Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Достижение поставленной цели проекта будет осуществляться путём реализации научных тематик, соответствующих направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»). Финансирование этих научных тематик будет осуществляться за счёт внебюджетного и/или конкурсного бюджетного финансирования, в том числе средств гранта в форме субсидии из федерального бюджета, предоставленного на оказание поддержки Программы развития УрФУ на 2021-2030 гг. в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Постановление Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 года № 729), которые будут направлены на реализацию научной тематики "Исследования и разработки в области наноинженерии новых функциональных материалов и устройств опто- и наноэлектроники", прошедшей конкурсный отбор.
Описание реализуемой за счёт средств ПСАЛ «Приоритет 2030» научной тематики "Исследования и разработки в области наноинженерии новых функциональных материалов и устройств опто- и наноэлектроники":
Проект направлен на решение научной проблемы, связанной с созданием новых материалов для нанофотоники, опто- и наноэлектроники, включая: эффективные люминофоры без легирования редкоземельными ионами для применений в современных светоизлучающих приборах; сверхпроводники на основе пниктиднов и водорода с температурой перехода близкой к комнатной для масштабирования кубитной мощности разрабатываемых квантовых компьютеров; нанотрубки оксидов металлов, которые прочно закрепились в нанотехнологической сфере как структуры, обладающие широчайшим спектром приложений и сочетающие уникальные свойства и специфическую морфологию; и другие многофункицональные твердотельные среды. Разрабатываемые наноструктуры на основе диоксидов гафния, циркония, титана и др. находят применение в синтезе, фотокатализе, солнечной и водородной энергетике, опто- и наноэлектронике, медицине и др.
Выделим основные моменты, обеспечивающие актуальность решаемой проблемы, в соответствии с направлениями и объектами запланированных исследований и разработок. В настоящее время нанотубулярные структуры диоксидов металлов (Ti, Zr, Hf) прочно закрепились в нанотехнологической сфере как материалы, обладающие широчайшим спектром приложений, сочетающие в себе особенности природы индивидуального оксида, специфические свойства, присущие наноразмерному состоянию, а также уникальные характеристики, определяемые их морфологией. Подобные наноструктуры находят применение в синтезе композитов, фотокатализе, солнечной и водородной энергетике, опто- и наноэлектронике, медицине и др. В области масштабирования твердотельных наноматриц для квантовых компьютеров отметим, что повышение их рабочей температуры с текущих 30-40 мК до 10-20 К, является необходимым условием увеличения числа кубитов. Замена металлических сверхпроводников на гидридные или пниктиды позволит существенно увеличить время квантовой когерентности и другие важные параметры. Для внедрения крупномасштабных замещающих технологий необходимо детальное понимание закономерностей получения наноструктур для направленного формирования у них заданных характеристик.
Объектами исследования в научном проекте выступают различные наноструктурированные материалы, в том числе, на основе диоксидов гафния и циркония, которые вызывают огромный интерес благодаря наличию широкого спектра уникальных структурных и физико-химических свойств. Указанные диоксиды относятся к группе high-k диэлектриков – материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости, что позволяет использовать, например, диоксид гафния, в устройствах наноэлектроники как альтернативу диоксиду кремния при создании слоя подзатворного диэлектрика MOSFET транзистора. Благодаря широкой запрещённой зоне, прозрачности в видимом диапазоне диоксиды гафния и циркония считаются перспективными материалами для создания устройств опто- и наноэлектроники нового поколения. Нанотрубки диоксидов циркония и гафния из-за высокой удельной поверхности могут быть использованы и при создании химических наносенсоров, а высокая химическая и термическая стабильность открывают возможности их применения в качестве добавок в конструкционные материалы по аналогии с углеродными нанотрубками. Аналогично диоксиду титана нанотрубки диоксида гафния также имеют хорошие перспективы в фотовольтаике. Существенное влияние на их свойства оказывают кислородные вакансии в различных зарядовых состояниях, благодаря которым, например, диоксид гафния проявляет сегнетоэлектрические свойства и может использоваться при создании белых светодиодов. При этом белые светоизлучающие диоды на сегодняшний день достигли максимальной из всех известных устройств эффективности преобразования электрической энергии в световую. Эти устройства в ближайшем будущем должны стать широкодоступными и дешевыми источниками света для бытового освещения. Большой интерес к WLED обусловлен их уникальными свойствами, включая низкое энергопотребление, экологичность, малые размеры и длительный срок службы, что делает эти устройства очень перспективными кандидатами на замену используемых в настоящее время ламп накаливания и люминесцентных ламп. Современные промышленные белые светодиоды состоят из синего светодиодного чипа InGaN с длиной волны излучения 460 нм и люминофора на основе алюмоиттриевого граната YAG:Ce, который эффективно преобразует синий свет в широкополосное желтое свечение. Смешение синего и желтого цветов дает белое свечение светодиода. Однако указанное сочетание материалов обладает некоторыми недостатками, например, такими как плохой индекс цветопередачи и низкая стабильность цветовой температуры. При интенсивной эксплуатации таких устройств деградация люминофора может привести к значительным изменениям цвета и интенсивности излучения. Помимо технических сложностей имеются и такие экономические проблемы как доступность редкоземельных материалов, что существенно влияет на цену конечных изделий и ограничение экспорта продукции, налагаемое странами-производителями редкоземельных элементов. Таким образом, разработка альтернативных светоизлучающих сред, которые не содержат редкоземельные элементы, является актуальной задачей. Соответствующие люминесцентные соединения на основе алонов и их смесей можно рассматривать как альтернативное решение благодаря недорогим исходным материалам и возможности настройки цвета путем вариации концентрации компонентов. Таким образом, заявляемый исследовательский проект предполагает разработку методов и технологий получения и обработки функциональных наноматериалов, что входит в перечень критических технологий Российской Федерации и также определяет актуальность научного проекта.
