Фундаментальные основы стрейнтроники низкоразмерных структур семейства графена

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 22-22-20048

НазваниеФундаментальные основы стрейнтроники низкоразмерных структур семейства графена

Руководитель Лебедев Николай Геннадьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный университет" , Волгоградская обл

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова стрейнтроника, двумерные структуры, деформации, пьезорезистивный эффект, тензор эластопроводимости, калибровочный фактор, теория функционала плотности, калибровочная теория, дислокации, дисклинации

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научной проблемой, решаемой в проекте, является управление электронным строением, электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами нано- и гетероструктур с помощью механических напряжений. Актуальность этой проблемы обусловлена тем, что решение приоритетных проблем физики низкоразмерных структр невозможно без поиска новых материалов, обеспечивающих эффективное преобразование электромеханической энергии. Одной из приоритетных проблем физики конденсированного состояния является получение материалов с заданными свойствами и возможностью управлять ими. В последние десятилетия сформировалось новое самостоятельное научное направление физики конденсированного состояния – стрейнтроника, использующая физические эффекты в веществе, обусловленные деформациями, возникающими в микро-, нано- и гетероструктурах под действием внешних управляющих полей, приводящих к изменению электронного строения, электрических, магнитных, оптических и других свойств материалов. Подобные эффекты позволят реализовать новое поколение устройств информационных и сенсорных технологий. Недавно разработан транзистор на базе графена с использованием деформационного изменения баллистической проводимости (эффект пьезопроводимости). Такие полупроводниковые устройства (транзисторы, резисторы, пьезорезистивные сенсоры и датчики давления) могут быть разработаны также на базе других структур семейства графена (дираковских структур), деформационные эффекты в которых находятся на стадии изучения. Научная новизна запланированных исследований определяется использованием деформационных эффектов, создаваемых механическими напряжениями, для повышения эффективности управления электронным строением, электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами нано- и гетероструктур. Совместный учет релятивистских поправок первого порядка (спин-орбитальное взаимодействие электронов) и калибровочных полей пластических деформаций (дислокаций, дисклинаций) для изучения пьезорезистивных свойств двумерных дираковских структур до сих пор не проводился и будет осуществлен впервые. Графен является одним из основных кандидатов для элементов современной электроники вместо кремния. Он может быть использован в качестве основы для транзисторов, кантиливера для атомно-силового микроскопа, химических сенсоров. Выдающиеся проводящие свойства графена наряду с возможностями практического применения их же и ограничивают в виду отсутствия у этого наноматериала запрещенной зоны, наличие которой является основой для функционирования устройств электроники. Именно поэтому актуальными являются научные изыскания, связанные с поиском новых материалов, проводимость которых схожа по величине с проводимостью графена, но при этом обладающих запрещенной зоной. К настоящему времени выявлены 92 претендента на материал со свойствами, подобными графену и со схожей плоской двумерной структурой. 40 из них ранее никогда не предлагались в качестве графенового аналога, и их свойства, в том числе и проводящие, остаются малоизученной областью. Несмотря на такое обилие кандидатов, перспективных с точки зрения основы наноэлектронных устройств, их использование сильно ограничивает возможность синтеза и взаимодействия с подложкой. Поэтому актуальной задачей первого этапа работы будет поиск среди наноматералов «семейства графена» реально синтезированных и изучение их пьезорестивных свойств. В проекте предполагается решение следующих задач: 1. Построить квантовую модель низкоразмерных структур семейства графена (дираковских структур) в напряженно-деформированном состоянии, учитывающей релятивистские поправки первого порядка (спин-орбитальное взаимодействие электронов), наличии примесей и полей пластических деформаций (дислокаций, дисклинаций). 2. Разработать алгоритм численного моделирования управления электронным строением, электрическими и оптическими свойствами двумерных дираковских структур механическими напряжениями. 3. Численно исследовать деформационные изменения электронного строения дираковских структур, рассчитать зависимости удельной электропроводности и эластопроводимости от величины относительной деформации, концентрации примесей и интенсивности полей пластических деформаций. Масштаб и комплексность решаемых задач определяется возможностью объединения активно развивающейся стрейнтроники и калибровочной теории полей пластической деформации на основе совместного аналитического описания электромеханических процессов методом Кубо-Гринвуда. В рамках описанного подхода предполагается создать научную основу для оптимизации характеристик пьезорезистивных сенсоров, транзисторов, датчиков давления, активных лазерных затворов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лебедева О.С. , Лебедев Н.Г. Сравнительный анализ пьезорезистивности примесных германеновых и графеновых нанолент материалы международной научно-практической конференции "Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2022 (ICMSSTE 2022) "(16–19 мая 2022 г.) / отв. редактор В.В. Дядичев. – Симферополь : Издательский дом КФУ,, С. 354 - 365. (год публикации - 2022)

