Паспорт проекта

Название проекта

Создание структур графен/пьезоэлектрик для нового поколения приборов высокочастотной электроакустики 




Лаборатория "Функциональные низкоразмерные структуры"

Руководители проекта

Доктор физико-математических наук  Морозов Сергей Владимирович

Цели проекта

Создание нового научного направления в НИТУ «МИСиС», представляющего собой разработку технологии формирования структур графен/пьезоэлектрик, обладающих высокими характеристиками по усилению поверхностных акустических волн (ПАВ) потоком электронов в графене, обоснование принципов усиления ПАВ для акустического сканирования и организация для этого новой лаборатории под руководством ведущего ученого.

Задачи проекта

Создание математической модели структур графен/пьезоэлектрик для расчета электроакустических параметров структуры в зависимости от характеристик подложек и от поверхностного дизайна;

Создание технологии формирования структур графен/пьезоэлектрик;

Проведение цикла материаловедческих исследований структур графен/пьезоэлектрик;

Формирование генератора поверхностных акустических волн на поверхности пьезокристалла, покрытого небольшим числом слоев графена, включающего встречно-штыревые преобразователи и отражатели;

Исследование характеристик ПАВ генератора на основе структур графен/пьезоэлектрик;

Формирование структуры графен/пьезоэлектрик на бидоменных подложках и исследование влияние изгибной деформации на характеристики переноса носителей заряда в графеновых пленках;

Исследование эффективности ПАВ генераторов, сформированных на подложках с изменяемым радиусом кривизны;

Развитие метрологической базы лаборатории, позволяющей исследовать основные характеристики образцов;

Создание и обоснование принципов усиления ПАВ в структурах для применения их в качестве рабочих элементов генераторов прецизионного акустического сканирования;

Подготовка магистров и аспирантов по заявленному направлению.

Уникальность проекта

В Лаборатории электроакустики НИТУ «МИСиС» будут созданы основы технологии получения ПАВ структур графен/пьезоэлектрик. Планируемые исследования будут содержать теоретический анализ эффекта усиления ПАВ структур графен/пьезоэлектрик, их пространственный дизайн, теоретическое и экспериментальное исследование процессов получения монослоев графена высокой степени размерами более 10 мкм. В проекте будут выполнены теоретические и экспериментальные исследования генераторов ПАВ, созданных на основе структур графен/пьезоэлектрик.

Такие исследования не имеют аналогов в мировой науке и направлены на получение новых высокозначимых результатов. Полученные результаты и разработанная технология создания нового типа генераторов ПАВ станут основой для активной инновационной деятельности, в частности, по созданию принципиально нового класса электроакустических приборов высоких технологий. Предполагается участие в инновационной деятельности как за счет создания участков по производству приборов внутри НИТУ «МИСиС», так и созданием малых предприятий при участии НИТУ «МИСиС».

Актуальность проекта

На сегодняшний момент графен является одним из наиболее изучаемым и перспективным материалом из-за набора уникальных свойств, таких как высокая электро- (в миллионы раз выше, чем у меди) и теплопроводность (3000 Вт/мК), зависимость электронных характеристик от наличия на поверхности графена присоединенных радикалов различной природы, квантовый эффект Холла, чрезвычайно высокой подвижности носителей (2,5∙105 см2/В∙с), высокой упругости и хороших электромеханических характеристик (модуль Юнга порядка 1 ТПа). Набор этих свойств чрезвычайно привлекателен с точки зрения возможного прикладного использования графена в качестве основы для новых наноматериалов с улучшенными механическими, электрическими и теплофизическими характеристиками, а также в качестве элемента наноэлектронных устройств.

В частности, планируется исследовать эффект усиления поверхностных акустических волн (ПАВ) в пьезоэлектриках за счет использования графеновых пленок и структур. Отличительной особенностью является использование в качестве подложек сегнетоэлектрических монокристаллов со сформированной доменной структурой. С их помощью возможно производить контролируемый изгиб структуры по заданному закону. В результате создания подобных структур откроются предпосылки к созданию монохроматических электроакустических устройств, способных к модуляции частоты ПАВ с одновременным ее усилением. Также прогнозируется существенный вклад в фундаментальные исследования свойств графена. При помощи бидоменных сегнетоэлектрических элементов деформации можно осуществлять прецизионный изгиб (как изотропный, так и анизотропный), что может способствовать изучению влияния механических напряжений на электронный транспорт и псевдо-магнитные свойства графена.

