Учебно-научный центр коллективного пользования "Химическая сборка наноматериалов"

ЦКП "Химическая сборка наноматериалов" (далее ЦКП) создан в декабре 2002 г. в составе СПб ГТИ (ТУ) на базе кафедры Химической технологии материалов и изделий электронной техникии (ХНТиМЭТ) и является его структурным подразделением (приказ ректора № 651-031 от 30.12.02).

В 2003 – 2004 г.г. ЦКП был дооснащен современным уникальным оборудованием для исследования наноматериалов.

Финансирование было получено на конкурсной основе:

Одной из особенностей ЦКП является то, что, наряду с проведением исследований наноматериалов различного функционального назначения с использованием уникальных приборов, в данном подразделении развиваются также работы по химической нанотехнологии на принципах метода молекулярного наслаивания (МН), разрабатываются новые нанотехнологические процессы и наноустановки.

Анализ отечественных и зарубежных источников позволяет сделать вывод, что одним среди современных способов синтеза, наиболее полно удовлетворяющим требованиям нанотехнолгии «снизу-вверх», является метод МН, известный за рубежом под названием “атомно-слоевая эпитаксия” (АСЭ) (Atomic Layer Epitaxy, ALE) и атомно-слоевое осаждение (АСО) (Atomic Layer Deposition, ALD).

Приоритет разработки нанотехнологии на принципах метода МН принадлежит отечественным ученым. Анализ научной литературы свидетельствует, что за рубежом первые публикации по данному направлению появились лишь в семидесятые годы, в то время как в России (в ЛТИ им. Ленсовета) принципы МН были сформулированы в работах В.Б. Алесковского и развиты в исследованиях его учеников в конце пятидесятых - начале шестидесятых годов прошлого века, т.е. на 10 – 15 лет раньше («Остовная гипотеза», лежащая в основе теоретических предпосылок создания метода МН, высказана В.Б. Алесковским в 1952 г.). В настоящее время в России существует Ведущая научная школа «Химия высокоорганизованных веществ», созданная и возглавляемая чл.-корр. РАН В.Б. Алесковским, в рамках которой работает и ЦКП на базе кафедры ХНТиМЭТ.

Наиболее широко стали появляться сообщения на указанную тему с начала восьмидесятых годов в таких странах, как Финляндия, США, Япония, КНР, ФРГ, Франция, Голландия и др. В последние 10 лет, в связи с бурным развитием исследований по нанотехнологии и наноматериалам, наблюдается резкое увеличение количества публикаций по методу МН-АСЭ-АСО.

В настоящее время, благодаря дооснащению ЦКП современным уникальным оборудованием, наноустановками и программным обеспечением, стало возможным создать комплексную структуру, которая реально способствует существенному повышению качества учебного процесса, участвует в выполнении НИР фундаментального и прикладного характера по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы», способствуя развитию таких критических технологий, как «Нанотехнологии и наноматериалы». Учитывая междисциплинарный характер исследований в области нанотехнологии и наноматериалов, работы в рамках ЦКП вносят также вклад в развитие других критических технологий, связанных с созданием и обработкой полимеров, кристаллических, композиционных и керамических материалов, мембранных и каталитических систем.

С учетом направления исследований в структуру ЦКП «Химическая сборка наноматериалов» входят следующие лаборатории:

лаборатория электронной, туннельной и атомно-силовой микроскопии (проведение исследований поверхности твердых тел с атомным разрешением)
лаборатория рентгеноструктурного анализа, эллипсометрических и термогравимет-рических исследований (проведение исследований кристаллической структуры и фазового состава, тепловых эффектов при термических превращениях твердых тел, оптических характеристик и толщины нанопленок)
лаборатория спектроскопических и адсорбционных методов исследования (проведение исследований функционального состава и адсорбционных свойств поверхности твердых тел, их пористой структуры)
лаборатория химико-аналитических исследований (проведение химического анализа материалов и определение кислотно-основных свойств поверхности твердых тел)
лаборатория химической сборки функциональных наноматериалов (проведение исследований по получению наноматериалов различного функционального назначения методами химической сборки, разработка оборудования для химической сборки наноматериалов)
Информационно – маркетинговая служба (осуществляет информационно – маркетинговую деятельность)

