Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Проект направлен на изучение и объяснение физических свойств новых функциональных наноматериалов и систем с пониженной размерностью на основе неорганических и органических сегнетоэлектриков и ионных проводников с применением оригинальных нанометрологических методов исследования. Основное внимание будет уделяться поиску новых материалов с высокими эксплуатационными характеристиками для применения в неинвазивных датчиках, актюаторах и устройствах накопления энергии для электронных применений. Эта деятельность позволит заполнить разрыв между успешными фундаментальными исследованиями и практическими применениями инновационных идей. Деятельность лаборатории будет разделена на два основных направления: поиск и исследование новых функциональных материалов для электроники с потенциальными применениями в энергетической сфере, и разработка новых органических наноматериалов для создания биосовместимых электронных устройств. Основными объектами исследования будут следующие перспективные функциональные наноматериалы и материалы с пониженной размерностью: (1) сегнетоэлектрические монокристаллы, в качестве модельных объектов для исследования влияния структурных дефектов на функциональные свойства, такие как титанат бария, ниобат лития и титанат-манганат свинца и некоторые другие; (2) сегнетоэлектрические и релаксорные керамики и толстые плёнки для применения в области накопления энергии на основе твёрдых растворов BiFeO3, BaTiO3, LuFeO3 и некоторые другие; (3) тонкие плёнки сегнетоэлектриков для датчиков и актюаторов на основе BiFeO3, LiNbO3, BaTiO3 c замещениями в различных позициях решётки и формированием твёрдых растворов ; (4) органические тонкие плёнки и композитные наноматериалы на основе пептидов и аминокислот для применений в гибкой электронике и сенсорах для биомедицины; (5) Квази-двумерные сегнетоэлектрические материалы на основе CuInP2S6, гексагональном нитриде бора, WTe2 и некоторых других.
Анализ современной литературы показывает, что наблюдается стремительный рост количества публикаций, посвящённых синтезу наноразмерных сегнетоэлектрических материалов, в то время как исследований их функциональных свойств, сравнительно мало. Это связано, прежде всего, с недостатком нанометрологических методов исследования. Если структурные свойства материалов можно исследовать с высоким пространственным разрешением при помощи просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеноструктурной микроскопии, конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния света и ИК-микроскопии, то исследование функциональных свойств чаще всего может быть выполнено только с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии. Развитие новых нанометрологических методов исследования является актуальной задачей прикладных исследований, направленных на разработку микро- и наноэлектронных устройств.
Крайне важной задачей как для фундаментальной науки, так и для прикладных разработок, также является так называемая инженерия дефектов – возможность изменения в материалах макроскопических свойств за счёт контролируемого внедрения дефектов различной природы: заряженных дефектов, дислокаций, наноразмерных трещин и т.д. Инженерия дефектов становится особенно актуальной в наноразмерных материалах, где с уменьшением их размера вклад дефектов в итоговые свойства материала значительно вырастает. Другой существенной частью деятельности создаваемой лаборатории будет также исследование биоорганических наноматериалов с функциональными свойствами, близкими к их неорганическим аналогам, которые являются необходимыми для создания биосовместимых устройств для медицинских применений. В частности, органические сегнетоэлектрики интересны для применений в виде биодатчиков для обнаружения нейротоксинов, оценки содержания глюкозы, биомеханических устройств для генерации и накопления энергии в носимых устройствах мониторинга состояния человеческого организма. Также, по аналогии с неорганическими сегнетоэлектрическими материалами, можно ожидать применений в медицинских технологиях регенерации тканей, нервных волокон и костей. Недавно было обнаружено, что при переходе материала к квази-двухмерной форме (отдельные атомные слои) многие центросимметричные материалы становятся сегнетоэлектриками, что является нетривиальным для фундаментальной физики, т.к. противоречит утверждению об отсутствии дальнего порядка в двумерной системе. Возникающие в таких системах новые явления, такие, например, как сосуществование металлических и сегнетоэлектрических свойств или высокие деформационные характеристики могут быть востребованы во многих типах электронных устройств. Таким образом, проведение исследований в рамках указанных направлениях позволит получить новые фундаментальные знания, которые могут быть использованы для разработки перспективных технологий и устройств на основе функциональных наноматериалов для энергетических и биомедицинских применений.
Достижение поставленной цели проекта и выполнение задач исследований 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 научных тематик будет осуществляться за счёт привлечённого внебюджетного и 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 «Разработка улучшенных функциональных наноматериалов, методов диагностики и изготовления наноустройств для электроники», прошедшей конкурсный отбор. Выполнение задач проекта будет способствовать развитию прикладных исследований и научных разработок, а результаты выполнения научно-исследовательского проекта будут внедрены в учебные программы, реализуемые в Институте естественных наук и математики.