Лаборатория Функциональных низкоразмерных структур

В Лаборатории Функциональных низкоразмерных структур 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».

Схема взаимодействия лаборатории ФНС с другими научно-инженерными комплексами

Исследования, направленные на разработку способа применения графена для усиления поверхностных акустических волн являются перспективными, однако находятся еще на начальной стадии. Накопленных знаний недостаточно для создания рабочих элементов и приборов на ПАВ структурах, требуется провести фундаментальные и прикладные работы, а именно:

  • Разработать математическую функциональную модель структур графен/пьезоэлектрик для расчета электроакустических параметров структуры;
  • Разработать технологию формирования структур графен/пьезоэлектрик на разных подложках и провести сравнительный анализ;
  • Провести материаловедческие исследования структур графен/пьезоэлектрик;
  • Разработать методику формирования генератора поверхностных акустических волн на поверхности пьезокристалла, покрытого небольшим числом слоев графена;
  • Исследовать характеристики ПАВ генератора на основе структур графен/пьезоэлектрик;
  • Сформировать структуры графен/пьезоэлектрик на бидоменных подложках и исследование влияние изгибной деформации на характеристики переноса носителей заряда в графеновых пленках;
  • Исследовать эффективность ПАВ генераторов, сформированных на подложках с изменяемым радиусом кривизны;
  • Разработать и обосновать принципы усиления ПАВ в структурах для применения их в качестве рабочих элементов генераторов прецизионного акустического сканирования.

Итоги первого этапа

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.