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 24-79-00074
НазваниеФундаментальные исследования хеморезистивного эффекта в новых низкоразмерных максеновых наноструктурах и их применение в однокристальных мультисенсорных газоаналитических системах
Руководитель Плугин Илья Анатольевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." , Саратовская обл
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые слова Максены, низкоразмерные наноструктуры, физика полупроводников, нанотехнология, микроэлектроника, мультисенсорные системы, электронный нос
Код ГРНТИ47.09.48
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Существующие устройства детектирования газовых сред обладают рядом существенных недостатков, например, таких как высокие рабочие температуры или низкие хеморезистивные отклики, а существующий аналитический инструментарий газовых сред, такой как газовые хромотографы или спектрометры обладает большими масса/габаритными параметрами и высокой стоимостью. В связи с этим необходимо создание компактного, дешевого газоанализатора, способного работать при комнатных температурах и обладающего высокими хеморезистивными откликами. Относительно дешевой альтернативой существующих устройств, способной удовлетворять перечисленным требованиям может являеться мультисенсорная система, сформированная на поверхности одного кристалла, в конструкцию которой будет входить набор сенсоров, работа которых основана на хеморезистивном эффекте. Характеристики таких систем главным образом зависят от материала, используемого в качестве сенсорного слоя. Как известно в литературе, для достижения высоких хеморезистивных показателей сенсорных устройств необходимо применение в качестве сенсорного слоя структур с высоким соотношением площади поверхности к объему. С учетом таких требований, одними из наиболее подходящими структурами для данного приложения являются максеновые структуры. Данный класс соединений является обширным, недавно впервые открытым и малоизученным. В связи с этим, в рамках реализации проекта, будут изучены электрические и хеморезистивные характеристики новых низкоразмерных максеновых наноструктур, с ранее не изученными хеморезистивными характеристиками, например на основе W, Zr или др., в том числе под влиянием различных внешних факторов, таких как температура, влажность воздуха, облучение электромагнитным излучением в ультрафиолетовом диапазоне, развиты методики формирования однокристальных газоаналитических мультисенсорных систем на основе новых максеновых наноструктур и изучены их селективные возможности по распознаванию газовых сред. Использование мультисенсорного подхода с приложением искусственного интеллекта, и микроэлектронных технологий в совокупности с применением новых максеновых наноструктур, хеморезистивные характеристики которых будут изучены в работе, позволит развить имеющиеся или сформировать новые мультисенсорные системы, обладающие низкими масса/габаритными показателями, предположительно высокой чувствительностью к газовым средам и селективностью к видам газовых сред, что позволит использовать такие системы в различных направлениях, например таких как робототехника, неинвазивная медицина, системы мониторинга окружающей среды, системы безопасности и контроля пищевой продукции.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В работе был произведен и оптимизирован синтез новых низкоразмерных максеновых наноструктур, с ранее не изученными хеморезистивными характеристиками Mo1.33CTx и W1.33CTx, произведена их физическая охарактеризация, разработаны на их основе однокристальные газоаналитические мультисенсорные линейки, изучены хеморезистивные характеристики и селективные возможности по распознаванию газовых сред.
В работе показано, что данные максены в условиях работы при комнатной температуре при приложении постоянного тока обладают чувствительностью к парам спиртов, кетонов, алканов, аренов, эфиров уксусной кислоты и воды с наибольшей чувствительностью к парам воды и спиртам, а наименьшей к парам кетонов, с откликами снижающимся при увеличении влажности в окружающей атмосфере, уменьшении концентрации паров аналитов и увеличении толщины сенсорного слоя. Показано что данные максены обладают низкой шумовой составляющей, позволяющей детектировать данные газообразные соединения в ppb диапазоне, с не меняющимся временем отклика, составляющем около 1500 секунд, а временем восстановления, увеличивающимся при увеличении хеморезистивного отклика и составляющем порядка 10000 секунд для паров воды в концентрации 50 ppm. Сравнительный анализ литературы показал, что данные структуры обладают хеморезистивными откликами, превышающими отклики других известных максеновых структур на пары воды при работе в условиях комнатной температуры, что в совокупности позволяет делать на их основе высокочувствительные гигрометры. При этом примененный мультисенсорный подход показал возможность не только детектировать газовые среды, но и успешно их распознавать, что говорит о возможности создания на основе данных максенов газодетекторы и газоанализаторы. Также в работе показано, что хеморезистивные характеристики Mo1.33CTx максенов улучшаются при облучении электромагнитным излучением в ультрафиолетовом диапазоне, а характеристики W1.33CTx максенов при аналогичном облучении не изменяются. Помимо этого показано, что увеличение рабочей температуры Mo1.33CTx максенов приводит к их частичному окислению, в результате чего хеморезистивный отклик уменьшается при температурах вплоть до 200℃, после чего увеличивается до тысяч процентов со сменой типа отклика, при этом значительных улучшений отклика W1.33CTx максенов при нагреве до 300℃ не наблюдалось. Также в работе были выполнены исследования Mo1.33CTx максенов при приложении переменного тока, показавшие, что данные структуры обладают малой емкостью, а хеморезистивные отклики несут резистивный характер.
На основе выполненного исследования была подана заявка на патент на изобретение, опубликована 1 статья, индексируемая в базах данных WoS/Scopus, а также принято участие в 1 конференции.
Публикации
1.
Цыганов А.Р., Викулова М.А., Зотов И.В., Коротаев Е.В., Плугин И.А., Сысоев В.В., Кириленко Д.А., Рабчинский М.К., Асоян А.Р., Гороховский А.В., Горшков Н.В.
Application of W1.33CTz MXene obtained by hydrothermal etching as an additive to enhance the electrochemical energy storage properties of binder-free Ti3C2Tx MXene films
Dalton Transactions, Tsyganov, Alexey, et al. "Application of W1. 33CTz MXene obtained by hydrothermal etching as an additive to enhance the electrochemical energy storage properties of binder-free Ti3C2Tx MXene films." Dalton Transactions (2025). (год публикации - 2025)
10.1039/D5DT00413F