Цель создания ЦКП:

1. Обеспечение учебного процесса и совершенствование подготовки специалистов в области:

выпуск инженеров, бакалавров и магистров по специальностям Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники, Наноматериалы, Нанотехнологии;
кандидаты и доктора наук по научной специальности "Химия твердого тела";

2. Выполнение НИР по приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники РФ:

приоритетное направление «Индустрия наносистем и материалы»;
критические технологии «Нанотехнологии и наноматериалы», «Технология создания и обработки полимеров и эластомеров», «Технология создания и обработки кристаллических материалов», «Технология композиционных и керамических материалов», «Технология мембранных и каталитических систем»;

3. Разработка новых методик исследования, технологических разработок и т.п.:

методические разработки по физико-химическим методам исследования твердых тел: изучение пористой структуры, химического и фазового состава, адсорбционных свойств твердых тел, функционального состава поверхности, толщины пленок на поверхности твердофазных матриц, тепловых эффектов при термопревращениях твердых тел методами ИК Фурье спектроскопии, электронной спектроскопии диффузного отражения, рентгеновской дифрактометрии, электронной, атомно-силовой и туннельной микроскопии, дифференциального термического анализа, с использованием химико-аналитичеких методов, методик для измерения удельной поверхности, для снятия изотерм адсорбции, определения кислотно-основных характеристик поверхности;
разработка оригинальных методик и приемов химической сборки методом молекулярного наслаивания и др. наноматериалов различного функционального назаначения: модифицированных сорбентов, гетерогенных катализаторов, в том числе для мембранного катализа, с повышенными удельными характеристиками; полимерные, в том числе, композиционные, материалы с пониженной горючестью, улучшенными термоокислительными и физико-механическими характеристиками; нанолегированные керамические материалы с заданными структурными и прочностными праметрами; функциональные нанопокрытия для полупроводниковой электроники (диэлектрические, проводящие, люминесцентные, упрочняющие и др.);
разработка нанотехнологических установок проточного, вакуумного и проточно-вакуумного типов для получения наноматериалов методом молекулярного наслаивания, химическим осаждением из газовой фазы;

4. Кооперирование научных школ и исследовательских коллективов в пределах РФ:

основные партнеры, с которыми ЦКП проводит совместные исследования, среди вузов - СПбГУ (Химический факультет), СПбПУ, СПбГПУ им. Герцена, МГУ (Химический факультет), среди академических организаций – ИХС им. Гребенщикова, ФТИ им А.Ф. Иоффе, ИХФ им. Н.Н. Семенова, ИНХС им. А.В. Топчиева, среди отраслевых организаций – ФГУП «ЦНИИ КМ Прометей, РФЯЦ-ВНИИЭФ, НИИФП им. Лукина;
возможные потребители – ЗАО «Светлана-Рентген», «Светлана-Оптоэлектроника», «МОРИОН», «Раменский приборостроительный завод», ФГУП «ЦНИИ КМ Прометей», РФЯЦ-ВНИИЭФ, НИИФП им. Ф.И. Лукина;
отрасль – электронная промышленность, атомная промышленность, авиационное приборостроение, судостроительная промышленность, химическая промышленность.

5. Осуществление научных и коммерческих связей с зарубежными исследовательскими центрами:

основные партнеры – Технологический институт штата Джорджия, г. Атланта (США), Университет г. Парма (Италия), Манчестерский университет (Великобритания), Институт химии поверхности НАН Украины; Немецкая фирма «Пентапласт» в рамках коммерческого контракта; Алесская Высшая Национальная Политехническая и Горная школа, г. Алес, Франция, Данкукский университет, г. Сеул, Южная Корея в рамках совместных научных публикаций.