Оборудование

Установка синтеза углеродных структур, в том числе графена, из смеси уг-лерод-содержащих газов при пониженном давлении в реакторе Planar Grow-2S (PlanarTECH LLC)

Система плазменной обработки поверхности PDC-32G-2 (Harrick Plasma Inc.)

Приставка электронной литографии NanoMaker-Writer (Interface Ltd.)

Комплект оборудования для нанесения фоторезиста ATP Spin-150iNPP (SPS-Europe B.V.)

Сушильный шкаф UT-4620 (ULAB)

Стереомикроскоп CS51 (Olympus)

Микроскоп оптический прямой с приставкой рамановского картирования ВХ51 (Olympus) и Модель рамановской приставки: РамМикс М532 (ООО ИнСпектр)

Генератор сигналов высокочастотный DSG3030 (Rigol Technology Inc.)

Нановольтметр 2182/E (Keithley Instruments Inc.)

Двухфазный синхронный усилитель SR830 (Stanford Research Systems)

Источник-измеритель 2614В (Keithley Instruments Inc.)

Высокочастотный генератор с согласующим устройством RF600 (SunPla со. Ltd.)

Стойка под приборы MXR-6642-G

Поршневой компрессор с осушителем REMEZA СБ 50.VS204Д

Шкаф для хранения легковозгорающихся веществ, щелочей и кислот KEMFIRE 600 (Type A) (LABOR SECURITY SYSTEM S.R.L.) заявленному направлению.

Партнёрство и сотрудничество

Purdue University 

Разработана технология создания подложек для ПАВ структур с управляемым радиусом кривизны. Разработаны 2 способа формирования бидоменной структуры методами высокотемпературного нагрева выше температуры Кюри в неоднородном электрическом поле и импульсного фотонного отжига. Показано, что методом высокотемпературного нагрева выше температуры Кюри в неоднородном электрическом поле возможно сформировать бидоменную структуру в монокристаллических пластинах толщиной не более 300 мкм вследствие экранирования электрического поля свободными носителями заряда, образующимися в сегнетоэлектрике при высоких температурах. Методом импульсного фотонного отжига возможно сформировать бидоменную структуру в сегнетоэлектриках толщиной выше 300 мкм, при этом в процессе отжига формируется значительная концентрация f-центров.

Разработана технология формирования структуры графен/пьезоэлектрик. Исследована возможность синтеза монослоев графена на подложках с напылением Ni с последующим отделением. Отработана технология осаждения полученных пленок графена на сегнетоэлектрик.

Проведено материаловедческое исследование структур графен-пьезоэлектрик. Исследован стехиометрический состав ниобата лития методом лазерной вспышки. Показано, что пластины ниобата лития имеют конгруэнтный состав. Измерения деформации бидоменных элементов показали, что бидоменный элемент деформации имеет линейную зависимость характеристики «электрическое напряжение – механическая деформация». После 107 рабочих циклов деформации не выявлено каких-либо изменений первоначальных характеристик.

Методом комбинационного рассеяния света и рамановской спектроскопии произведено исследование качества получаемого графена. Исследования показали, что качество графена, а именно количество отделенных слоев может быть оценено при изучении симметричности пиков на рамановских спектрах. Из этого следует, что синтез рекомендуется производить при достаточно низких давлениях ацетилена.

