Выполненные работы и полученные научные результаты
I. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА (ВТП)
Одним из основных результатов выполнения проекта стала вычислительно-технологическая платформа (ВТП), являющаяся симбиозом двух больших частей – технологической и вычислительной, совместная работа которых обеспечивается аналитической частью, которая осуществляет эффективное взаимодействие и корректирует вектор развития каждой из частей ВТП.
Технологическая часть ВТП представлена большим лазерно-технологическим инструментарием (ЛТИ), включающим в себя три блока: I) блок создания 3D-сеток из графена и углеродных нанотрубок (наносварка), II) блок текстурирования поверхности, III) блок функционализации. Объединяющим фактором всех блоков является лазерное импульсное воздействие, которое обеспечивает и синтез 3D-сеток из графена и нанотрубок, и формирование поверхности, и адгезию с подложкой, и функционализирование различными наночастицами/атомами.
Вычислительная часть ВТП представлена научно-методическим численным аппаратом (НМЧА), включающим в себя три блока: I) лазерный (оптический) блок, II) блок выявления параметров поля для текстурирования поверхности, III) блок прогнозирования оптимального подхода функционализации. Объединяющим фактором всех блоков является созданный ранее коллективом проекта (http://nanokvazar.ru) генератор равновесных атомистических супер-ячеек, который генерирует любые графен-нанотрубные структуры с любыми типами трубок, графеновыми листами при любом типе контактов между ними и различной модификацией наночастицами/атомами.
Аналитическая часть ВТП является блоком анализа данных, полученных в результате работы технологической и вычислительной частей ВТП, с целью выбора вектора модификации для достижения лучших эмиссионных свойств.
Созданная ВТП защищена двумя патентами и четырьмя поданными заявками на регистрацию программ для ЭВМ.
Патенты:
1) патент на изобретение № 2773731 C1 от 08.06.2022 «Способ формирования электропроводящего слоя на основе оксида графена и углеродных нанотрубок». Авторы: А.В. Куксин, А.Ю. Герасименко, Ю.П. Шаман, Е.П. Кицюк, О.Е. Глухова;
2) патент на изобретение № 2800233 C1 от 19.07.2023 «Способ формирования эмитирующей поверхности автоэмиссионных катодов». Авторы: А.В. Куксин, А.Ю. Герасименко, Ю.П. Шаман, Е.П. Кицюк, О.Е. Глухова.
Заявки на регистрацию программ для ЭВМ:
– «Программа для расчета коэффициентов отражения и прозрачности одноямной двухбарьерной и двухъямной трехбарьерной резонансно-туннельных структур методом трансформации волнового импеданса». Авторы: О.Е. Глухова, М.В. Давидович, М.М. Слепченков;
– «Программа для расчёта вольт-амперных характеристик функционализированных наноматериалов». Авторы: О.Е. Глухова, М.М. Слепченков;
– «Программа для расчета плотности тока холодной полевой эмиссии одноямной двухбарьерной и двухъямной трехбарьерной резонансно-туннельных структур методом матриц переноса». Авторы: О.Е. Глухова, М.В. Давидович, М.М. Слепченков;
– «Программа для автоматизированного заполнения атомами и кластерами нанополостей 2D и 3D суперъячеек наноструктур». Авторы: О.Е. Глухова, Д.А. Колосов.
II. НОВЫЙ НАНОМАТЕРИАЛ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ПРИБОРОВ С СИЛЬНОТОЧНЫМИ АВТОЭМИССИОННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРОНОВ
Другим важным и также основным результатом выполнения проекта является создание нового наноматериала для развития элементной базы приборов с сильноточными автоэмиссионными источниками электронов.
Этот результат обеспечен следующими технологическими решениями, опирающимися на эффективное численное моделирование.
1. Синтез 3D-сеток на основе УНТ и графена
В результате лазерной наносварки были получены образцы наноматериала – 3D-сеток на основе УНТ и графена в виде плёнок на Si-подложках размером 10×10 (мм). Толщина пленок составляет 500–1000 нм, что достигается нанесением 800–1000 слоев графен-УНТ сочетаний. Воздействие лазерным излучением производилось с помощью импульсного Nd:YAG лазера, генерирующего излучение с длинами волн 266 нм и 1064 нм в диапазоне плотностей энергии 0.0061–0.8 Дж/см2. Именно эти длины волн были установлены предварительно с помощью разработанного НМЧА (в составе ВТП) как наиболее эффективные для проведения лазерной наносварки нанотрубок друг с другом и с графеновыми чешуйками (в диапазоне УФ-видимый-ИК).