6. Выполнение экспертных работ по профилю ЦКП: экспертные работы по оценке физико-химических характеристик наноматериалов различного функционального назначения.

Основные технические характеристики оборудования ЦКП

1. Сканирующий зондовый микроскоп Solver P47 Pro (НТ-МДТ, Россия)

Предназначен для исследования поверхности монокристаллических и мелкодисперсных образцов методами атомно-силовой, магнитно-силовой, электронно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии.

Основные технические параметры прибора:

измерения проводятся: на воздухе; в контролируемом газе; в жидкости.
размер образца - 40 х 40 х 10 мм;
оптический микроскоп ручной регулировки от 58х до 578х с цветной CCD-камерой;
позиционирование образца XY в поле 5 х 5 мм с шагом 5 мкм;
сканирование поверхности XYZ от 3 х 3 х 1,3 до 50 х 50 х 3 мкм с погрешностью фиксации ± 10%.
разрешающая способность в режиме СТМ:

в плоскости X-Y - 0,1 нм;
в направлении Z - 0,01 нм;

разрешающая способность в режиме АСМ - до 0,1 нм,
температура термообработки образца – не выше 130°С.

2. ИК Фурье-спектрометр ФСМ 1201 (ООО “Мониторинг”, Россия)

Предназначен для измерения абсорбции в средней ИК-области спектра; определяет коэффициенты пропускания и поглощение как функцию волнового числа или длины волны.
Прибор укомплектован приставками зеркального (10°) и касательного (80°) отражения от подложек, приставками МНПВО и СДО, что позволяет снимать спектральные характеристики тонкопленочных и мелкодисперсных объектов содержащих микроколичества модифицирующих веществ. Имеющееся программное обеспечение позволяет проводить как идентификацию спектров, так и количественный анализ образцов.

Основные технические параметры прибора:

рабочий спектральный диапазон - 7 800 - 400 см-1;
спектральное разрешение - 1 см-1;
абсолютная погрешность шкалы волновых чисел - ± 0,1 см-1;
отклонение линии 100% пропускания - 0,5 %;
соотношение сигнал/шум – не хуже 20 000;
минимальное время съемки спектра – 1 с.

3. КР-Спектрометр SPEX Spectrometer 1403 (SPEX Industries Inc., США)

Предназначен для регистрации рамановских спектров поглощения дисперсных материалов.

Основные технические параметры прибора:

рабочий спектральный диапазон - от 31 000 до 11 000 см-1;
разрешающая способность при Hg 579,1 нм – 0,15 см-1;
дисперсия при 514,5 нм - 10 см-1/мм;
погрешность установки волновых чисел - ± 1 см-1 на 10 000 см-1;
скорость сканирования - от 0,12 до 6 000 см-1/мин;
шаг сканирования - 0,02 см-1.

4. Спектрофотометр инфракрасный ИКС-29 (ЗАО «ЛОМО», Россия)

Предназначен для регистрации спектров поглощения и отражения дисперсных материалов, а также измерения коэффициентов пропускания этих материалов в спектральном диапазоне 4 200 - 400 см-1.

Основные технические параметры прибора:

рабочий спектральный диапазон - от 4 200 до 400 см-1;
монохроматор - одинарный, по автоколлимационной схеме;
диспергирующий элемент:
в интервале 4 200 - 1 200 см-1 - дифракционная решетка 150 штрих/мм;

в интервале 1 400 - 400 см-1 – дифракционная решетка 50 штрих/мм.
погрешность градуировки волновых чисел:
в интервале 4 200 - 1 000 см-1 - ± 0,1 %;

в интервале 1 000 - 400 см-1 - ± 0,15 %.
погрешность определения пропускания - ± 1,0 %.
разрешающая способность при n = 1122 см-1 - не менее 850.

