Учёные НИТУ «МИСиС» и Института проблем технологии микроэлектроники РАН разработали нанокомпозитный материал на основе кремния и графена для водородных элементов питания электронных устройств. Об этом сообщается в журнале Microporous and Mesoporous Materials.
Перед научным коллективом стояла задача создать многофункциональные катоды водородно-воздушных микротопливных элементов для портативной электроники, которые можно было бы интегрировать непосредственно в печатные платы устройств.
Как сообщила RT автор исследования, доцент кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС» Екатерина Гостева, водородные источники питания очень перспективны и экологичны, однако в настоящее время не имеют широкого применения в микроэлектронике, а их использование обладает рядом ограничений.
В частности, в таких микротопливных элементах сейчас используются электролитические мембраны из волокнистого полимера нафиона. Существенным недостатком такого материала является его способность впитывать воду, которая образуется в результате работы водородно-воздушного источника питания. В качестве альтернативы российские учёные предложили водостойкие катоды на основе кремния и графена.
«Ракеты летают на водородном топливе, уже выпускаются автомобили и разрабатываются самолёты на водородных элементах. А как сделать миниатюрный источник питания на водородно-воздушной основе для обычного мобильного телефона? Наш топливный элемент сделан из кремния, как и компьютерный чип. Например, при создании печатной платы такой элемент с необходимым количеством водорода может быть включён в её структуру», — пояснила в беседе с RT Екатерина Гостева.
По словам исследователя, для стабилизации кремния в структуре катода используется графеновый слой. Ранее учёные пытались наносить его на поверхность материала, однако нанопористый кремний всё равно постепенно разрушался под воздействием воды или слабощелочных растворов.
По новой технологии впервые в мире удалось создать графеновое покрытие по всей глубине пористой кремниевой структуры — от нанопор у поверхности до макропористого каркаса. Для создания покрытия использовалось газофазное химическое осаждение из паров спирта, в процессе которого применялся особый режим перепадов давления.
Уникальная методика, отмечают исследователи, позволила радикально улучшить свойства кремниевых пористых структур и обеспечить их большую, в сравнении с немодифицированными аналогами, долговечность, эффективность и электропроводность.
«Мы предложили не имеющий аналогов метод создания многослойных графеновых покрытий на внутренних стенках пор по всей глубине кремниевой структуры. Других способов производства электродов для эффективных микротопливных элементов сегодня нет. Источники тока такого рода могут не только обеспечить длительное резервное питание техники, но и со временем, вероятно, заменят аккумуляторы», — отметила Екатерина Гостева.
В ходе лабораторных экспериментов учёные показали, что за счёт формирования внутри пор дополнительного рельефа площадь полезной поверхности материала, произведённого по собственной технологии, увеличилась более чем в три раза.
В дальнейшем исследователи намерены адаптировать созданную в лаборатории технологию для применения в промышленности. Коллектив планирует применить кремний-графеновый композит в качестве электродов микротопливных элементов и попробовать новую методику для печати микросхем. По словам Екатерины Гостевой, они также попытаются разработать материал для катализаторов на смену редкой и дорогой платине.