Предварительно с помощью НМЧА было определено, что наносварка ОУНТ-ОУНТ наблюдается в основном в областях дефектов ОУНТ (на боковой поверхности или торцах), а наносварка ОУНТ-графен – в областях ненасыщенных связей краев графена, при этом УНТ играли роль мостиков, связывающих листы графена между собой с последующим образованием 3D-сеток. Таким образом, наносварка осуществляется именно через дефекты, которые появляются после лазерного воздействия с плотностью энергии 0.3 Дж/см2.
Твердость 3D-сеток на основе ОУНТ и МУНТ составила 36.3–40.1 ГПа и 39.5–42.8 ГПа, соответственно. Добавление графена приводит к увеличению твердости до ~52 ГПа.
Достигнуто увеличение электропроводности 3D-сеток на основе ОУНТ и МУНТ после лазерного воздействия до значений 11.5 кСм/м и 18.4 кСм/м, соответственно. Добавление графена способствовало существенному увеличению электропроводности.
2. Автокатоды на базе 3D-сеток
Изготовлены образцы катодов на основе наноматериалов ОУНТ и вОГ-ОУНТ с площадью 1 мм2 в виде круга. Плотность тока для наноматериала ОУНТ составила 226 мА/см2, для наноматериала вОГ-ОУНТ – 562 мА/см2. Значения пороговой напряжённости эмиссии составили 5 В/мкм для наноматериала ОУНТ и 4.6 В/мкм для наноматериала вОГ-ОУНТ.
С помощью НМЧА установлено, что критическая пондеромоторная сила, отрывающая атомы от 3D-сеток, составляет 3 нН. При этом поверхностные графеновые чешуйки не разрушаются под действием пондеромоторной силы, а только переориентируются, создавая наноцентры эмиссии.
3. Снижение работы выхода электронов 3D-сеток
Изготовлены 3D-сетки из вертикально ориентированных массивов МУНТ, функционализированные наночастицами LaB6, и 3D-сетки из ОУНТ и чешуек вОГ, функцианализированные наночастицами BaO, приваренные к Si-подложкам.
Предварительно с помощью НМЧА было установлено, что при функционализации 3D-сеток наночастицами LaB6 позволяет максимально снизить работу выхода на 13%, а наночастицами BaO – на 20%.
Для массивов МУНТ, функционализированных частицами LaB6, экспериментально были получены следующие результаты. Для исходного массива МУНТ было получено значение максимального тока эмиссии 23 мкА. Максимальный ток эмиссии сеток из гибридного наноматериала на основе массива МУНТ и наночастиц LaB6 составил 36 мкА, что на 16% больше по сравнению с исходным образцом. Максимальная плотность эмиссионного тока составила 0,37 А/см2. Для гибридных наноструктур ОУНТ/вОГ, функционализированных частицами BaO, были получены следующие результаты. Исходный образец обладал максимальным эмиссионным током 12 мкА. Максимальный полевой эмиссионный ток гибридной наноструктуры вОГ/ОУНТ/BaO после воздействия лазером составил более 500 мкА, что соответствует увеличению тока по сравнению с исходным образцом в 42 раза. Этому значению соответствует плотность эмиссионного тока 2 А/см2.
В итоге, согласно результатам серии экспериментальных исследований установлено, что функционализация 3D-сеток из углеродных наноматериалов частицами BaO привела к наиболее значительному улучшению эмиссионных параметров, что полностью согласуется с результатами прогностического моделирования, проведенного с помощью НМЧА.
Основные публикации по
теме проекта
Slepchenkov M.M., Gerasimenko A.Yu., Kuksin A.V., Shaman Y.P., Shamanaev A.A., Sysa A.V., Lebedev E.A., Eganova E.M., Goryachev A.V., Pavlov A.A., Glukhova O.E. Electrophysical properties of laser-structured carbon nanomaterials functionalized with LaB6 nanoparticles // Diamond and Related Materials. 2023. Vol. 140. P. 110512. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110512.
