Мемристоры, скаффолды и перовскиты

Энергоэффективность и скорость обработки данных становятся «узкими местами», замедляющими развитие информационных технологий. Зачастую только неожиданные технологические подходы позволяют получить новые энергоэффективные решения. В частности, в области искусственного интеллекта, который нуждается в памяти высокой плотности, востребованы устройства резистивной энергонезависимой памяти.

Одними из наиболее перспективных кандидатов для новых устройств становятся энергонезависимые элементы — мемристоры. Это чрезвычайно малое (два нанометра) электронное устройство на структуре «металл — изолятор — металл». По своим свойствам он похож на синапс — место контакта двух нейронов. В отличие от транзистора, мемристор способен не только передавать информацию в режиме «0» или «1», но и присваивать ей уровень значимости. Такие устройства способны «запоминать» количество протекшего через них заряда и в зависимости от этого менять свое сопротивление. Если подать высокое напряжение, мемристорная система станет открытой (будет проводить электрический ток), а при смене полярности напряжения закроется. Основой проводимости служат квантовые точки графена на пленках мемристора.

Мемристоры отличаются простой аналоговой конструкцией, низкой стоимостью, экономичностью, сверхвысокой плотностью и высокой скоростью работы. Их используют для создания энергонезависимых ячеек памяти, хранения информации и обработки данных в медицинских и производственных сенсорах, гибких датчиках в носимой электронике.

Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН совместно с Объединенным институтом ядерных исследований РАН (Дубна), Новосибирским техническим университетом и Университетом Николая Коперника (Польша) описали в журнале Materials новый подход к созданию мемристоров с помощью облучения тяжелыми ионами. Они предложили новый подход к созданию квантовых точек во фторированной матрице, необходимых для мемристивных переключений. Выяснилось, что облучение дефторирует пленку и образует квантовые точки размером 3–5 нм. Воздействие высокоэнергетических ионов приводит к частичному обесфториванию материала и образованию графеновых квантовых точек, которые формируют пути прохождения электрического тока.

Важно, что фторированный графен ученые наносили на тонкие гибкие полимерные пленки. И, таким образом, после облучения получали ячейки памяти на гибком носителе — это открывает возможности использовать разработку в носимой электронике.

Для облучения использовались ионы ксенона (Хе) с энергиями 26 и 167 МэВ. После облучения ионами ксенона исследователи модифицировали фторированный графен: удалили фтор и создали проводящие квантовые точки в матрице изолирующего материала. Мемристорные системы на основе облученного фторированного графена открываются и закрываются благодаря формированию и разрушению путей протекания электрического тока по графеновым квантовым точкам. Разница токов в открытом и закрытом состоянии — 2–4 порядка. Такого диапазона достаточно, чтобы сделать ячейки памяти. Мемристорная память энергонезависима и совмещает в себе достоинства оперативной и флеш-памяти. Переключение мемристора (из закрытого в открытое состояние), то есть перезапись информации, происходит за 30–40 наносекунд. Это примерно в 1000 раз быстрее, чем у современной флеш-памяти.

Полимерные каркасы, они же матрикс или скаффолды, широко применяются в реконструктивной хирургии. Они требуются в тех случаях, когда нужно не только скрепить перелом, но и заполнить пустоты внутри разрушенной кости как можно более похожим на кость материалом. Для этого скаффолды должны быть не только биологически совместимыми с организмом и обладать соответствующими биомеханическими свойствами, но также:

• иметь развитую микроструктуру;
• способствовать процессу регенерации ткани;
• самостоятельно биодеградировать — исчезать в тканях организма, замещающих временные полимерные включения или имплантаты.

Один из наиболее перспективных методов формирования таких полимерных каркасов — это электроформование, он же электроспиннинг и электропрядение. Созданные с его помощью материалы имеют пористую структуру, образованную случайно расположенными волокнами. Она имитирует внеклеточный матрикс — основу соединительной ткани, которая поддерживает клетки и внутриклеточный транспорт химических веществ. Такие структуры могут заполняться лекарственными препаратами, белками или клетками для ускорения процессов регенерации тканей после операции.

Ученые научно-образовательного центра биомедицинской инженерии Университета науки и технологий МИСИС вместе с исследователями из Томского политехнического университета модифицировали скаффолды из полилактида и поликапролактона (синтетические биоразлагаемые полимеры с уже доказанной высокой биосовместимостью), полученные с помощью метода электроформования, добавив в полимер частицы восстановленного оксида графена. Эти добавки увеличили предел прочности при растяжении и повысили степень кристалличности материала. Исследование опубликовано в журнале European Polymer Journal.

