РАЗРАБОТКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СЕНСОРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР SI/SIO2/NI

Results of investigations of electrical and magnetoresistive characteristics of Si/SiO2/Ni heterostructures obtained using the swift heavy ion track technology are presented. The presence of a positive magnetoresistance growing up with decreasing temperature and reaching 600 % at T ~ 25 K is determined. This result makes it possible to create highly-sensitive magnetic field sensor devices for space applications, which operates at a liquid hydrogen cooling. The prospects of the creation of magnetic-field sensors using alternating layers of ferromagnetic and nonmagnetic metals in the nanopores are determined. The possibility of application of the «Tunable Electronic Material in Pores in Oxide on Semiconductors» concept on this concern is demonstrated.На основе исследования гетероструктур Si/SiO2/Ni, полученных с использованием метода треков быстрых тяжелых ионов, представлены данные их электрических и магниторезистивных характеристик. Установлено наличие положительного магнитосопротивления, растущего с понижением температуры и достигающего при Т~25 К величины 600 %, что позволяет создать высокочувствительные сенсоры магнитного поля для аппаратуры космического применения, функционирующей при жидководородном охлаждении. Определены перспективы создания сенсоров с использованием чередующихся слоев из ферромагнитных и немагнитных металлов в нанопорах и показана возможность применения концепции «Управляемого электронного материала с порами в оксиде кремния»

Influence of ionizing irradiation on the parameters of Zn nanotubes arrays for design of flexible electronics elements

The aim of the study is establishing the possibility of using Zn nanotube arrays as a basis for design compact and lightweight elements of flexible electronics, including operating under influence of ionizing irradiation.The paper presents the results of the synthesis of Zn nanotubes obtained by electrochemical deposition in the pores of polymer matrices and the study of their structural and electrophysical properties after directional modification by ionizing radiation with different doses. Using the methods of scanning electron microscopy, X-ray diffraction and energy dispersive analysis, the structure of nanotubes having a polycrystalline structure and completely consisting of zinc was studied and it was demonstrated that irradiation with Ar8+ ions with a dose from 1 × 109 to 5 × 1011 ion/cm2 and energy 1.75 MeV/nucleon has an effect on the crystal structure of nanotubes.At high doses, localized highly defect zones arise, leading to a critical change in the structure and physical properties of the nanotubes, respectively. It is shown that the consequence of the modification of the crystal structure is a change in the electrical conductivity of nanotubes: at low doses the electrical conductivity increases, but when the threshold value is reached, it sharply decreases. The change in the crystal structure and the corresponding changes in the conductive properties of Zn nanotubes due to irradiation determine the mechanism of ionizing radiation influence on nanomaterials and determine the possibility of using Zn nanotubes arrays as a basis for creating compact and lightweight elements of flexible electronics

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МИКРОИНДУКТОР НА ОСНОВЕ ГИБКОЙ ПОЛИИМИДНОЙ ПЛЕНКИ

A method of creation of 3D flexible high-frequency microinductor on the base of polyimide film with etched swift heavy ion tracks, filled with a conducting material is proposed. This methos is more simple as compared with existing technologies. The service model of the microinductor having dimensions 0,04 mm3 is fabricated. This model has following main operational characteristics: winding density of 7 winding/mm at the winding thickness 10 μm; inductivity 0.3 mH with the Q-factor of 8 at 200 MHz. A possibility of the decrease of dimensions of the device down to 10-6 mm3 is shown. Предложен более простой по сравнению с существующими технологиями способ создания трехмерного гибкого высокочастотного микроиндуктора на основе полиимидной пленки с протравленными треками быстрых тяжелых ионов, заполненными проводящим материалом. Создан действующий макет микроиндуктора размером 0,04 мм3, имеющий следующие основные характеристики: плотность обмотки 7 витков/мм при толщине витка 10 мкм, индуктивность 0,3 мГн при добротности 8 на частоте 200 МГц. Показана возможность уменьшения размеров устройства до 10-6 мм3

Плазмонно-активные серебряные наноструктуры в порах ионно-трекового шаблона SiO2 на кремнии

