформулированы технологические принципы формирования интегральных функциональных систем на основе углеродных наноструктур и предложена концепция полностью безмасочного управления параметрами устройств на основе графена. Результаты работы будут находиться на высоком мировом научно-техническом уровне, а в ряде положений в области конструктивно-технологических принципов организации латеральных p-n переходов в графене 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. Помимо фундаментальной значимости результатов проекта, расширяющих знания о взаимодействии сверхкоротких лазерных импульсов с веществом на атомарном уровне, разработанные функциональные структуры могут быть применены в различных областях народного хозяйства в короткой перспективе. В частности, сформированные атомарные p-n переходы могут быть применены в качестве детекторов сверхкороткого оптического излучения в спектроскопических исследованиях, а также для контроля мощности лазерного излучения в операциях по коррекции зрения (LASIK), что позволит повысить точность проводимых операций и минимизировать побочные эффекты. Сформированные сетки нанопор в каналах транзисторов позволят повысить чувствительность сенсорных устройств на основе графена, в том числе, в нейроэлектронных интерфейсах на основе массивов транзисторов в задачах in vivo и in vitro диагностики нейрональной активности и тестирования лекарственных препаратов для лечения нарушений функций мозга.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Сверхкороткие (пико- или фемтосекундные) лазерные импульсы начали раскрывать свой научный, технологический и промышленный потенциал в широкой области применения более 20 лет назад. Нелинейные эффекты, возникающие из-за сильного взаимодействия между фотонами и атомарной решеткой материала, происходящего на временных масштабах менее единиц пикосекунд, систематически не рассматривались. Сверхбыстрые лазеры могут предоставить новый инструмент для безмасочной экологически чистой обработки графена и других двумерных слоистых материалов в широком диапазоне субтрактивных и аддитивных процессов, открывая новые физические свойства и области применения. Используя преимущества синергетического эффекта энергетических состояний в атомных слоях и сверхбыстрого лазерного излучения, можно достичь беспрецедентного разрешения вплоть до нескольких нанометров. Проведен обзор современного уровня техники сверхкороткой импульсной лазерной обработки 2D наноструктур. Основным результатом проведенного анализа стало выявление связи между скоростью термализации горячих электронов в графене при фемтосекундном лазерном воздействии и структурных изменений в материале при двухфотонной модификации графена. Обзор оформлен в виде обзорной статьи для публикации в реферируемом журнале. Проведена отработка режимов фемтосекундной функционализации графеновой плоскости с контролем параметров лазерного воздействия и последующего анализа типа функциональных групп и структурных изменений в графене. На основе проведенных ранее теоретических расчетов была предложена модель формирования функциональных групп на графене в процессе двухфотонного поглощения излучения. Был разработан метод фемтосекундной лазерной функционализации поверхности одиночных однослойных УНТ на твердотельных подложках в канале полевого транзистора с нижним затвором. Проведенные ранее теоретические оценки предполагают значительное наличие эпоксидных групп на поверхности модифицированного участка УНТ. Данная модель подтверждается значительным увеличением гистерезиса в проходной характеристике транзистора на модифицированной УНТ. Также подтверждено значительное (на порядок) увеличение сопротивления нанотрубок, связанное с рассеянием основных носителей заряда на дефектах и увеличение отношений тока включения и выключения, свидетельствующее об увеличении запрещенной зоны в модифицированной нанотрубке. Разработаны методики связывания органических молекул с графеновой поверхностью. Выбраны следующие типы органических полупроводниковых молекул: перилен диимид (PDI), полианилин (PANI), эфир пиреномасляной кислоты (PBASE), Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine (TCTA) для исследования влияния характера легирования функционализированного и нефункционализированного графена. В частности, молекулы PDI и PBASE обладают планарной структурой, состоящей из бензольных колец, обеспечивая достаточно прочную pi-pi связь с графеном. Было исследовано влияние осаждения молекул перилена на фоточувствительность разработанных графеновых структур. Было обнаружено, что предварительная фотообработка графена существенно изменяет процесс адсорбции органических молекул на поверхности, что связано с изменением поверхностных состояний, включая поверхностную энергию графена. Измерена зависимость фототока гетероструктуры графена/графен, модифицированный органическим молекулами после УФ обработки модифицированных пленок УНТ. Была разработана надежная и масштабируемая технология для функционализации графеновых полевых транзисторов методом струйной печати. Были разработаны полупроводниковые органические чернила и методы осаждения органических молекул на поверхности графена. Предложенная технология является гибкой и может обеспечить модификацию массива МДП транзисторов на основе графена на одной подложке различными органическими молекулами, которые могут обеспечивать тонкую настройку создаваемых фотодетекторов на конкретные длины волн. Показана значительная модуляция изменения электрических свойств функционализированного органическими молекулами графена. Планарный светочувствительный перехода был разработан на основе частичного покрытия канала графена, обработанного коротковолновым (УФ) облучением. Структура чувствительна к видимому свету с фотооткликом до 0,5 A/W для 532 нм. Предложено, что фотовольтаических эффект ответственен за генерацию фототока в pn-переходе, созданном при легировании части графена органическими молекулами при воздействии света. На основе разработанных методов фотохимической модификации графена была реализована технология сенсора на микотоксины (токсины, выделяемые плесневыми грибами) с использованием транзисторов с каналом из графена, селективность которого обеспечивается ковалентной пришивкой специфичных аптамеров. Сам транзистор создан по КМОП совместимой технологии. Было продемонстрировано, что существенным этапом на стадии сборки сенсорного слоя является обработка высокоэнергичным облучением, обеспечивающая формирование функциональных групп на поверхности графена. На следующем этапе разрабатываемые технологии управления шириной запрещенной зоны в графене при его модификации лазером будет использованы для повышения селективности сенсорных структур. В целом, была разработана комплексная модель для описания взаимодействия графеновой плоскости с молекулярным окружением в присутствии интенсивного светового облучения (коротковолнового (УФ) или импульсного (фс)), что обеспечивает переход к разработке новых методов создания функциональных структур на основе реконструированных оптическим излучением 2D материалов.