В проекте планируется решить ряд важных прикладных и фундаментальных задач в области наноинженерии материалов и устройств опто- и наноэлектроники:
- одна из фундаментальных задач ориентирована на развитие основ направленного синтеза нанотубулярных массивов диоксидов циркония и гафния с анионной нестихиометрией, а также связана с изучением особенностей формирования их электронной структуры для более глубокого понимания механизмов формирования резистивных состояний, связанной собственной люминесценции и детального анализа роли оптически-активных кислород-дефицитных центров в процессах эмиссионного и электрофизического отклика;
- в области новейших сверхпроводящих сред для твердотельной реализации кубитов планируется изучить формирующиеся структуры абрикосовских вихрей в пниктиде (Li,Fe)OHFeSe, который в настоящее время рассматривается в качестве одного из первоочередных материалов для развития производственных технологий в интересах квантового компьютинга, а также определить микроструктурные параметры для ряда перспективных высокотемпературных сверхпроводников на основе гидридов;
- в рамках разработки новых потенциальных люминофоров, не содержащих редкоземельных элементов, для белых светоизлучающих устройств предполагается провести синтез и исследование свойств оксинитридов со структурой шпинели, AlONов, легированных различными d-элементами, с привлечением полученных экспериментальных и теоретических результатов описать природу собственных и примесных центров свечения и поглощения, а также механизмов диссипации энергии. На основе анализа полученных данных предложить перспективные композиции веществ-матриц с соответствующими активаторами свечения.
С точки зрения практической значимости полученные результаты проекта предоставят физико-химическую основу для направленной разработки новых функциональных сред для нано- и оптоэлектроники, гибкой и гибридной электроники, а также других высокотехнологических приложений и наукоемких технологий.
Исследовательская деятельность НЦК связана с разработкой новых наноструктурированных сред, оптимизацией их функциональных свойств, изучением фундаментальной природы протекающих в них процессов, анализом механизмов транспорта возбуждений и носителей заряда в размерно-ограниченных структурах применительно к созданию высокоэффективных оптически активных и проводящих матриц для формирования современной элементной базы нанофотоники и опто-наноэлектроники. Поэтому на период реализации проекта c 01.07.2022 по 31.12.2024 запланированы следующие работы:
В 2022:
- развитие фундаментальных основ синтеза нанотрубок нестехиометрических диоксидов гафния и циркония с аморфной и кристаллической структурой различного фазового состава, с варьируемым показателем анионного дефицита и с разным содержанием собственных и примесных дефектов;
- изучение фундаментальных характеристики нанотубулярных массивов диоксидов гафния и циркония, проанализировано влияние режимов синтеза и условий последующей термохимической и радиационной обработки на их оптические, люминесцентные и электрофизические свойства;
- проведение измерения характеристик биометрических ИК-сканеров вен ладоней для многофакторной личностной идентификации, включая настройку их оптических параметров, тестирование ПЗС матрицы, анализ оптимальных фокусных расстояний оптических элементов, контроль геометрических параметров расположения светодиодных источников и др.
В 2023:
- развитие фундаментальных основ синтеза нанотрубок нестехиометрических диоксидов гафния и циркония с аморфной и кристаллической структурой различного фазового состава, с варьируемым показателем анионного дефицита и с разным содержанием собственных и примесных дефектов;
- изучение фундаментальных характеристики нанотубулярных массивов диоксидов гафния и циркония, проанализировано влияние режимов синтеза и условий последующей термохимической и радиационной обработки на их оптические, люминесцентные и электрофизические свойства;
- изучение эффектов нестехиометрии в анионной подрешетке при формировании люминесцентных свойств диоксидных нанотрубок в аморфной и кристаллических фазах для управления оптически индуцированным каналом контроля мемристивных состояний;
- получение фундаментальных данных о термостимулированных механизмах формирования люминесцентного отклика в облученных нанотрубках диоксида гафния и циркония;
- исследование оптических и люминесцентных свойств оксинитрида алюминия со структурой шпинели, легированного переходными d-элементами в качестве центров люминесценции;
- демонстрация применимости полученных оксинитридов алюминия, допированных d-элементами для создания структур, пригодных для использования в оптоэлектронике, оптике и нанофотонике;
- проведение измерения характеристик биометрических ИК-сканеров вен ладоней для многофакторной личностной идентификации, включая настройку их оптических параметров, тестирование ПЗС матрицы, анализ оптимальных фокусных расстояний оптических элементов, контроль геометрических параметров расположения светодиодных источников и др.
В 2024:
- изучение эффектов нестехиометрии в анионной подрешетке при формировании люминесцентных свойств диоксидных нанотрубок в аморфной и кристаллических фазах для управления оптически индуцированным каналом контроля мемристивных состояний.
- создание прототипов многофункциональных сред для совершенствования компонентной базы современной наноэлектроники;
- проведение анализа оптических и люминесцентных характеристики, а также предложение модели центров поглощения и люминесценции в чистых и легированных d-элементами AlON, описание механизмов влияния собственных дефектов на указанные свойства образцов.
Полученные результаты исследований, полученные в период реализации проекта (2022-2024 гг), будут представлены на профильных международных и всероссийских конференциях, направлены для регистрации в виде объектов интеллектуальной собственности и опубликованы в авторитетных исследовательских.
Коллектив Научного центра компетенций руководствуется в своей работе Положением о научных центрах компетенций СМК-ПВД-7-01-287-2022, введённым в действие приказом №439/03 от 04.05.2022.