Today, the possibility of amplifying the signal of Raman scattering is intensively studied in order to realize a simple and reliable tool for monitoring of ultra-small concentrations of chemical and biological substances. Plasmon-active nanostructures can serve as the basic element of substrates for signal amplifying, and the degree of amplification is determined by nanostructures size and shape. The formation of nanostructures with a predetermined morphology requires the development of new approaches. In this concern, the paper considers a complex approach of plasmon-active silver nanostructures with a wide range of shapes and sizes formation in the pores of ion-track Sio2 templates on silicon. The peculiarities of SiO2 templates creation are considered and the etching rates, uniquely determining the parameters of the pores as a function of the etching time, are established. The features of the silver nanostructures formation in the pores of the SiO2 template are described for various pore sizes and synthesis regimes (time and solution temperature). The possibility of formation of nanostructures with different shapes as well as evolution of their morphology with variation of synthesis parameters is shown. on the example of dendrites, having a high potential for practical application for amplification of the Raman scattering signal, the possibility of recording Raman spectra was demonstrated using the model analyzer Nile Blue at the concentration of 10-6 M/l. The results indicate that plasmon-active silver nanostructures in the pores of ion-track Si02 template on silicon can be used as basic element of biosensors to studying ultra-low doses of chemical and biological substances.Communicated by Corresponding Member Valery M. FedosyukНа сегодняшний день интенсивно исследуется возможность усиления сигнала комбинационного рассеяния света с целью реализации простого и надежного инструмента для контроля сверхмалых концентраций химических и биологических веществ. В качестве основы усиливающих сигнал подложек могут выступать плаз-монно-активные наноструктуры, степень усиления которых определяется их размером и формой. Формирование наноструктур с заранее заданной морфологией требует разработки новых методик. В связи с этим в работе рассматривается комплексный подход к получению в порах ионно-трековых шаблонов SiO2 на кремнии плазмонно-активных серебряных наноструктур, имеющих широкий спектр форм и размеров. Рассмотрены особенности создания SiO2-шаблонов и установлены скорости травления, однозначно определяющие параметры пор в зависимости от времени процесса. Описаны особенности формирования серебряных наноструктур в порах Si02-шаблона при различных размерах пор и режимах синтеза (время и температура раствора). Показана возможность создания наноструктур с различной формой и продемонстрированы закономерности эволюции их морфологии при изменении параметров синтеза. С использованием дендритов, имеющих высокий потенциал для практического применения для усилении сигнала комбинационного рассеяния света, на примере модельного аналита Nile Blue с концентрацией 10-6 моль/л продемонстрирована возможность регистрации спектров комбинационного рассеяния света. Полученные результаты свидетельствуют, что плазмонно-активные серебряные наноструктуры в порах ионно-трекового шаблона SiO2 на кремнии могут найти применение при создании биосенсоров для регистрации сверхнизких доз химических и биологических веществ.Представлено членом-корреспондентом В.М. Федосюко

Comprehensive Study of Ni Nanotubes for Bioapplications: From Synthesis to Payloads Attaching

Due to the Ni nanotubes’ shape anisotropy, low specific density, large specific surface, and uniform magnetic field, they have been offered as carriers for targeted delivery of drug or protein and the process of their formation from synthesis stage to the stage of surface modification and protein attaching has been demonstrated. Some steps to hasten their biomedical application have been applied. First, to have full control over the carrier dimensions and structure parameters, electrodeposition method in pores of polyethylene terephthalate template has been applied. Second, to understand the scope of Ni nanostructures application, their degradation in media with different acidity has been studied. Third, to improve the biocompatibility and to make payloads attachment possible, nanotubes surface modification with organosilicon compound has been carried out. At last, the scheme of protein attaching to the nanostructure surface has been developed and the binding process was demonstrated as an example of the bovine serum albumin

ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН В ПРОЦЕССАХ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО ОСМОСА