Для получения композиционных материалов на основе полимеров часто используются электро- и теплопроводящие наполнители, такие как углеродные нанотрубки (УНТ), оксид графена (GO) и восстановленный оксид графена (rGO). В данном случае графеновые нанопластины служат центрами кристаллизации, а за счет своей теплопроводности улучшают функцию эффекта памяти формы (способность материала вернуться к прежней форме, например, после нагревания), свойственной полилактиду. Такие материалы востребованы в тканевой инженерии (в особенности для создания имплантатов мягких тканей), а программируемый эффект памяти формы может служить для самоустановки, усадки или, напротив, разворачивания скаффолдов в организме.

У литиевых аккумуляторов есть два недостатка: во-первых, они дорого стоят, а во-вторых, постепенно теряют емкость, если хранятся целиком разряженными. Это несвойственно натриевым аккумулятором, которые долгое время уступали литиевым только в одном — ресурсе. Тем не менее за минувшие 30 лет они сравнялись с литиевыми и по этому показателю. В 2021 году в Китае начали выпуск электромобилей на натриевых аккумуляторах. Натрийионные аккумуляторы в три раза тяжелее литиевых, поэтому во многих странах их применяют в транспорте, но не в мобильных устройствах.

Кроме того, производство аккумуляторов на основе фторид-фосфатов ванадия-натрия имеет ряд ограничений, связанных с условиями синтеза этих материалов. Чаще всего их производят гидротермальным способом под давлением, получая также жидкие отходы, которые необходимо утилизировать. Основная проблема заключается в том, что степень окисления ванадия в конечном продукте практически невозможно контролировать, а от этого зависят все его электрохимические свойства: емкость, рабочее напряжение, удельная энергия.

Для разработки натрийионных аккумуляторов исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН решили заменить жидкостный электролит на твердотельный. Результаты их работы опубликованы в журнале Inorganic Chemistry.

Твердофазный метод решает перечисленные выше проблемы: он прост в реализации, не производит жидких отходов и позволяет контролировать степень окисления ванадия. Кратковременная механическая активация позволяет сократить продолжительность высокотемпературной стадии и сделать синтез менее затратным. Ученым удалось подобрать условия твердофазного синтеза NaVPO₄F. Для этого они использовали особый метод — нагревание и очень быстрое охлаждение активированной смеси реагентов. Таким образом, исследователям удалось зафиксировать соединение, пока оно не успело разложиться.

Твердофазная реакция между фторидом натрия (NaF) и фосфатом ванадия (VPO₄) используется для получения Na₃V₂(PO₄)₂F₃, перспективного катодного материала для натрийионных аккумуляторов. Солевую таблетку из керамического порошка и обычного хлорида натрия запекают при высоких температурах и покрывают тонким слоем золота с обеих сторон, защищая аккумулятор от воспламенения и взрывов. Фторид-фосфат ванадия-натрия обладает высокой ионной проводимостью и высоким рабочим напряжением, которое можно повысить еще больше, если ввести в созданные структуры ионы фтора.

Натрийионные аккумуляторы в электрокарах малого класса на сегодняшний день выдерживают около 250 километров на одной зарядке, то есть практически сравнимы с литийионными по емкости. При этом литиевые не только дороже, но химически активнее и пожароопаснее.

Авиационной промышленности нужны более прочные, легкие и стойкие к коррозии материалы. Такими свойствами обладают, например, высокопрочные сплавы алюминия с цинком, магнием и медью, литейные магниевые сплавы, титановые конструкционные жаропрочные сплавы, а также металлокерамические композиты. Из-за пластичности металлической матрицы и твердости керамических частиц увеличивается износостойкость композита. Наиболее эффективная технология, позволяющая создавать такие материалы, — это 3D-выращивание объектов, или импульсная лазерная наплавка.

Ученые Института теоретической и прикладной механики и Института химии твердого тела и механохимии вместе с научной группой из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН создали технологию прямого лазерного сплавления и печати металлокерамики из порошка. Им удалось получить намного более прочную и долговечную версию титанового сплава ВТ6, который широко применяется в авиации. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Physical Mesomechanics.

Поскольку изготовленные из ВТ6 детали стоят очень дорого, увеличение срока их службы может сэкономить государству и авиакомпаниям миллиардные расходы на замену изношенных частей. Исследователи существенно снизили коэффициент трения, повысив износостойкость материала в 2–4 раза. Изучение материала происходило при помощи синхротронного излучения в «жестком» рентгеновском диапазоне (жесткий рентгеновский диапазон, от 10 до 100 нм, применяется для исследования структуры молекул и атомов, а также для научных исследований в области физики и химии).

Оказалось, что импульсное лазерное воздействие образует в объекте, который подвергается облучению, нано- и микроволокна, которые и укрепляют деталь. Импульсность лазерного воздействия сформировала однородный слой, насыщенный более твердыми фрагментами: длинными иглами, волокнами или стержнями. Это и привело к повышению износостойкости нового покрытия.

Уже 10 лет перовскиты известны не только как редкий минерал титанат кальция, но и как новый гибридный материал для эффективного преобразования солнечной энергии в электричество. В 2013 году журнал Science включил гибридный перовскит на основе металлорганических галогенидов свинца в топ-10 прорывов года. Тогда его КПД составил 15 процентов. Сегодня КПД перовскитных солнечных элементов превысил 25 процентов, а значит, уже не уступает кремниевым. Крупномасштабная печать тонкопленочных фотоэлементов на основе галогенидного перовскита открывает огромные перспективы для промышленного производства с низкими капитальными затратами.

Этот материал в качестве светопоглощающего слоя в солнечном элементе (СЭ) обладает несколькими достоинствами: низкая себестоимость, легкий способ получения и высокий коэффициент поглощения света, превышающий классический кремний. Однако у него существует и важный недостаток — химическая нестабильность в присутствии нагрева и влаги. Между тем именно стабильность пленки гарантирует долгий срок эксплуатации. Ученые НИТУ МИСИС нашли способ сделать галогенидные перовскиты химически стабильными. Исследование опубликовано в журнале Solar RRL.

Ученые выяснили, что стабильность перовскитной пленки напрямую зависит от ее анионного состава. Они исследовали влияние технологии внедрения Cl-анионов на оптические и структурные свойства перовскита, стабильность и эксплуатационные характеристики перовскитных солнечных элементов и модулей. Данные измерений времени жизни носителей заряда показали улучшение качества кристаллов тонких пленок перовскита, легированных хлором. Устройства, легированные Cl, показали максимальное значение КПД, превышающее 20 процентов при среднем увеличении примерно на 11 процентов по сравнению с эталонными.

Исследование с помощью рентгеновской и ИК-спектроскопии дало новое представление о роли Cl-анионной инженерии в стабилизации работы фотоэлемента. Основное преимущество технологии Cl-анионов заключается в стабилизации работы при непрерывном воздействии света. Инкапсулированные перовскитные солнечные элементы, легированные Cl, сохраняли свыше 80 процентов первоначальных характеристик в течение более 3479 часов при непрерывной работе в условиях сильного освещения и повышенной температуры.

Экранирующие или радиопоглощающие материалы незаменимы в стелс-технологиях. Они преобразуют радиолокационную (электромагнитную) энергию в тепловую и повышают скрытность самолетов и других летательных средств, например БПЛА. В зависимости от задачи для защиты от обнаружения можно использовать отражение или поглощение. Оптимальный вариант — поглощение, поскольку при отражении сигнала даже под большим углом его можно зафиксировать и определить местоположение источника.

Научные сотрудники НИТУ МИСИС, Южно-Уральского университета вместе с международной группой ученых из Саудовской Аравии, Египта и Белоруссии разработали легкий и гибкий композитный материал, поглощающий электромагнитное излучение. В основу композита легла матрица из поливинилденфторида (ПВДФ) — современного полимера с высоким модулем упругости, который устойчив к воздействию органических растворителей. Исследование опубликовано в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Всего 5 процентов расслоенного нанографита (диамагнитный проводящий наполнитель) и 15 процентов гексаферрита бария (магнитный диэлектрический наполнитель, радиопоглощающий материал) в составе композита могут сделать объект в выполненном из него корпусе практически невидимым для радаров, снизив коэффициент отражения электромагнитных волн до минимальных значений. Кроме того, наполнители защищают прибор от радиоэлектронного шума, который может мешать ориентироваться в пространстве, если это беспилотное летательное средство.

Образцы материала прошли проверку методами сканирующей электронной спектроскопии и рентгеновской дифракции и продемонстрировали до 99,9 процента поглощения электромагнитного излучения. Композит, полученный измельчением в шаровой мельнице и длительным спеканием при сверхвысоких температурах, можно применять в СВЧ-диапазоне и антирадарных технологиях.