Обновление приборной базы по программе Министерства науки и высшего образования поможет ученым Южного федерального университета исследовать наноматериалы, которые лежат в основе радио- и микроэлектроники, и даже позволит ускорить развитие отрасли водородной энергетики.
Фото: https://nano.secure.pitt.edu/
Фото: https://nano.secure.pitt.edu/
Сверхъяркий микроскоп
Одним из приоритетов обновления стал парк оборудования для микроскопии. Субсидия Минобрнауки России позволила Южному федеральному университету ввести в эксплуатацию в центре коллективного пользования один из наиболее мощных современных просвечивающих электронных микроскопов (ПЭМ) нового поколения JEOL JEM-F200.
«Средства на приобретение оборудования были выделены в 2019 году целевой субсидией. Конкурс на поставку прибора состоялся в феврале 2019 года, а введен в эксплуатацию он был в декабре 2019 года. Этот прибор позволяет получать высококачественные изображения с увеличением в просвечивающем режиме — х2 млн, а в сканирующем просвечивающем режиме — х150 млн. Такое высокое увеличение позволяет наблюдать образцы (монокристаллы, наночастицы и др.) на атомном уровне. Дополнительное оснащение ПЭМ позволяет фиксировать изменения структуры в объектах при нагревании или охлаждении, проводить элементный анализ от бериллия до плутония»,— рассказал старший научный сотрудник лаборатории фотохимии Аршак Цатурян.
Размер объектов, которые может изучать микроскоп,— один из самых высоких для приборов такого типа и достигает 0,1 нм, что гораздо меньше длины связи между двумя атомами углерода (0,154 нм в этане).
За измерениями на микроскопе в центре коллективного пользования к ЮФУ смогут обратиться вузы и предприятия-партнеры. Его использование позволит продвинуться в изучении и проектировании новых материалов, с высокой точностью визуализировать детали ультраструктуры несовершенных кристаллических материалов и детали структуры магнитных материалов, провести уникальные исследования в области прочности материалов, сплавов при внешнем воздействии и разработать принципиально новые катализаторы.
В 2020 году в ЮФУ создана лаборатория «Двумерные системы и эффекты конфайнмента в катализе». В ней этот инструмент является одним из фундаментов научной деятельности.
Лаборатория «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Южного федерального университета разрабатывает новые типы катализаторов для электролизеров и низкотемпературных топливных элементов — важной компоненты бурно развивающейся водородной энергетики. Рабочую поверхность таких катализаторов образуют закрепленные на поверхности носителя наночастицы платины и ее сплавов, размер которых составляет от 1 нм до 5 нм. Форма, состав и структура таких наночастиц, особенности их распределения на поверхности и в порах материала-носителя определяют активность и долговечность катализатора.
«Возможности микроскопа JEOL JEM-F200 позволяют не только оценить размер наночастиц, характер их размерного и пространственного распределения, но и непосредственно изучить устройство отдельной многокомпонентной частицы, измерить расстояние между атомными слоями, различить типы граней нанокристалла, “увидеть” различие атомного состава ядра и оболочки частицы. Картирование поверхности образца позволяет получить данные о распределении химических элементов в катализаторе, в том числе в отдельных наночастицах. Микроскоп позволяет проводить in situ наблюдения за превращениями наночастиц, происходящими в процессе управляемой термообработки образцов. Все это делает возможным реализацию новых способов получения наноструктурных катализаторов, позволяет улучшить управляемость их структурой и, как следствие, повысить функциональные характеристики таких материалов»,— рассказал главный научный сотрудник химического факультета ЮФУ Владимир Гутерман.
По гранту РФФИ 18-29-19043 мк «От синтеза и исследований индивидуальных углеродных наносистем к проектированию композитных материалов на их основе», выполняемого на кафедре «Нанотехнология» физического факультета ЮФУ (руководитель гранта — профессор кафедры Сергей Рошаль), в 2020–2021 годах будут синтезированы ориентированные массивы углеродных нанотрубок, потенциально пригодные для использования в качестве катодов с улучшенными характеристиками.
«Исследование структурных характеристик этих катодов можно провести на новом просвечивающем электронном микроскопе. Ранее для аналогичных целей использовался другой микроскоп с худшими характеристиками и меньшими возможностями»,— поделился Сергей Рошаль.
Углеродные нанотрубки (УНТ) — один из самых перспективных материалов для фотоники и оптоэлектроники нового типа. Для любого прикладного исследования УНТ знание их структурных параметров очень важно, поскольку они определяют физические свойства.