A method of design of polyethylene terephthalate track membranes with asymmetric (conic) pores shaped by ion-track technology was considered. The method consists of two main stages: irradiation by swift heavy ions and one-sided etching of latent tracks. The shape and dimensions of individual pores of track membranes were defined by scanning electron microscopy of surfaces and cross-sections of membranes prepared with different etching times. Based on these results, time dependencies of cone bases and apex diameters of asymmetrical pores were determined. The possibility of the membranes application for direct and reverse osmosis was determined according to the results of investigations asymmetric track membranes with conic shape pores by means of measuring of hydrophility, air and water performance. Based on the analysis of tensile strength under loading with slowly changing pressure, the maximum pressure value that the membrane could stare was determined, as well as the dependence of the strength characteristics on the samples porosity. Simulation study of osmotic processes in NaCl solution efficiency of the track membranes for the direct and reverse osmosis was demonstrated and the influence of membrane parameters on their performance and the degree of water purification was showed. Рассмотрена методика получения полиэтилентерефталатовых трековых мембран с асимметричной (конусообразной) формой поры с применением ионно-трековой технологии. Метод состоит из двух основных этапов: облучения быстрыми тяжелыми ионами и одностороннего травления латентных треков. С помощью сканирующей электронной микроскопии поверхностей и поперечных сечений мембран, полученных при различных временах травления, охарактеризованы форма и размеры отдельных пор трековых мембран. На основании этих результатов определена временная зависимость диаметров основания и вершины конуса асимметричных пор. По результатам исследования асимметричных трековых мембран с порами конической формы путем измерения степени гидрофильности, производительности по воздуху и воде была установлена возможность применения мембран для прямого и обратного осмоса. На основе анализа прочности на разрыв под нагрузкой с медленно меняющимся давлением определено давление, которое способна выдержать мембрана, а также установлена зависимость характеристик прочности образцов от их пористости. Моделирование осмотических процессов в растворе NaCl продемонстрировало эффективность трековых мембран для прямого и обратного осмоса и показано влияние параметров мембран на их производительность и степень очистки воды.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕДНОГО ОСАДКА В ПОРАХ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Using the SiO2 porous templates on silicon substrate, Si/SiO2(Cu) nanostructures have been synthesized by electrochemical method. A comprehensive study by means of scanning electron, transmission electron, atomic force microscopy and diffraction analysis techniques have been conducted. The morphological features and the lateral dimensions of metal nanostructures, deposited in the pores, have been defined. A tendency to form copper agglomerates with dendritic shape have been shown. This structures are promising for using as catalyst or substrates for SERS.С использованием SiO2-пористых шаблонов на кремниевой подложке электрохимическим методом синтезированы наноструктуры Si/SiO2(Cu). Проведено их всестороннее изучение посредством электронной сканирующей, электронной просвечивающей, атомно-силовой микроскопии и дифракционных методов анализа. Определены морфологические особенности и латеральные размеры металлического осадка в порах. Показана тенденция к образованию агломератов меди дендритной формы, что указывает на перспективность использования таких структур при катализе и в спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света

ФЕРРОМАГНИТНЫЕ НАНОТРУБКИ В ПОРАХ ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

In the paper the template synthesis of ferromagnetic (Fe, Co, Ni) nanotubes in the pores of track membranes were studied. The aim of this work was determination of nanotubes basic structural and magnetic parameters and demonstration of the possibility of application in the flexible electronics elements.By electrochemical deposition, ferromagnetic nanotubes with a diameter of 110 nm and an aspect ratio of 100 were formed in the pores of polyethylene terephthalate track membranes. The morphology of the obtained nanostructures were studied by scanning electron microscopy, the elemental composition was determined by the energy-dispersion analysis. Using the X-ray structural analysis, the main parameters of the crystal structure were established: lattice type, lattice parameter and average crystallite size. The magnetic properties were studied by the method of vibrational magnetometry.It was shown that in the selected conditions of synthesis without reference to the type of ferromagnetic metals nanotubes had the same dimensions – length, diameter and wall thickness. The produced nanotubes consisted of iron, cobalt and nickel, respectively without oxides impurities. Nanotubes had a polycrystalline structure of walls with a body-centered cubic (iron), face-centered cubic (cobalt and nickel) crystal lattice. According to the main magnetic parameters, nanotubes belonged to a group of soft magnetic materials. Also, the presence of magnetic anisotropy, which is caused by the features of crystalline structure and shape of the nanostructures.Based on the analysis of structural and magnetic characteristics of ferromagnetic nanotubes which were synthesized in the pores of track membranes, were proposed the main principles of their using in the elements’ of flexible electronics constructing (magnetic field direction sensors and magnetic memory elements). В работе рассмотрены особенности шаблонного синтеза нанотрубок из ферромагнитных металлов (Fe, Co, Ni) в порах трековых мембран. Целью работы являлось изучение их основных структурных и магнитных параметров и демонстрация потенциала применения в элементах гибкой электроники.При помощи электрохимического осаждения в порах полиэтилентерефталатовых трековых мембран сформированы ферромагнитные нанотрубки с диаметром 110 нм и аспектным соотношением 100. Методом сканирующей электронной микроскопии изучены морфологические особенности полученных наноструктур, методом энергодисперсионного анализа изучен элементный состав. С использованием рентгеноструктурного анализа установлены основные параметры кристаллической структуры: тип кристаллической решетки, параметр элементарной ячейки и средний размер кристаллитов. Методом вибрационной магнитометрии изучены магнитные свойства.Показано, что вне зависимости от типа ферромагнитного металла при выбранных условиях синтеза нанотрубки имеют одинаковые характеристические размеры – длину, диаметр и толщину стенки. Полученные нанотрубки состоят соответственно из железа, из кобальта и из никеля и не содержат оксидных примесей. Нанотрубки имеют поликристаллическую структуру стенок с объемно-центрированной кубической (железные), гране-центрированной кубической (кобальтовые и никелевые) кристаллической решеткой. По основным магнитным параметрам нанотрубки соответствуют группе магнитомягких материалов. Также установлено наличие магнитной анизотропии, которая обусловлена особенностями кристаллической структуры и формой наноструктур.На основании анализа особенностей структурных и магнитных характеристик ферромагнитных нанотрубок, синтезированных в порах трековых мембран, предложены базовые принципы их использования при конструировании элементов гибкой электроники: наноконденсаторов, датчиков направления магнитного поля и магнитных элементов памяти.

ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ МАССИВОВ ZN НАНОТРУБОК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

The aim of the study is establishing the possibility of using Zn nanotube arrays as a basis for design compact and lightweight elements of flexible electronics, including operating under influence of ionizing irradiation.The paper presents the results of the synthesis of Zn nanotubes obtained by electrochemical deposition in the pores of polymer matrices and the study of their structural and electrophysical properties after directional modification by ionizing radiation with different doses. Using the methods of scanning electron microscopy, X-ray diffraction and energy dispersive analysis, the structure of nanotubes having a polycrystalline structure and completely consisting of zinc was studied and it was demonstrated that irradiation with Ar8+ ions with a dose from 1 × 109 to 5 × 1011 ion/cm2 and energy 1.75 MeV/nucleon has an effect on the crystal structure of nanotubes.At high doses, localized highly defect zones arise, leading to a critical change in the structure and physical properties of the nanotubes, respectively. It is shown that the consequence of the modification of the crystal structure is a change in the electrical conductivity of nanotubes: at low doses the electrical conductivity increases, but when the threshold value is reached, it sharply decreases. The change in the crystal structure and the corresponding changes in the conductive properties of Zn nanotubes due to irradiation determine the mechanism of ionizing radiation influence on nanomaterials and determine the possibility of using Zn nanotubes arrays as a basis for creating compact and lightweight elements of flexible electronics.Целью работы являлось изучение возможности применения массивов Zn нанотрубок в качестве основы для создания малогабаритных и легковесных элементов гибкой электроники, в том числе в условиях воздействия ионизирующего излучения.В работе представлены результаты синтеза Zn нанотрубок, полученных путем электрохимического осаждения в поры полимерных матриц, и изучение их структурных и электрофизических свойств после направленной модификации ионизирующим излучением с различной дозой. Методами растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного и энергодисперсионного анализа изучена структура нанотрубок, имеющих поликристаллическую структуру и полностью состоящих из цинка, и продемонстрировано, что облучение ионами Ar8+ с дозой от 1 × 109 до 5 × 1011 ион/см2 и энергией 1,75 МэВ/нуклон оказывает влияние на кристаллическую структуру нанотрубок.При больших дозах в Zn нанотрубок возникают локализованные высокодефектные зоны, приводящие к критическому изменению структуры и, соответственно, электропроводимости: при малых дозах электропроводимость увеличивается, однако при достижении порогового значения – резко снижается. Таким образом, был устанавлен механизм воздействия ионизирующего облучения на наноматериалы и определена возможность применения массивов Zn нанотрубок в качестве основы для создания малогабаритных и легковесных элементов гибкой электроники