ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы

 Тема проекта

Разработка и создание кремний-углеродных функциональных тонкопленочных материалов, легированных частицами металлов, с изменяющейся электропроводностью в результате внешних воздействий применяемых для создания сенсоров газов и электродов суперконденсаторов

Цель (цели)

Получение термостабильных и химических стойких тонкопленочных кремний-углеродных покрытий, легированных частицами металлов, на подложках из материалов различного типа с заданной электропроводностью для создания электродов суперконденсаторов и высокочувствительных сенсоров газов

Задачами проекта являются:

  1. Разработка составов покрытий на основе на подложках из материалов различного типа для управления электропроводностью за счет внешних воздействий на основе аналитического обзора современной научно-технической, нормативной и методической литературы.
  1. Разработка лабораторной технологии получения стойких к агрессивным средам легированных покрытий на основе диэлектрической матрицы из кремний-углеродных соединений, характер зависимости электропроводности которых от температуры может быть задан.
  1. Изготовление экспериментальных образцов электропроводных стойких к агрессивным средам легированных покрытий на основе диэлектрической матрицы из кремний-углеродных соединений для сенсоров газов и электродов суперконденсаторов
  1. Проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов электропроводных стойких к агрессивным средам легированных покрытий на основе диэлектрической матрицы из кремний-углеродных соединений на подложках различного типа

5.Разработка лабораторной технологии создания чувствительных элементов для сенсоров газов и электродов суперконденсаторов на основе экспериментальных образцов электропроводных стойких к агрессивным средам легированных покрытий на основе диэлектрической матрицы из кремний-углеродных соединений

  1. Изготовление лабораторных образцов чувствительных элементов для сенсоров газов и электродов суперконденсаторов.
  1. Проведение исследовательских испытаний лабораторных образцов чувствительных элементов для сенсоров газов и электродов суперконденсаторов.

Результаты выполнения работы по Этапу 1: ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате выполнения работу по этапу 1 было установлено, что кремний-углеродные покрытия обладают высоким потенциалом в качестве электронного полупроводникового материала для нового семейства высокотемпературных датчиков, поскольку могут работать как полупроводники в условиях, при которых другие материалы, например, собственно кремний, не способны эффективно функционировать (примером тут служат температуры выше 400°C). Потому в течение многих лет разрабатывались и разрабатываются газовые датчики на основе кремний-углеродистых покрытий. Исследования их свойств показывают, что эти датчики очень чувствительны к ряду газов, включая водород и углеводороды, что делает их полезными для широкого спектра применений.

Однако данному направлению применения кремний – углеродных пленок посвящено достаточно мало исследовательских работ, а также не рассмотрено влияние легирования различными металлами на функциональные характеристики кремний – углеродных пленок.

Анализ российских и зарубежных патентов показал крайне низкий уровень патентирования материалов на основе карбида кремния и сенсоров и электродов суперконденсаторов на их основе, что указывает на мало изученность данного направления исследований. Причем, данная область науки и техники постоянно совершенствуется как у отечественных, так и у зарубежных ученых и изготовителей новой техники. Так как иностранные фирмы — конкуренты выходят на российский рынок со своими новыми запатентованными разработками, тематика востребована и ее необходимо продолжать исследовать дальше с целью получения новых технических результатов.

 При проведении выбора и обоснования поставленных проекте задач были выбраны наиболее эффективные, простые и экономически выгодные методы получения кремний-углеродных покрытий: 1) метод электрохимического осаждения позволяет значительно увеличить скорость роста кремний-углеродных пленок по сравнению с методами осаждения из газовой фазы; 2) золь-гель метод. Несомненным преимуществом указанных методов является также возможность введения различных добавок на стадии приготовления растворов для последующего формирования, легированных покрытий. Данное преимущество очень важно с точки зрения создания материалов с заданными характеристиками.

На основе сравнительной оценки литературных данных можно сделать вывод, что в качестве источников кремния целесообразно использовать ТЭОС и гексаметилдисилоксан. ТЭОС может быть использован как создания кремний- углеродных покрытий как золь-гель методом, так и методом электрохимического осаждения. Кроме того, для формирования сетчатой структуры возможно совместное применение ТЭОСа и гексаметилдисилоксана.

Определены основные методы, позволяющие проводить контроль качества осажденный покрытий.

Разработана схема лабораторной установки для электрохимического осаждения кремний-углеродных покрытий, включающая высоковольтный источник постоянного тока, электрохимическую ячейку, оснащенную электродами, термопарой и датчиком температуры.

На основе анализа литературных источников определены виды легирующих добавок, которые будут внедряться в кремний-углеродную матрицу. Показано, что оксиды переходных металлов обладают всем необходимым перечнем свойств, необходимых для их применения при создании сенсоров газов и электродов суперконденсаторов. Было показано, что наиболее перспективными являются марганец, цирконий, никель, медь.

 При проведении моделирования  образования кремний-углеродных структур были рассчитаны энергии молекул прекурсоров, необходимые для создания первичного массива частиц. Описаны алгоритмы образования кластеров, основанные на принципах необратимой агрегации частиц.  На втором этапе моделирования реализована возможность реорганизации первичной структуры и анализа образованных структур на наличие перколяционных кластеров.

Методы и алгоритмы, используемые при моделировании процессов формирования легированных тонкопленочных покрытий на основе диэлектрической матрицы из кремний-углеродных соединений, обладающих высокой стойкостью к химически агрессивным средам применены для разработки программы для ЭВМ ««Моделирование процессов формирования легированных тонкопленочных покрытий основе диэлектрической матрицы из кремний-углеродных соединений, обладающих высокой стойкостью к химически агрессивным средам». Разработанная программа проводить моделирование процессов формирования легированных тонкопленочных покрытий на основе диэлектрической матрицы из кремний-углеродных соединений в различных условиях. Программа позволяет наблюдать распределение легирующей добавки и образование перколяционного кластера. Определено, что концентрация легирующего компонента 0,2 мольных % достаточна для образования перколяционного кластера.

В результате оформлена заявка на получения свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

В ходе проведения предварительных экспериментальных исследований было показано, что гексамилдисалаксан и тетраэтоксисалан являются перспективными прекурсорами для последующего формирования кремний-углеродных соединений. Методом ИК-спектрометрии показано, что для формированиия покрытий с большим числом кремний-углеродных связей необходимо производить осаждение при напряжениях выше 400В.

При исследовании возможности внедрения соединений циркония и кремния в кремний углеродную матрицу было показано, что полученные образцы покрытий могут быть использованы как при создании чувствительных элементов для сенсоров газов так и электродов суперконденсаторов.

Квантовохимические исследования возможности встраивания атомов металлов в кремний-углеродную матрицу, а также анализ фазовых диаграмм трехкомпонентных систем: углерод-кремний-марганец, углерод-кремний-никель, углерод-кремний-цирконий и углерод-кремний-медь показал возможность образования соединений углерода, кремния и легирующего металла, позволят в последующем определить режимы технологического процесса при формировании легированных кремний-углеродных покрытий



<div><img src=»https://mc.yandex.ru/watch/46341258″ style=»position:absolute; left:-9999px;» alt=»» /></div>

<p>