 

Публикации

1. - Утро России. Эфир от 06.11.2019 (05:00). Датчик плесени. Отечественный карманный гаджет для проверки свежести продуктов Россия 1, - (год публикации - ).

2. - Graphene transistor catches mycotoxins in food NanoWerk, - (год публикации - ).

3. - Как определить, отравлена ли пища Коммерсант, - (год публикации - ).

4. - Разработан способ быстро определять токсин плесени в продуктах Газета.ru, - (год публикации - ).

5. - В России разработали быстрый способ определения токсина плесени в продуктах Indikator, - (год публикации - ).

6. - Плесень за решёткой: российские учёные создали сенсор для обнаружения опасных веществ в продуктах RT на русском, - (год публикации - ).

7. 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).

8. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Разработаны сенсорные структуры на основе однослойных углеродных нанотрубок, модифицированных органическим монослоями. Было проведено исследование влияния УФ облучения и молекулярного окружения на оптические, электрические и сенсорные свойства углеродных нанотрубок. Подтверждено образование кристаллов PTCDA и TAPC на поверхности ОСУНТ, тогда как полимер (ПАНИ) образует полимерную пленку. Для исследования сенсорных свойств в различной газовой атмосфере была создана матрица датчиков на основе чистого слоя ОСУНТ, ОСУНТ, обработанного УФ-излучением, и шести слоев, где ОСУНТ функционализированы органическими молекулами. Разработаны графеновые транзисторы, структуры графена на встречно-штыревых электродах, и подвешенного графена. Технологический маршрут был модифицирован для создания возможности подведения внешних электрических воздействий в процессе лазерной обработки графена, за счет увеличения контактах областей, а также увеличения площади канала транзистора. Был исследован процесс переноса графена на готовые электроды в виде массива встречно-штыревых преобразователей (ВШП) из различных металлов (золото или платина), сформированных на различных типах подложек: традиционный оксид кремния на кремнии, стекло, полиэтилентерефталат (ПЭТ) и полиимид (ПИ). Разработаны транзисторы с каналом из MoS2. Транзисторные структуры создавались посредством стандартного процесса взрывной фотолитографии на всей поверхности подложки. Также были исследованы транзисторы на основе оксида графена для разработки методов двухфотонной модификации данных структур. Были изготовлены кристаллы с транзисторами, различающимися размерами канала, сформированного из оксида графена: 5x10, 10x20, 20x10, 20x20 мкм2. Методами локального фемтосекундного лазерного окисления сформированы гетеропереходы в одиночной нанотрубке для создания перспективных элементов оптоэлектроники и фотовольтаики. Продемонстрировано, что при высокой частоте повторений ~80МГц лазерных импульсов окисление углеродной поверхности идёт не только в области прохождения лазерного пятна, но и выходит за его пределы, за счет превалирования термических процессов на высоких частотах фс импульсов. Отношение токов включения и выключения после окисления составило >10^4. Предложена новая конструкция чувствительного широкополосного фотодетектора с высоким пространственным разрешением на основе углеродной нанотрубки, обеспечивающего не только повышение чувствительности фотоприемного устройства за счет увеличения инжекции носителей заряда в области сформированного перехода, но и высокую гибкость в интеграции данного устройства. Воздействие на графен фемтосекундного лазерного импульса определяется наличием физических или химических эффектов во время облучения. Для достижения прогнозируемого эффекта изменения морфологии транзистора необходимо провести калибровку степени воздействия фемтосекундного