Весной этого года были объявлены победители конкурса «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» Российского научного фонда. Два проекта от учёных из МИЭТа получили гранты. Подробнее о своей работе нам рассказали доктор технических наук, ведущий научный сотрудник МИЭТа Иван Иванович Бобринецкий и кандидат технических наук, старший преподаватель института ПМТ Сергей Владимирович Дубков.

Фотограф: Максим Столбов

Новые материалы, новые методы

«Электроника сегодняшнего дня основана на кремнии. Технология развивается, оборудование для её реализации усложняется, добавляются новые материалы. Однако принцип функционирования основного компонента любого процессора – транзистора – остаётся неизменным на протяжении уже более 50 лет. Люди долгое время гадают: что же будет после кремния? Вопрос не только в материалах, но и в принципах обработки информации: будут ли это оптические схемы, электрохимические, магнитные, спиновые и так далее. Мы работаем с более традиционной схемой – с графеном.

Технология его обработки совместима с технологией современной микроэлектроники. Тем не менее, если мы хотим реализовать все новые свойства, которыми обладает данный материал, нам нужны и другие методы его обработки. Этой проблеме и посвящён наш проект.

Основная идея исследования основана на изучении взаимодействия двух предельных явлений. С одной стороны – это графен, лист материала толщиной в один атом (а если точнее – порядка трёх ангстрем), который к настоящему моменту уже научились производить в промышленных масштабах. С другой стороны – фемтосекундные(10-15 секунды) лазерные импульсы. Это импульсы света, длительность которых соответствует периоду колебаний одной молекулы или средней длительности химических реакций в природе. Процесс взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с веществом широко используется в исследовании материалов, а также в технологии их обработки, так как позволяет нивелировать термические процессы – за такое короткое время взаимодействия со светом материал просто не успевает нагреться. А значит, открывается новая интересная область – фотохимия – модификация материалов сугубо за счёт инициализации реакции светом. Ответ на вопрос «что может произойти с графеном или родственными ему материалами при коротком взаимодействии со светом» – основная тема наших исследований. 

Уже есть намёки на новые эффекты. Первое, это легирование (внедрение небольших количеств примесей – прим. редактора) за счёт пришивки новых молекул к поверхности графена. Второе – перестройка атомной структуры: с помощью фемтосекундного лазера можно «переключать» связи внутри материала. 

Первым делом – аппаратная база

Российский научный фонд поддерживает фундаментальные и поисковые исследования, результаты которых имеют очевидную прикладную составляющую. Конечно, можно мечтать о заводе, который будет делать новые чипы на основе графена. Но если подходить к проблеме прагматично, то первым делом мы должны создать аппаратную базу. В данном случае это высокоскоростной фемтосекундный импульсный лазерный литограф. Таких приборов нет в России, за рубежом есть несколько лабораторных экземпляров. Для обработки наноматериалов таких приборов нет. Это отдельная технологическая задача. Её решение требует немалых финансовых ресурсов, которые в несколько раз превышают сумму нашего гранта РНФ. Мы уже давно подаём заявки в различные фонды на гранты для создания первого российского фемтосекундного литографа, но пока безуспешно. Поэтому, если говорить о производстве, то создание такого уникального оборудования, является первым шагом.

***

Пользуясь случаем, через «ИНверсию» я хочу пригласить студентов для работы по данному проекту. Она состоит из нескольких блоков. Во-первых, это построение модели взаимодействия света и атомной решетки графена в присутствии внешних молекул. Во-вторых, с коллегами из МГУ мы адаптируем имеющуюся у них установку мультифотонной литографии под наши задачи. С коллегами из Университета Техаса мы будем изготавливать транзисторы на основе не только графена, но и других двумерных материалов. В дальнейшем предполагаются командировки студентов и аспирантов к нашим партнёрам в США для проведения исследований созданных структур, в институт Биосенс (Сербия) для создания новых сенсорных элементов».

Научный сотрудник Института ПМТ Сергей Владимирович Дубков о проекте «Развитие принципов искусственного фотосинтеза в видимой области спектра с использованием массивов плазмонных наночастиц»:

Искусственный фотосинтез

«В октябре 2018 эксперты ООН по климатическим изменениям опубликовали доклад на тему глобального потепления. Чтобы избежать повышения температуры воздуха на полтора градуса по Цельсию, нужно сократить выбросы углекислого газа вдвое до 2030 года и достичь нулевого баланса выброса углерода к выработке кислорода до 2050 года. В связи с этим большой интерес представляют «природоподобные технологии», среди них – процесс искусственного фотосинтеза, суть которого состоит в поглощении, превращении и использовании энергии квантов света для преобразования углекислого газа и воды в органические вещества. Искусственный фотосинтез – известная идея, реализовать которую учёные пытаются уже долгое время с переменным успехом. Главные проблемы внедрения этой технологии – низкая производительность и значительные энергетические затраты на производство. 

Проект научной группы С.В. Дубкова важен для науки, потому что автор работает над развитием принципов создания платформы для ускорения химической реакции при помощи облучения светом и действием катализатора, называемой гибридной фотокаталитической платформой. Она может использоваться для процесса переработки газов с целью изменения состава исходной газовой смеси, а также для очистки воды от органических загрязнений, для получения водорода и кислорода путём разложения воды, дожигания выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

В 2019 году планируется исследование систем на основе оксида титана и углеродных трубок с металлическими наночастицами для выявления их фотокаталитической активности и физико-химических свойств, а также разработка измерительного стенда (специальной платформы, – прим. автора) для измерения основных параметров фотокаталитических свойств исследуемых структур. О производстве говорить пока рано, потому что работа находится только в начале пути.

Предлагаемый проект будет проводиться коллективом, состоящим из специалистов по технологии наноматериалов Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ и специалистов по химическому катализу кафедры химии Лодзинского политехнического университета (Польша).

Лена Кордобовская