Davidovich M.V., Nefedov I.S., Glukhova O.E., Slepchenkov M.M., Rubi J.M. Field emission in vacuum resonant tunneling heterostructures with high current densities // Scientific Reports. 2023. Vol. 13. P. 19365. https://doi.org/10.1038/s41598-023-44900-2
Glukhova O.E., Slepchenkov M.M. Effect of LaB6 nanoparticles on the electronic and emission properties of single-walled carbon nanotubes/graphene hybrid 1D Nanomaterial // Letters on Materials. 2023. Vol. 13. Iss. 3. P. 312-316 https://doi.org/10.22226/2410-3535-2023-4-312-316
Глухова О.Е., Слепченков М.М. Влияние наночастиц карбида гафния на эмиссионные свойства квази-2D-графен/нанотрубной пленки: исследование из первых принципов // Физика твердого тела Т. 65. Вып. 8. С. 1408-1414. https://doi.org/10.21883/FTT.2023.08.56163.121
Глухова О.Е., Слепченков М.М., Кицюк Е.П., Шаман Ю.П., Герасименко А.Ю. Функционализация наночастицами BaO графен-нанотрубных наноструктур для устройств с полевой электронной эмиссией // Нано- и микросистемная техника. 2023. Т. 25. № 6. C. 266–274. https://doi.org/10.17587/nmst.25.266-274
Slepchenkov M.M., Glukhova O.E. Electronic properties and behavior of carbon network based on graphene and single-walled carbon nanotubes in strong electrical fields: Quantum molecular dynamics study // Nanotechnology 2022. Vol. 33. Num. 28. P. 285001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac652a
Gerasimenko A.Y., Kuksin A.V., Shaman Y.P., Kitsyuk E.P., Fedorova Y.O., Murashko D.T., Shamanaev A.A., Eganova E.M., Sysa A.V., Savelyev M.S., Telyshev D.V., Pavlov A.A., Glukhova O.E. Hybrid Carbon Nanotubes–Graphene Nanostructures: Modeling, Formation, Characterization // Nanomaterials. 2022. Vol. 12. Iss. 16. P. 2812 (1-27 pp.). https://doi.org/10.3390/nano12162812
Nefedov I.S., Davidovich M.V., Glukhova O.E., Slepchenkov M.M., Rubi J.M. Radiative heat transfer between two carbon nanotubes // Scientific Reports. 2022. Vol. 12. P. 17930 (1-10 pp.) https://doi.org/10.1038/s41598-022-22138-8.
Глухова О.Е., Слепченков М.М. Графен/нанотрубные квази-1D-структуры в сильных электрических полях // Физика твердого тела. 2022. Т. 64. Вып. 5. С. 578-586. https://doi.org/10.21883/FTT.2022.05.52340.26.
Давидович М.В. Особенности вакуумного резонансного туннелирования на одноямном и двухъямном барьерных потенциалах // Журнал технической физики. 2022. Т. 92, Вып. 9. С. 1387-1401. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.09.52931.257-21.
Куксин А.В., Глухова О.Е., Герасименко А.Ю. Электропроводящие каркасные материалы из углеродных нанотрубок // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2022. Т. 27, № 1, С. 19-27. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-1-19-27
Gerasimenko A.Y., Kuksin A.V., Shaman Y.P., Kitsyuk E.P., Fedorova Y.O., Sysa A.V., Pavlov A.A., Glukhova O.E. Electrically Conductive Networks from Hybrids of Carbon Nanotubes and Graphene Created by Laser Radiation // Nanomaterials. 2021. Vol. 11. Iss. 8. P. 1875. https://doi.org/10.3390/nano11081875
Davidovich M.V., Nefedov I.S., Glukhova O.E., Slepchenkov M.M. Toward the Theory of Resonant-Tunneling Triode and Tetrode with CNT-Graphene Grids // Journal of Applied Physics. 2021. Vol. 130. Iss. 20. P. 204301. https://doi.org/10.1063/5.0067763.