5. Спектрофотометр Specord 200 (AnalytikJena AG, Германия)

Двухлучевой прибор с низким уровнем рассеянного света для измерения абсорбции в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, определяет коэффициент пропускания, экстинкции или концентрации проб как функцию волнового числа или длины волны. Позволяет определять статические и динамические (за заданный временной интервал) оптические характеристики жидких и твердых образцов

Прибор укомплектован приставкой измерения отражения образца от 11 до 60°, приставками определения коэффициента абсолютного отражения и интегрирующей сферой для СДО, что позволяет снимать спектральные характеристики тонкопленочных и мелкодисперсных объектов содержащих микроколичества модифицирующих веществ. Имеющееся программное обеспечение позволяет проводить идентификацию спектров, количественный и колориметрический анализ как дисперсных образцов, так и тонких пленок.

Основные технические параметры прибора:

монохроматор с вогнутой голографической дифракционной решеткой;
источники излучения - дейтериевая и галогенная лампы;
рабочий спектральный диапазон - 190 – 1 100 нм;
разрешающая способность - лучше чем 0,05 нм;
диапазон измерений коэффициента пропускания - 0,01 - 100 %Т;
допускаемая абсолютная погрешность при измерении коэффициентов пропускания:
в спектральном диапазоне 400 - 750 нм:

для коэффициентов пропускания 30 - 100% - не более ± 0,5 %,

для коэффициентов пропускания 1 - 30% - не более ± 0,3 %,

в остальном спектральном диапазоне:

для коэффициентов пропускания 1 - 100 % - не более ± 1,0 %;
в спектральном диапазоне 400 - 750 нм:
для коэффициентов пропускания 1 - 30% - не более ± 0,3 %,
в остальном спектральном диапазоне:
для коэффициентов пропускания 1 - 100 % - не более ± 1,0 %;
диапазон измерений оптической плотности - 0,0 - 3,0;
допускаемая абсолютная погрешность при измерении оптической плотности - ±0,003 (при D=1);
отклонение нулевой линии в диапазоне от 200 до 800 нм - не более ± 0,002 %;
погрешность установки длин волн - ± 0,3 нм;
скорость сканирования 30 - 6000 нм/мин.

6. Спектрофотометр SPECORD M 40 с фотометрическим шаром (AnalytikJena AG, Германия)

Предназначен для измерения абсорбции в ультрафиолетовой и видимой областях спектра; определяет коэффициент пропускания, экстинкции или концентрации проб как функцию волнового числа или длины волны. Применение фотометрического шара 8°/d позволяет снимать спектры диффузного рассеяния мелкодисперсных и тонкопленочных объектов.

Основные технические параметры прибора:

источники излучения - дейтериевая и галогенная лампы;
рабочий спектральный диапазон - 54 000 - 11 000 см-1 (» 185 - 900 нм);
разрешающая способность: при 40 000 см-1 - лучше чем 10 см-1 (0,06 нм),
при 20 000 см-1 - лучше чем 5 см-1 (0,12 нм)
диапазон измерений коэффициента пропускания - 0,01 - 100 %Т;
точность волнового числа: при 54 000 см-1 - ± 10 см-1 (0,03 нм), при 11 000 см-1 - ± 3 см-1 (0,25 нм);
минимальное значение шага измерения - 1 см-1
допускаемая абсолютная погрешность при измерении коэффициентов пропускания:

в спектральном диапазоне 400 - 750 нм:

для коэффициентов пропускания 30 - 100 % - не более ± 0,5 %,
для коэффициентов пропускания 1 - 30 % - не более ± 0,3 %,

в остальном спектральном диапазоне:

для коэффициентов пропускания 1 - 100 % - не более ± 1,0 %;
диапазон измерений оптической плотности - 0,0 - 3,0;
допускаемая абсолютная погрешность при измерении оптической плотности - ±0,004 (при D=1);
отклонение нулевой линии в диапазоне от 200 до 800 нм - не более ± 0,003 %;
погрешность установки длин волн - ± 0,3 нм;
скорость сканирования 30 - 6000 нм/мин.