2. Чибриков А.С., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость германеновых нанолент с изоморфными дефектами замещения Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2022 (ICMSSTE 2022): материалы международной научно-практической конференции (16–19 мая 2022 г.) / отв. редактор В.В. Дядичев. – Симферополь : Издательский дом КФУ, 2022. – 564 с., C. 395 - 402. (год публикации - 2022)

3. Аланкина А.В., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость графеновых нанолент в условиях малых пластических деформаций Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2023 (ICMSSTE 2023): материалы международной научно-практической конференции (16–19 мая 2023 г.) / отв. редактор В. В. Дядичев. – Симферополь: Издательский дом КФУ, 2023, С. 209 – 219. (год публикации - 2023)

4. Чибриков А.С., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость германеновых нанолент с изоморфными дефектами замещения МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, ФОРМООБРАЗУЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ 2023 (ICMSSTE 2023) материалы международной научно-практической конференции. Симферополь, 2023 Издательство: Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского (Симферополь), 2023. 384 с. С. 220 – 227. (год публикации - 2023)

5. Чибриков А.С., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость германеновых нанолент с изоморфными дефектами замещения Математическая физика и компьютерное моделирование, Т. 26, № 2, С. 73 – 87. (год публикации - 2023)
10.15688/mpcm.jvolsu.2023.2.7

6. Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Пьезопроводимость графеновых нанолент. Упругопластические деформации Физика твердого тела, том 66, вып. 4, стр. 608 - 614 (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.04.57799.254

7. Лебедева О.С., Лебедев Н.Г., Чибриков А.С., Шамина Е.Н. ЭЛАСТОПРОВОДИМОСТЬ ГЕРМАНЕНОВЫХ НАНОЛЕНТ С АКЦЕПТОРНЫМИ ДЕФЕКТАМИ Химическая физика (год публикации - 2024)

8. Лебедева О.С. , Лебедев Н.Г. Сравнительный анализ эластопроводимости нанолент семейства графена Сборник тезисов докладов на XXXIV симпозиуме «Современная химическая физика», 16 – 25 сентября 2022 г., г. Туапсе (год публикации - )

9. Чибриков А.С., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость примесных германеновых нанолент Сборник тезисов XXXIV симпозиума «Современная химическая физика», 16 – 25 сентября 2022 г., г. Туапсе, С. 287. (год публикации - )

10. Аланкина А.В., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость графеновых нанолент в поле пластических деформаций Тезисы докладов 24-й Всероссийской научной молодежной конференции «Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника», 28 ноября – 2 декабря 2022 г., Санкт-Петербург. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022., С. 48. (год публикации - )

11. Аланкина А.В., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость графеновых нанолент в условиях малых пластических деформаций Тезисы докладов Четвертой российской конференции «Графен: молекула и 2D-кристалл», Новосибирск: ИНХ СО РАН, 14 - 18 августа, 2023 г., С. 95 (год публикации - 2023)

12. Чибриков А.С., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость германеновых нанолент с точечными дефектами замещения Тезисы докладов Четвертой российской конференции «Графен: молекула и 2D-кристалл», Новосибирск: ИНХ СО РАН, 14 - 18 августа, 2023 г., С. 120. (год публикации - 2023)

13. Аланкина А.В., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Пьезорезистивные свойства графеновых нанолент в приближении малых пластических деформаций Сборник тезисов XXXV симпозиума «Современная химическая физика», 18 – 28 сентября 2023 г., г. Туапсе,, С. 111. (год публикации - 2023)

14. Чибриков А.С., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Влияние точечных дефектов замещения на эластопроводимость германеновых нанолент Сборник тезисов XXXV симпозиума «Современная химическая физика», 18 – 28 сентября 2023 г., г. Туапсе, С. 112. (год публикации - 2023)

15. Чибриков А.С., Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Эластопроводимость германеновых нанолент с донорными и акцепторными примесями Сборник тезисов XXXV симпозиума «Современная химическая физика», 18 – 28 сентября 2023 г., г. Туапсе, С. 304. (год публикации - 2023)

Публикации