Разработка научно-технологических подходов к получению и исследование свойств кремниевых наноструктур, декорированных углеродными наночастицами, для современных нанофотоники и сенсорики

Проект №АР08856579

Руководитель проекта: Мусабек Г. К.

Наименование темы проекта: «Разработка научно-технологических подходов к получению и исследование свойств кремниевых наноструктур, декорированных углеродными наночастицами, для современных нанофотоники и сенсорики».

Цель проекта: Целью исследований является получение и изучение структурных, оптических, люминесцентных и сенсорных свойств гибридных наноматериалов на основе наночастиц кремния, декорированных углеродными наноструктурами, для выявления закономерностей влияния химического типа и структурно-морфологических параметров углеродных наночастиц, на физические свойства гибридов для их дальнейшего применения в оптоэлектронных и сенсорных устройствах.

Задачи проекта.  Для достижения целей проекта будут решены три основные задачи:

1) Разработать методику получения декорированных углеродом поверхностей кремниевых наноструктур с контролируемыми структурными свойствами наноразмерного углеродного модификатора;

2) Экспериментально изучить структурно-физические закономерности изменения оптических и люминесцентных свойств, полученных гибридных наноматериалов в зависимости от степени модификации и типа модифицирующих углеродных наночастиц;

3) Предложить общее теоретическое описание физических закономерностей зависимости свойств гибридных наноматериалов, в том числе оптических и люминесцентных от структурных особенностей и строения гибридов, в рамках поиска отклика на присутствие различных пробных молекул, в том числе и биоаналитов.

Научная новизна данного проекта заключается в создание новых сенсорных материалов, используя изменение люминесцентных и электрических свойств чувствительного слоя полупроводниковых кремниевых наноматериалов, является одной из перспективных прикладных задач современной оптоэлектроники, сенсорики и приборостроения.

Благодаря своим физико-химическим свойствам и дешевизне производства, нанокремний становиться основным материалом нано- и микроэлектроники, учитывая возможность, в рамках развития нанотехнологий, изменять размеры и морфологию кремниевых наноструктур, проявляющих ценные электрофизические свойства, существенно отличающиеся от свойств объемного кристаллического кремния. На сегодняшний день существует достаточное количество методов приготовления наноструктурированнного кремния для получения, как пористого кремния различной морфологии, так и его наночастиц.

Наноструктурированный кремний и его наночастицы представляют значительный интерес для применения в рамках современного наукоемкого приборостроения, в наноэлектронике, фотонике, сенсорике, поскольку их поверхностные свойства могут быть модифицированы специально под решаемые технические задачи. Одним из основных и эффективных способов модификации и управления оптическими и электрическими свойствами полупроводников является декорирование их поверхности наноструктурированным частицами другого полупроводника или металла, создавая гибриды. В то время как легирование объемного кремния хорошо изучено, вопрос о влиянии модифицирования интерфейса кремниевых наноструктур остается открытым, учитывая влияние квантово-размерного эффекта и возникновение ряда особенностей в строении энергетических уровней, которые сложно описать в рамках существующих представлений.

Объект исследования: кремниевые наноструктуры, декорированные углеродными наночастицами и их физико-химические свойства.

Область применения: фотоника сенсорика

Ожидаемые результаты:

• Будут разработаны методы приготовления гибридных наноматериалов на основе наночастиц и субнаночастиц кремния, декорированных углеродными наноструктурами;
• Будут установлены условия формирования наногибридов и показано влияние различных условий синтеза на свойства приготовленных наногибридов;
• Будут изучены закономерности состав-структура-свойство, на основании проведенных экспериментальных спектрально-структурных изысканий и показана возможность подстройки (регулирования) сенсорных характеристик таких материалов относительно разнотипных аналитов в рамках подходов современной наносенсорики;
• Будут предложены общие закономерности изучаемых физических процессов в кремниевых наноструктурах, протекающих в их поверхностном слое под действием наноструктурированного углерода, что, позволит перейти на качественно новый (высший) уровень дальнейших прикладных исследований, расширяя возможные области применения гибридных наноструктур, в частности в биосенсорике.

Полученные результаты будут опубликованы в научных журналах, входящих в квартили в базе данных Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus, в том количестве и в качестве, которые требуются в п. 7 конкурсной документации, а также не менее 1 (одной) статьи в рецензируемом зарубежном и (или) отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном КОКСОН МОН РК)

Полученные результаты:

1). были получены серии опытных образцов наногибридов с различным содержанием декорирующих наночастиц углерода, в том числе и в присутствии фторсодержащих прекурсоров.