«Наиболее мощными методами исследования структуры УНТ являются электронная микроскопия высокого разрешения и электронная дифракция. Оба этих метода реализованы в просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-F200, позволяющем визуализировать УНТ с пространственным разрешением атомного уровня»,— рассказал сотрудник физического факультета ЮФУ Николай Лянгузов.
Для России устройство такого класса уникально. Представленный микроскоп укомплектован «холодной» электронной пушкой, которая обеспечивает высокую яркость, стабильность и качество пучка.
Электронная пушка для изучения наноматериалов
Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета закупил электронную пушку для микроскопа и комплекс цифровых контроллеров для системы сканирующей зондовой микроскопии на платформе Ntegra.
Благодаря им ученые смогут улучшить исследования наноматериалов, нано- и микроструктур, лежащих в основе современной элементной базы перспективных устройств радио- и микроэлектроники, а также систем телекоммуникаций и связи.
«Электронная пушка — основа электронного микроскопа, с помощью которого проводятся комплексные исследования наноматериалов, поверхности твердых тел, сложных твердотельных комплексов и структур на их основе, включая исследования структуры и элементного состава, а также пробоподготовку для просвечивающей электронной микроскопии»,— рассказал доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники Максим Солодовник.
По словам ученого, система сканирующей зондовой микроскопии, в свою очередь, предназначена для исследований электрофизических, топологических и механических параметров поверхности образцов различной природы.
Данная система активно используется при решении задач, стоящих, например, в рамках проектов Президентской программы Российского научного фонда № 19-79-10099 («Новые подходы в капельной эпитаксии наноструктур А3В5») и №20-69-46076 («Монолитная интеграция полупроводников А3В5 на кремнии для интегральных элементов оптоэлектроники и нанофотоники»), реализуемых в Институте нанотехнологий, электроники и приборостроения.
«Проекты направлены на решение ряда проблем на пути перехода к принципиально новым архитектурам вычислительных и телекоммуникационных платформ, прежде всего, гибридным – основанным на интеграции дальнейших вариантов развития традиционной и перспективной электронной компонентной базы с принципами квантовой электроники и фотоники», – рассказал доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники ЮФУ Максим Солодовник.
Проект «Новые подходы в капельной эпитаксии наноструктур А3В5» направлен на исследования и разработку перспективной технологии создания структур и элементов вычислительных блоков квантовых компьютинга и коммуникаций.
Проект «Монолитная интеграция полупроводников А3В5 на кремнии для интегральных элементов оптоэлектроники и нанофотоники» (руководитель – Олег Агеев, член-корреспондент РАН, профессор кафедры нанотехнологий и микросистемной техники) нацелен на решение такой важнейшей задачи, как интеграция полупроводников А3В5 на кремниевой платформе. Это необходимо для создания твердотельных оптоэлектронных и фотонных интегральных схем, сочетающих достоинства кремниевой интегральной технологии (высокопроизводительные системы обработки данных) и технологии полупроводников А3В5 (высокопроизводительные системы приёма и передачи данных). Проект реализуется при участии ведущих ученых из Физико-технического института им. Иоффе РАН, Санкт-Петербургского Академического университета РАН и ООО «Коннектор Оптикс».
«Так, комплекс цифровых контроллеров позволит нам перейти на качественно новый уровень измерений с одновременным применением большего числа прогрессивных и специализированных методик сканирующей зондовой микроскопии в исследованиях электрических и механических свойств функциональных наноматериалов», – отметил заведующий кафедрой радиотехнической электроники ЮФУ Владимир Смирнов
Проект «Разработка физико-технологических основ создания наногенераторов на основе флексо- и пьезоэлектрических эффектов в ориентированных углеродных нанотрубках» направлен на разработку новых источников энергии, способных обеспечить работу портативных устройств на основе преобразования альтернативных источников механической энергии, включая микро- и наноразмерные деформации и вибрации под действием движений тела, ветра, перепадов температуры и влажности окружающей среды.
«Углеродные нанотрубки, благодаря своим уникальным электромеханическим и аномальным пьезоэлектрическим свойствам, являются одним из самых перспективных материалов для решения данной проблемы. В рамках данного проекта будут проведены исследования влияния параметров углеродных нанотрубок на величину генерируемого тока и напряжения, разработаны физико-технологические принципы создания флексоэлектрического наногенератора на основе ориентированных углеродных нанотрубок», – рассказала руководитель проекта, доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники ЮФУ Марина Ильина.
Полученные результаты позволят определить конструктивно-технологические особенности изготовления флексоэлектрического наногенератора на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.
Заявленные исследования будут проведены впервые, а результаты, полученные при выполнении проекта, будут соответствовать мировому уровню науки в области исследования флексо- и пьезоэлектрических свойств углеродных нанотрубок и создания наногенераторов на их основе.