излучения на лист графена. Для этого использовался ХОГ графен различных производителей. Основным инструментом исследования воздействия фемтосекундного лазерного излучения являлась спектроскопия комбинационного рассеяния. В результате исследования были получены требуемые параметры обработки фемтосекундным излучением графена, при котором изменяется морфология поверхности. Выявлено, что порог абляции начинает проявляться, начиная с 18 мВт и выше при скорости воздействия в диапазоне 400-500 мкм/с. Была исследована связь между параметрами обработки графена в каналах транзисторов и изменения электрических свойств. С понижением крутизны проходных характеристик падает и сопротивление структуры с увеличением дозы воздействия лазерного излучения, так как увеличивается количество внесённых дефектов и функциональных групп в графен. Также было обнаружено влияние направления поляризации оптического излучения на модификацию графена. Различие в параметрах между образцами, модифицированными с различным направлением поляризации вдоль направления движения пучка связано с взаимодействием с электронной плотностью в графене. Предложена методика по локальной фемтосекундной модификации оксида графена, включающая управляемое фотохимическое и фототермическое изменение в структуре плёнки. Подремонтирована высокая точность лазерной обработка верхних слоев плёнки, что может быть использовано при создании однослойных графеновых транзисторов с полевым эффектом. Был разработан метод ковалентной функционализации транзисторов на основе полупроводниковых однослойных углеродных нанотрубок зелёными флуоресцентными белками (ЗФБ). Пришивка ЗФБ была произведена при помощи ковалентной функционализации УНТ с применением методики клик-химии. Было исследовано изменение электрических свойств УНТ при прикреплении ЗФБ на её поверхности. За счёт азидной группы функционализация ЗФБ носит донорный характер. Помимо этого, обнаружен донорный эффект ЗФБ в нанотрубке при воздействии оптического излучения. Было обнаружено селективное изменение проводимости УНТ с прикреплёнными ЗФБ под действием определённой длины волны. В целом, предложены технологические основы управления энергетической структурой в углеродных наноматериалах (графен, нанотрубка), обеспечивающие переход к созданию новых функциональных структур с улучшенными свойствами, такие как биологические сенсоры, планарные одномолекулярные фотодетекторы, и полевые транзисторы.

 

Публикации

1. - THIS ELECTRONIC BODY PART CAN IDENTIFY THOSE MOST VULNERABLE TO COVID-19 Inverse, - (год публикации - ).

2. - Sensor System Analyzes Exhaled Air to Identify Respiratory Tract Pathologies AZO NAno, - (год публикации - ).

3. - Compact electronic nose to identify human lung diseases EurekAlert, - (год публикации - ).

4. - Компактный электронный нос позволил определить заболевания легких человека Газета.ру, - (год публикации - ).

5. - Компактный электронный нос позволил определить заболевания легких человека ПОИСК, - (год публикации - ).

6. - «Электронный нос» выявит заболевание легких по выдыхаемому воздуху ПОЛИТ.РУ, - (год публикации - ).

7. - Разработана система экспресс-диагностики заболеваний легких по дыханию РИА НОВОСТИ, - (год публикации - ).

8. - Создан прототип электронного носа, способного распознать болезнь легких МК, - (год публикации - ).

9. - Carbon nanotubes pave the way for human breath analysis of lung disease NanoWERK, - (год публикации - ).

10. - Одна из миллиона Российская Газета, - (год публикации - ).

11. - https://nauka.tass.ru/nauka/8470741 ТАСС, - (год публикации - ).

12. 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).

13. 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).