2). Структурные свойства полученных структур исследованы с помощью СЭM, ПЭМ и ВРСЭМ.

3) Измерены и проанализированы спектры полного отражения в УФ-вид-ИК диапазоне и спектры КРС кремниевых наноструктур до и после модификации поверхности.

4) Показано, что кремниевые наноструктуры, декорированные углеродными наночастицами являются перспективными полупроводниковыми сенсорами аммиака, а также могут быть предложены в качестве фотолюминесцентных датчиков контроля рН и температуры.

Исследовательскиая группа:

1. Мусабек Гаухар Калижанкызы – Руководитель проекта, СНС, PhD, (https://orcid.org/0000-0002-1177-1244).
2. Лесняк Владислав Владиславович – Исполнитель, ВНС, д.х.н. (https://orcid.org/0000-0002-6820-1445)
3. Таурбаев Ержан Токтарович – Исполнитель, СНС, PhD (https://orcid.org/0000-0002-4187-9889).
4. Секербаев Кайрола Секербаевич – Исполнитель, НС, PhD (https://orcid.org/0000-0001-6376-9851).
5. Ермухамед Дана – Исполнитель, МНС, магистр (https://orcid.org/0000-0002-6075-5160).
6. Бақтыгерей Сауле Зулхарнайынқызы – Инженер, докторант PhD (https://orcid.org/0000-0002-1426-6374).
7. Зиятбекова Гульзат – НС, доктор PhD (https://orcid.org/0000-0002-9290-6074).
8. Садыков Гани Канатович – Лаборант, бакалавр (https://orcid.org/0000-0001-5542-7755).

 

Cписок публикаций:

 

1. Lisnyak V., Zaderko A., Mariychuk R., Lysenko V., Boldyreva O. Yu., Skryshevsky V.A., Mussabek G., Taurbayev Ye., Zhylkybayeva N., Tananiko O. Yu. Preparation and characterization of F-, O-, and N-containing carbon nanoparticles for pH sensing // Applied Nanoscience. -2021. – P.1-9. https://doi.org/10.1007/s13204-021-01725-7 (SCOPUS Q1, percentile 78 [2020], Web of Science Q2)
2. Lisnyak V.V., Mussabek G.K., Zhylkybayeva N. Zh., Baktygerey S.Z., Zaderko A.N. Preparation and characterization of the carbon-silicon hybrid nanostructures // Journal of Nano-and-Electronic Physics. -2021. -Vo. 13, -Pp. 05035. (SCOPUS Q3, percentile 25 [2020])

В отечественных изданиях:

1. 1. Mussabek G.K., Sadykov G.K., Baktygerey S.Z., Zaderko A.N., Lisnyak V.V. Photoluminescent nanomaterials for the thermometry //News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Physico-mathematical series. -2021. -Vol. 5. -No.339. –Pp. 54-60. https://doi.org/10.32014/2020.2518-1726.83
2. Жылқыбаева Н.Ж., Мұсабек Г.Қ., Бақтыгерей С.З., Садыков Г.К., Лысенко В., Лесняк В.В. Көміртекті кванттық нүктелерді алу, олардың қасиеттерін зерттеу және биомедицинада қолданудың заманауи жетістіктері: Әдеби шолу // ҚазҰУ Хабаршысы, физика сериясы. -2021. -№ 79(4). Принято в печать (декабрь 2021).

В сборниках международных конференций:

1. Lisnyak V.V., Mussabek G.K., Zhylkybayeva N.Zh., Baktygerey S.Z.,Lavs’ka V.O., Zaderko A.N. New AuNPs-Si@C probes for analysis applications. Abstract book of International Research and practice conference «Nanotechnology and nanomaterials. (Nano-2021)», 25-27 August 2021, Lviv, Ukraine. Section 4. The Physico-Chemical nanomaterials science. -P. 305.
2. Lisnyak V.V., Mussabek G.K., Zhylkybayeva N.Zh., Baktygerey S.Z., Orishko A.Yu., Zaderko A.N. Design of Carbon-Silicon hybrid nanostructures. Abstract book of International Research and practice conference «Nanotechnology and nanomaterials. (Nano-2021)», 25-27 August 2021, Lviv, Ukraine. Section 4. The Physico-Chemical nanomaterials science. -P. 306.