Экологичная разработка в перспективе может применяться в биомедицинских технологиях, автономных системах, включая нейроморфные платы.
Растущий спрос на устройства носимой электроники и ограниченность природных источников энергии стали толчком к разработке в Южном федеральном университете новых технологий, которые были реализованы в виде пьезоэлектрических наногенераторов (ПЭНГ). Одним из перспективных материалов для разработки ПЭНГ являются легированные азотом углеродные нанотрубки (N-УНТ), проявляющие аномальные пьезоэлектрические свойства в результате формирования бамбукообразных перемычек в полости нанотрубки. Учёным ЮФУ удалось изготовить макет ПЭНГ и продемонстрировать возможность преобразования внешних вибраций в электрическую энергию.
«Пьезоэлектрические свойства нанотрубок были открыты случайно. При исследовании электрических параметров отдельных углеродных нанотрубок было выявлено наличие гистерезиса вольтамперной характеристики, которое было связано с формированием внутреннего электрического поля в процессе измерения.
Нам часто говорили, что этого не может быть, но реальность показала обратное. Первые исследования провели в 2011 году, первая статья по гистерезису и аномальному поведению электрических параметров у нас вышла в 2012 году, и лишь спустя шесть лет мы доказали наши предположения научному сообществу», – отметила д.ф.-м.н., профессор дивизиона «Электроника» Передовой инженерной школы ЮФУ Марина Ильина.
В настоящий момент работы в области создания пьезоэлектрических наногенераторов продемонстрировали возможности преобразования энергии движения человека (в результате моргания и сокращения мышц) в энергию для питания носимой электроники и устройств отслеживания состояния человека в медицинских целях. В ЮФУ же создают макеты на твёрдых кремниевых подложках, ученые ориентированы на преобразование энергии окружающей среды (городского шума, вибраций и движений тела человека).
«Наш макет представляет собой твердую подложку кремния размером 5х5 мм с нанесенным нижним электродом, на которой выращен массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Над вершинами нанотрубок с использованием диэлектрических упоров закрепляется верхний профилированный электрод. Под действием внешних вибраций происходит деформация N-УНТ, формируется поверхностный потенциал и с помощью измерительного стенда с электродов детектируется выходной сигнал. После тестовых измерений изготовленная структура корпусируется», – добавила Марина Ильина.
Так как углеродные нанотрубки растут перпендикулярно подложке и представляют собой лес, их вершины не закреплены. Основная задача – создать эффективный верхний электрод, который будет контактировать с этими вершинами нанотрубок и при этом сохранит их подвижность, чтобы не потерять чувствительность к внешним вибрациям и деформациям.
«Образец достаточно экологичный, трубки биосовместимые, поэтому сейчас идёт ряд работ по созданию гибких элементов с добавлением углеродных трубок для использования в медицинских целях.
Стоит понимать, что одна нанотрубка диаметром до 100 нм и высотой примерно 2-5 микрометров накапливает ограниченное количество зарядов. Если мы помещаем массив трубок в вибрационный шум, допустим, на двое суток, то потом эти же двое суток массив без дополнительного внешнего воздействия генерирует ток величиной десятки наноампер при нагрузке мегаомы. В дальнейшем, путем последовательного соединения нескольких таких наногенераторов можно повысить мощность источника питания до величины, достаточной для зарядки электронных часов», – добавила аспирантка ПИШ ЮФУ Ольга Соболева.
Над разработкой трудится коллектив из сотрудников и студентов. Эти молодые специалисты неоднократно побеждали в РНФ, выигрывали стипендии Правительства РФ, Президента, гранты на обучение. Большой толчок в исследовании дал запуск федерального проекта «Передовые инженерные школы», позволивший открыть в ЮФУ в 2024 году «умную» фабрику микроэлектроники и фотоники.
«Перспективы разработки очень широкие: от биомедицинских применений до автономных систем, в частности, питания нейроморфных плат. Наша технология позволяет повысить энергоэффективность и значительно уменьшить габариты и вес источников питания. Те мощности, которые будут потреблять платы нейроморфной электроники, сопоставимы с теми мощностями наногенераторов, которые сейчас наблюдаются. В перспективе возможно создание такой системы, которая будет автономно питаться без дополнительного источника питания в виде литий-ионной батареи или каких-то конденсаторов, загрязняющих окружающую среду», – заключила Марина Ильина.