7. Дериватограф Q-1500D (MOM, Венгрия)

Предназначен для одновременного определение внутри одной пробы температуры, изменения веса, скорости изменения веса и изменения содержания тепла; возможно проведение как обычных измерений в интервале температур до 1500 °С, так и квази-изотермических квази-изобарных до 1 000 °С.

Основные технические параметры прибора:

весы - аналитические с пневмотормозом;
интервал измерений- от 1 до 10 г;
чувствительность - от 20 до 2 000 мг/250 мм.;
интервал температур исследования - до 1500 °С;
точность измерения температуры - ± 1,0 °С;
программируемая скорость подъема температуры - от 0,6 до 20 °С/мин.

8. Сорбтометр Sorbi N.4.1 (ЗАО "Мета", Россия)

Предназначен для измерений удельной поверхности и геометрических параметров пор дисперсных и пористых материалов путем определения объемов аргона, адсорбированного на таких материалах.

Основные технические параметры прибора:

метод измерения - многоточечный БЭТ;
газ-адсорбат - N2 или Ar;
диапазон определяемых удельных площадей - от 0,2 до 1000 м2/г;
диапазон задаваемых парциальных давлений - 0,05 - 0,92;
минимальный задаваемый объём пор - 0,00015 мл;
погрешность определения Sуд - не более ± 6 %;
рабочий объём ампулы для образца- 2,5 см3;
температурный диапазон дегазации образцов - 50 - 400 °С;
точность поддержания температуры - ± 10 °С;
диапазон устанавливаемого времени дегазации - 5 - 120 мин;
используемый газ-носитель - He (N2 или Ar).

9. Дифрактометр настольный рентгеновский ДНР “Дифрей” (ОАО «Научные приборы», Россия)

Предназначен для рентгеноструктурного анализа поли- и монокристаллических образцов.

Основные технические параметры прибора:

диапазон одновременной регистрации спектра:
не менее 16° (для ОЛКД);

не менее 43° (для ОИКД).
полный диапазон регистрации спектра:
от -8° до 140° (для ОЛКД);

от -20° до 140° (для ОИКД)
относительное угловое разрешение по линии (113) Al2O3 - < ± 0,9 %.
погрешность определения положения дифракционного пика < ± 0,6 %.
временная нестабильность градуировочной характеристики - ± 0,1 %.

10. Лабораторные нанотехнологические установки (Россия)

Предназначены для получения наноструктур на поверхности твердых матриц любой геометрической формы.

Основные технические характеристики:

температурные режимы эксплуатации до 800 °С,
диапазон давлений от атмосферного до 10-6 Па;
точность задания состава на атомно-молекулярном уровне;
точность задания толщины пленок 0,2 – 0,5 нм.

11. Лабораторная установка для формования сферических нанопористых частиц (СПбГТИ – ФГУП «НКТБ Кристалл», Россия)

Предназначена для получения сферических нанопористых носителей с развитой удельной поверхностью.

Основные технические характеристики:

температура процесса 20 – 80 °С;
размеры реактора:
диаметр около 0,04 м,

высота около 2 м;
размеры частиц 0,5 – 3 мм;
удельная поверхность 10 –200 м2/г.

Для информационного обеспечения эксплуатации оборудования на кафедре ХНТиМЭТ имеется 14 ПК, создана локальная вычислительная сеть (ЛВС), имеющая выход в Internet, клиент-серверной архитектуры.

Возможности ЦКП

Возможности ЦКП определяются, с одной стороны, имеющимися в эксплуатации приборами и технологическим оборудованием, а с другой – наличием научных кадров, способных не только обслуживать имеющиеся приборы, но и квалифицированно обрабатывать полученную информацию.
Кадровый потенциал ЦКП позволяет закрепить за каждой единицей исследовательского и технологического оборудования специалиста – кандидата наук, сотрудника с высшим образованием, а в ряде случаев, и стажера из числа молодых специалистов, аспирантов или студентов старших курсов.

Согласно основным техническим характеристикам оборудования ЦКП возможно применение следующих физико-химических методов для исследования процессов, образцов, новых соединений:

ИК Фурье спектроскопии,
электронной спектроскопии диффузного отражения,
рентгеновской дифрактометрии,
электронной, атомно-силовой и туннельной микроскопии,
дифференциального термического анализа,
адсорбционных измерений (снятие изотерм адсорбции, измерение удельной поверхности, размеров и объема пор),
спектрофотометрическое определение кислотно-основных характеристик поверхности.

Возможно проведение аналитических измерений, определение состава, свойств, структуры, физических или химических характеристик наноматериалов различного функционального назначения со следующими количественными характеристиками:

пористой структуры (диапазон определяемых удельных площадей - от 0,2 до 1000 м2/г; погрешность определения Sуд - не более ± 6 %; минимальный задаваемый объём пор - 0,00015 мл;
фазового состава (относительное угловое разрешение по линии (113) Al2O3 - < ± 0,9 %; погрешность определения положения дифракционного пика < ± 0,6 %; временная нестабильность градуировочной характеристики - ± 0,1 %.),
химического и функционального состава поверхности (химический состав с применением спектрофотометрических и фотоколориметрических методик с погрешностью 10%; спектроскопические методики- ИК с рабочим спектральным диапазоном - 7800 - 400 см-1; разрешающей способностью - 1 см-1; соотношением сигнал/шум – не хуже 20000; минимальное время съемки спектра – 1 с., ЭСДО с рабочим спектральным диапазоном - 190 – 1 100 нм; разрешающей способностью лучше чем 0,05 нм.; рамановские спектры поглощения с рабочим спектральным диапазоном от 31000 до 11000 см-1; с разрешающей способностью при Hg 579,1 нм – 0,15 см-1; погрешностью установки волновых чисел - ± 1 см-1 на 10 000 см-1).
толщины нанопленок на поверхности твердофазных матриц (чувствительность к изменению толщины плёнки около 0.1 нм),
топологии поверхности твердых тел на атомном уровне (разрешающая способность в режиме СТМ: в плоскости X-Y - 0,1 нм; в направлении Z - 0,01 нм; разрешающая способность в режиме АСМ - до 0,1 нм),
тепловых эффектов при термопревращениях твердых тел (эндо- и экзоэффекты, изменение массы в интервале температур 20 – 1500 ºС; чувствительность изменения массы- от 20 до 2 000 мг/250 мм.; точность измерения температуры - ± 1,0 °С; программируемая скорость подъема температуры - от 0,6 до 20 °С/мин.).

Имеющееся в ЦКП технологическое оборудование позволяет синтезировать на поверхности твердофазных матриц любой геометрической формы функциональные наноструктуры для различных областей твердофазного материаловедения.

Условия совместного использования приборной базы ЦКП

На уровне института:

обеспечение учебного процесса кафедры ХНТиМЭТ (лабораторный практикум, НИРС, курсовые работы и проекты);
обеспечение исследований при выполнении бакалаврских, дипломных, магистерских аспирантских работ, кандидатских и докторских диссертаций как для кафедры ХНТиМЭТ, так и для других кафедр института на безвозмездной основе и в рамках ЕНЗ;
участие в выполнении НИР кафедры ХНТиМЭТ и других кафедр института при условии финансирования;

При совместной работе с иными творческими коллективами и научными школами:

научно-техническое содружество в рамках стажировок студентов, аспирантов, научных сотрудников на безвозмездной основе с последующими совместными научными публикациями по проведенным исследованиям;
участие в выполнении финансируемых совместных грантов, программ и проектов как Российских, так и зарубежных;
выполнение заданий промышленных, отраслевых и академических научных организаций в рамках хозяйственных договоров;
выполнение единичных заказов заинтересованных юридических и физических лиц с оплатой по калькуляции.

Контактное лицо для технических консультаций:

Малыгин Анатолий Алексеевич, заведующий кафедрой ХНТиМЭТ, директор ЦКП «Химическая сборка нанотматериалов», д. х. н., профессор,

телефон/факс: (812) 494-92-39, e-mail: malygin@lti-gti.ru