2015 E. E. Vdovin
S.V. Morozov
Resonant tunnelling between the chiral Landau states of twisted graphene lattices Nature Physics
2015 D. Roshchupkin,
O. Kononenko,
E. Emelin,
Surface acoustic wave propagation in graphene film Journal of Applied Physics 
2015 Kubasov I.V.,
Malinkovich M.D.,
Bykov A.S.,
Parkhomenko Yu.N.
Interdomain Region in Single-Crystal Lithium Niobate Bimorph Actuators Produced by Light Annealing Crystallography Reports
2016 М.Д. Малинкович,
А.С. Быков,
И.В. Кубасов,
С.В. Ксенич,
А.А, Темиров,
Формирования бидоменной структуры в пластинах ниобата лития, предназначенных для бетавольтаических генераторов переменного тока Радиотехника и электроника
2016 S.V. Morozov Macroscopic self-reorientation of interacting two-dimensional crystals Nature Communications
2016 E.E. Vdovin, S.V. Morozov Phonon-Assisted Resonant Tunneling of Electrons in Graphene–Boron Nitride Transistors Physical Review Letters
2016 S.V. Morozov High thermal conductivity of hexagonal boron nitride laminates 2D Materials
2016 I. V. Kubasov , A. M. Kislyuk, A. S. Bykov, M. D. Malinkovich, R. N. Zhukov, D. A. Kiselev, S. V. Ksenich, A. A. Temirov, N. G. Timushkin, Yu. N. Parkhomenko Bidomain structures formed in lithium niobate and lithium tantalate single crystals by light annealing Crystallography Reports
2016 S.V. Morozov High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical response in atomically thin InSe Nature Nanotechnology
2016 S.V. Morozov Tuning the valley and chiral quantum state of Dirac electrons in van der Waals heterostructures Science
2016 E.V. Emelin, D.V. Roshchupkin Piezoelectric Ca3NbGa3Si2O14 crystal: crystal growth, piezoelectric and acoustic properties Applied Physics A
2016 O.V. Kononenko, D.V. Roshchupkin Direct growth of graphene film on piezoelectric La3Ga5.5Ta0.5O14 crystal Physica Status Solidi RRL
2017 D.V. Roshchupkin Two-dimensional X-ray focusing by off-axis grazing incidence phase Fresnel zone plate on the laboratory X-ray source Optics Communications
2017 M.D. Malinkovich, , Y.N. Parkhomenko XPS study of Li/Nb ratio in LiNbO3 crystals. Effect of polarity and mechanical processing on LiNbO3 surface chemical composition Applied Surface Science
2017 M.D. Malinkovich An electromechanical x-ray optical element based on a hysteresis-free monolithic bimorph crystal Instruments and Experimental Techniques
2017 Yu. N. Parkhomenko  XPS characterization of MWCNT and C60-based composites Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
2017 E.V. Emelin, D.V. Roshchupkin SEM imaging of acoustically stimulated charge transport in solids APPLIED PHYSICS LETTERS
2017 A. M. Kislyuk, A. S. Bykov, M. D. Malinkovich, A. A. Temirov, Yu. N. Parkhomenko A Novel Vibration Sensor Based on Bidomain Lithium Niobate Crystal ACTA PHYSICA POLONICA A
2017 A. M. Kislyuk, A. S. Bykov, M. D. Malinkovich, A. A. Temirov, Yu. N. Parkhomenko Vibrational Power Harvester Based on Lithium Niobate Bidomain Plate ACTA PHYSICA POLONICA A
2017 S. V. Morozov High-temperature quantum oscillations caused by recurring Bloch states in graphene superlattices Science
2017 O. V. Kononenko Large positive magnetoresistance of graphene at room temperature in magnetic fields up to 0.5 T Scripta Materialia

Морозов Сергей Владимирович

Пархоменко Юрий Николаевич

Вяткин Анатолий Федорович

Рощупкин Дмитрий Валентинович

Вдовин Евгений Евгеньевич

Кононенко Олег Викторович

Малинкович Михаил Давыдович

Быков Александр Сергеевич

Емелин Евгений Валерьевич

Чичков Максим Владимирович

Темиров Александр Анатольевич

Волкова Яна Борисовна

Кислюк Александр Михайлович

Терехова Юлия Сергеевна

Дружинин Александр Владимирович

Гостева Екатерина Александровна

Ксенич Сергей Владимирович

Кубасов Илья Викторович

Дикан Владимир Алексеевич 

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика