17-ая моложедная школа(2014)

наиболее востребованными изделиями гибкой электроники и фотоники являются гибридные миниатюрные устройства, интегрирующие сенсорные и исполнительные микросистемы с инфокоммуникационными кристаллами-чипами для сбора, обработки и передачи информации (например: ориентационнонавигационные или биомедицинские модули);

наиболее перспективным направлением дальнейшего использования конструкторско-технологических решений в области гибкой электроники и фотоники следует признать микроробототехнику, интеллектуальную одежду и «лаборатории на чипе»;

представляет интерес развитие специальных текстильных технологий с использованием микро- и нановолокон с различными физико-химическими, теплофизическими, электрическими, оптическими и биологическими свойствами.

Заключение

Врамках проведения II всероссийской научно-технической конференции и молодежной научной школы с международным участием, которые состоятся 1314 ноября 2014 года на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», предполагается наряду с научнотехническими вопросами обсудить проблемы формирования в России комплекса системно упорядоченных НИОКР в области гибкой электроники и фотоники, вопросы создания научно-производственной инфраструктуры с учетом современного состояния отечественных работ в области технологического оборудования для вышеуказанных целей, а также целенаправленную подготовку профессионально ориентированных кадров для обеспечения промышленного производства.

Вработе конференции предполагается участие ряда наиболее конкурентоспособных передовых зарубежных научно-производственных организаций, включая VTT (Финляндия), PiXDRO (Нидерланды), российского представитель-

ства фирмы Plastic Logic.

10

II ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «ГИБКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

Организационный комитет:

проф. Ю.М. Таиров, д.т.н., заслуженный деятель науки и техники РФ, кафедра МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб – председатель; проф. В.В. Лучинин, д.т.н., зав. каф. МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ», директор НОЦ «ЦМИД», СПб;

проф. А.Г. Забродский, д.ф.-м.н., член-корр. РАН, директор ФТИ им. А.Ф. Иоффе, СПб; проф. В.М. Кутузов, д.т.н., ректор СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб; проф. М.Н. Стриханов, д.ф.-м.н., ректор НИЯУ «МИФИ», Москва;

проф. В.А. Лабунов, д.т.н., заслуженный изобретатель БССР, академик НАН Беларуси, главный научный сотрудник БГУИР, Беларусь; проф. А.Б. Жебрун, д.м.н., член-корр. РАМН, директор НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера, СПб;

проф. В.С. Верба, д.т.н., заслуженный деятель науки РФ, ген. директор ОАО «Концерн радиостроения «Вега», Москва; проф. А.С. Сигов, д.ф.-м.н., академик РАН, президент МГТУ МИРЭА, Москва;

А.В. Брыкин, д.э.н., зам. ген. директора ОАО «Росэлектроника», Москва;

Prof. Jürgen Lademann, Dr. rer. nat., Dr.-Ing., Charité – Universitätsmedizin Berlin,

Германия;

Dr. Georg Kelm, Fraunhofer Mikroelektronik, Германия.

II Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Гибкая электроника» приурочена к III Всероссийскому научно-практическому форуму «Стратегическое партнерство вузов и предприятий высокотехнологичных отраслей». Тематические направления конференции включают следующие основные разделы: – материалы для струйных и матрично-трафаретных печатных микротехнологий; – гибкие многослоевые гетерогенные и 3D-субстраты; – мультидисциплинарные и гетерогенные интегрированные микро- и наносистемы; – оборудование, программные средства и технологические маршруты для производства изделий гибкой электроники; – струйные и зондовые печатные микро- и нанотехнологии; – матрично-трафаретные и импринт микро- и нанотехнологии; – 2D- и 3D-микросборка; – технологии 3D микро- и наноформообразования; – микроустройства сенсорики, моторики, энергетики.

12

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ НА ГИБКИХ ПОДЛОЖКАХ

Г.М. Аблаев1, В.П. Афанасьев2, П.В. Афанасьев2, А.В. Кукин2,3, А.В. Семенов2,3, Е.И. Теруков1,3

1Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН 2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» 3ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе»

Аннотация – Рассмотрены состояние и перспективы разработок тонкопленочных солнечных модулей (ТСМ) на гибких подложках. Приведен обзор полупроводниковых материалов и структур, используемых при формировании ТСМ, включая органические полупроводники. Особое внимание уделено возможности использования полимерных материалов в качестве подложек ТСМ. Приведены результаты исследования ТСМ на гибких подложках, полученные в России.

Рассмотрены состояние и перспективы разработок тонкопленочных солнечных модулей (ТСМ) на гибких подложках. Проведен сравнительный анализ эффективности преобразования солнечных элементов на основе CIGSS (Cu(InGa)(SeS)2), CdTe, a-Si:H и органических полупроводников. Показана перспективность использования пленок аморфного гидрогенизированного протокристаллического кремния (pc-Si:H) для формирования ТСМ.

Формулируются критерии выбора материалов для гибких подложек. На основании проведенных исследований ряда полимерных материалов, полученных от отечественных и зарубежных производителей (оптических характеристик, морфологии поверхности и др.), для дальнейшего изучения было предложено использовать в качестве гибких подложек следующие образцы: Ф-400, Tefzel LZ, Tefzel CLZ, Teonex, ПМ-БУ, Kapton DuPont. Наряду с низкой стоимостью гибких полимерных подложек, возможность применения при производстве солнечных модулей технологии на основе метода «от ролика к ролику» (roll to roll method) позволит еще больше снизить стоимость производства ТСМ.

Малый вес солнечных модулей на гибких подложках делают их привлекательными для энергообеспечения различных объектов, имеющих сложную, не гладкую поверхность, в том числе, для закрепления на одежде, а также объектов, работающих в космическом пространстве.

В ФТИ им. А.Ф. Иоффе были изготовлены экспериментальные образцы солнечных модулей на гибкой полимерной подложке 10х10 см2, которые затем были объединены в батарею, состоящую из 24 модулей. Каждый из модулей содержал 72 солнечных элемента, объединенные в матрицу 9х8. Структура эле-

13

ментов состояла из нижнего алюминиевого контактного слоя толщиной 150 нм, n-i-p структуры из a-Si:H (50 нм n-слой, 300 нм i-слой и 20 нм p-слой), и верхнего контактного слоя ZnO:Al толщиной около 90 нм. Все слои фотопреобразующего каскада осаждались методом PECVD с ВЧ-разрядом с применением масочной технологии.

Были измерены ВАХ для всех модулей при стандартном освещении АМ1.5G от имитатора солнечного излучения и в натурных условиях при освещенности 960 Вт/м2. Таким образом, в ФТИ им. А.Ф. Иоффе были изготовлены тонкопленочные солнечные батареи на гибкой полимерной подложке, эффективность которых составляла около 1,5 %.

Анализ литературы, посвященный ТСМ на гибких подложках, показывает, что использование гибких подложек упрощает и удешевляет процесс формирования модуля за счет использования технологии рулонного покрытия. Для формирования солнечных элементов на основе пленок гидрогенизированного кремния на гибких полимерных подложках необходима разработка технологии получения модулей при относительно низких температурах (<150 0С). В этом случае предпочтительным материалом при формировании активного слоя является протокристаллических кремний pc-Si:H, технологические условия получения которого существенно зависят от соотношения водорода и силана в газовой смеси и конструкции реактора. В настоящее время получены кремниевые солнечные элементы на нетекстурированной фольге из полиэтилентерефталата (РЕТ) при Td=110 0C с эффективностью преобразования 5% [1]. При этом гибкие солнечные модули площадью 40 см2, состоящие из 10 солнечных элементов, демонстрируют эффективность преобразования 3%. Проведенные исследования показывают, что существуют возможности повышения эффективности преобразования подобных модулей, связанные с соответствующим изменением как технологии формирования ТСМ, так и структуры самих модулей.

14

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАНОСТРУКТУРЫ НА ОКСИДАХ АЛЮМИНИЯ КАК ПЛАТФОРМА ДЛЯ ИМПЕДАНСНОЙ БИОСЕНСОРИКИ

И.И. Абрамов1, Г.В. Крылова2, Т.И. Ореховская1, И.В. Липневич2, И.Ю. Щербакова1

1Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

2Белорусский государственный университет

Abstract – Self-organized LB-clusters of few-walled carbon nanotubes based on nanoporous anodic aluminium oxide whose surface was modified by ultrathin dithiophene-pyrrole series oligomer film are high-performance platform for ligandreceptor interactions molecular sensors of DNA and immunoglobulins with biochemical markers.

Перспективным является многопараметрический импедансный анализ состояний лигандов биохимических маркеров ранних стадий заболеваний, основанный на регистрации различий между специфическим и неспецифическим их связыванием по изменению электрохимических свойств слоистых нанобиогетероструктур в биологических жидкостях. Однако до настоящего времени не разработаны доступные методы медицинской диагностики, позволяющие быстро и с высокой точностью определять активность ДНК-гидролизующих ферментов, распознать антигены к антителам, установить комплементарность олигонуклеотидов к известной последовательности ДНК, содержащиеся в ультранизких концентрациях в биологических жидкостях.

В данной работе получены саморганизованные ЛБ-кластеры малостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) эпитаксией на нанопористом анодном оксиде алюминия (ПАОА), поверхность которого модифицирована проводящей ультратонкой пленкой олигомера дитиофен-пирролового ряда (ДТП). Лауэ-грамма МУНТ-кластера и электронно-микроскопические изображения ПАОА- и МУНТслоёв этих диэлектрических наногетероструктур (МУНТ/ДТП/ПАОА) представлены на рис. 1 [1, 2].

Наногетероструктура использовалась в качестве диэлектрического покрытия встречно-штыревой системы электродов типа «открытая» емкость (рис. 2). Для возбуждения гармонических автоколебаний тока этот датчик в качестве емкости С включался в RC-автогенератор. Работа автогенератора основана на принципе самовозбуждения усилителя с положительной обратной связью на частоте квазирезонанса. Спектроскопия электрохимических свойств наногетероструктуры в дистиллированной воде и водных растворах солей показала, что они эффективно экранируют двойной электрически заряженный приэлектродный слой.

15

Рис. 1. Лауэ-грамма МУНТ-кластера (а), электронно-микроскопические изображения МУНТ - слоя (б) и пленки оксида алюминия,полученной в 10 % растворе H2SO4 при напряжении 10 В (в).

Рис. 2. Датчик (а) с системой встречно-штыревых электродов типа «открытая» емкость (б).

Показано, что наногетероструктура может экранировать электрическое поле датчика и после нанесения биочувствительного слоя. Степень экранирования биосенсора меняется скачком при специфическом лиганд-рецепторном взаимодействии биохимического маркера в ультранизких (нано-, пико- и фемтомольных) концентрациях в реакции молекулярного распознавания иммунноглобулином вирусов и при комплементарном связывании одноцепочечных последовательностей ДНК.

Таким образом, наногетероструктуры исследованного типа являются высокоэффективной платформой молекулярной сенсорики лиганд-рецепторных взаимодействий ДНК и иммуноглобулинов с биохимическими маркерами в ультранизких концентрациях.

1.Egorov A.S., Krylova H.V., Lipnevich I.V., Shulitsky B.G., Baran L.V., Gusakova S.V., Govorov M.I. J. Nonlin. Phen. in Complex Sys. 2012. Vol. 15, no. 2. Р.121–137.

2.Абрамов И.И., Грушевский В.В., Крылов Г.Г., Крылова Г.В., Липневич И.В., Ореховская Т.И. Петербургский журнал электроники. 2012. № 4(73). C.59–67.

16

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ И ИХ КОМПОНЕНТОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

И.И. Абрамов, Н.В. Коломейцева, В.А. Лабунов, Е.Л. Прудникова

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Abstract – The results of carbon nanotube-based radio receivers and its components simulation are described.

Перспективным направлением использования углеродных нанотрубок (УНТ) является создание на их основе радиоприемных устройств (нанорадио), первые экспериментальные реализации которых описаны в [1,2]. Обзор достижений, установление и анализ проблем разработки нанорадио на основе УНТ, а также выделение основных путей их решения проведены в [3]. В частности, было показано что для радиоприемников двух типов (на единственной УНТ и гибридное радио, когда отдельные компоненты реализуются на УНТ) можно выделить следующие основные проблемы: 1) большие прикладываемые напряжения; 2) сложность настройки на разные частоты; 3) технологические, связанные с использованием УНТ; 4) физики и моделирования. Было также показано, что основными по разрешению комплекса проблем 1–3 будут являться следующие подходы: 1) усовершенствование структурной схемы нанорадио; 2) создание различных вариантов гибридного радио; 3) технологические усовершенствования. Одной из ключевых является проблема физики и моделирования рассматриваемых устройств (проблема 4). Очевидно, что без инструментария моделирование нанорадио доведение таких устройств даже до мелкосерийного производства будет просто невозможно. Они останутся всего лишь поделками.

В данном докладе дан обзор работ, выполненных в БГУИР по моделированию радиоприемных устройств и их компонентов на основе УНТ в рамках государственной программы «Конвергенция» Республики Беларусь, начиная с 2011 года.

Рассматриваемая задача характеризуется очень высокой степенью сложности. Так, нанорадио первого типа является наноэлектромеханической системой и должно моделироваться как единое целое, строго говоря, на уровне квантовомеханических моделей. Анализ показывает, что на современном уровне развития вычислительной техники это просто невозможно. Поэтому было выделено два перспективных (и, по-видимому, только возможных на настоящий момент времени) подхода к моделированию нанорадио, как единого целого, а именно [3]: 1) многоуровневый подход; 2) подход на основе иерархии различных моделей. Было реализовано оба подхода.

17

Многоуровневый подход был реализован совместно с коллегами из БНТУ и использовался для моделирования нанорадио первого типа. Были исследованы различные конструкции нанорадио (расположение и количество электродов, расстояний между УНТ и их диаметра) на единичных УНТ и ориентированных массивах УНТ отличающейся геометрии при различных прикладываемых напряжениях и была показана работоспособность исследованных устройств в радиочастотном диапазоне [4–6]. Данный подход является достаточно строгим, выполнен в континуальном приближении и основан на численном решении уравнений баланса сплошной среды (главный уровень моделирования) [5]. При реализации подхода применялось лицензионное программное обеспечение, а расчеты осуществлялись на высокопроизводительной вычислительной технике БНТУ [6].

К сожалению, достаточно строгая методика многоуровневого моделирования [4–6] требует для своей реализации мощной вычислительной техники. Кроме того, она применима только для нанорадио первого типа. В ряде же практически важных случаев для технологов желательны экспрессные, хотя и менее точные, оценки, однако, которые можно выполнить с применением персональных ЭВМ.

В связи с этим нами был реализован и второй подход, т.е. на основе иерархии различных моделей. В частности, разработана методика экспрессного расчета нанорадио на основе УНТ как первого, так и второго типов. С помощью нее можно рассчитывать ряд основных характеристик нанорадио, а именно: 1) резонансную частоту колебаний УНТ; 2) амплитуду колебаний УНТ; 3) вольтамперную характеристику (ВАХ) УНТ в зависимости от ряда факторов [7,8].

Для гибридного радио (второй тип) важными являются активные элементы, которые могут быть реализованы на УНТ и, таким образом, иметь очень малые размеры. Перспективными для этих целей могут быть приборные структуры на различных квантовомеханических эффектах. В частности, были промоделированы различные устройства на эффекте резонансного туннелирования, включая функционально-интегрированные и обладающие существенно нелинейной N- образной ВАХ. Показана перспективность их использования в качестве компонентов нанорадио второго типа. Разработанные программы, реализующие методику экспрессного расчета нанорадио, были включены в систему моделирования устройств наноэлектроники «NANODEV», разрабатываемую в БГУИР с 1995 года [9].

1.Jensen K., Weldon J., Garcia H., Zettl A. Nano Letters, 2007, Vol. 7, No. 11, P. 3508

–3511.

2.Rutherglen C., Burke P. Nano Letters, 2007, Vol. 7, No 11, P. 3296 – 3299.

18

3.Абрамов И. И., Лабунов В. А. Материалы конференции: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Севастополь, 2011. С. 28 – 30.

4.Абрамов И. И., Баркалин В. В., Белогуров Е. А., Лабунов В. А., Чашинский А. С. Материалы конференции: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Севастополь, 2011. С. 803 – 805.

5.Баркалин В. В., Абрамов И. И., Лабунов В. А., Басаев А. С. Материалы конференции: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Севастополь, 2012. С. 705

–708.

6.Barkaline V., Abramov I., Belogurov E., Chashynski A., Labunov V., Pletezhov A.,

Shukevich Y. Nonlinear Phenomena in Complex Systems, 2012, Vol. 15, No. 1, P. 23 – 42.

7.Абрамов И. И., Коломейцева Н. В., Климович А. Г. Материалы конференции: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Севастополь, 2012. С. 743 – 745.

8.Абрамов И. И., Коломейцева Н. В. Материалы конференции: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Севастополь, 2013. С. 849 – 850.

9.Abramov I.I., Baranoff A.L., Kolomeitseva N.V., Goncharenko I.A., Bely Y.L., Shcherbakova I.Y. Proc. of SPIE, 2010, Vol. 7521, P. 75211E-1–75211E-11.

19