Сенсор на основе полимерного композита, полученного методом лазерной интеграции

Данная работа посвящена изучению структуры лазерно-индуцированного металл-полимерного композита с использованием металлических наночастиц серебра и меди. На основе полученного материала необходимо показать принципиальную возможность использования в электронике, таким образом был представлен прототип газового сенсора и его характеристики в виде калибровочной кривой. Результаты показывают наличие отклика сенсора на этанол. Данная работа имеет спектр применений от обеспечения безопасности на производстве, детектируя токсичные газы, до изучения космоса

Введение………………………………………………………………………………………………. 15

1. Обзор литературы ………………………………………………………………………… 16

1.1 Лазерно-индуцированный графен (LIG) ……………………………………….. 16

1.2 Наноматериалы и их свойства ………………………………………………………. 18

1.2.1 Локализованный поверхностный плазмонный резонанс ………….. 19

1.2.2 Фототермические свойства ……………………………………………………… 19

1.3 Лазерно-интегрированный металл-полимерный композит (LIMPc).. 20

1.4 Сенсоры газа ………………………………………………………………………………… 21

1.4.1 Сенсоры газа на основе LIG ……………………………………………………. 23

1.4.2 Электроды газового сенсора……………………………………………………. 26

1.4.3 Материалы активного слоя ……………………………………………………… 27

2. Объекты и методы исследования …………………………………………………….. 28

2.1 Используемые материалы …………………………………………………………….. 28

2.2 Оборудование ………………………………………………………………………………. 29

2.3 Методика подготовки подложек LIMPc ………………………………………… 29

2.4 Оптимизация параметров лазерного излучения …………………………….. 30

2.5 Методика приготовления газового сенсора …………………………………… 31

2.6 Методика определения характеристик сенсора……………………………… 32

3. Результаты и обсуждение ……………………………………………………………….. 34

3.1 Спектроскопия комбинационного рассеяния ………………………………… 34

3.2 Четырехточечное измерение сопротивления …………………………………. 36

3.3 Описание характеристик газового сенсора ……………………………………. 38
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение ………………………………………………………………………………. 34

Введение …………………………………………………………………………………………… 34

4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения . 35

4.1.1 Потенциальные потребители результатов проекта …………………… 35

4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………………………………….. 35

4.1.3 SWOT-анализ …………………………………………………………………………. 37

4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………. 38

4.2 Инициация проекта ………………………………………………………………………. 41

4.2.1 Цели и результаты проекта ……………………………………………………… 41

4.2.2 Организационная структура проекта ……………………………………….. 42

4.2.3 Бюджет проекта ……………………………………………………………………… 44

4.2.4 Сырье, материалы, специальное оборудование, покупные изделия
……………………………………………………………………………………………………….. 44

4.2.5 Расчет затрат на оборудование для выполнения научно-
экспериментальных работ……………………………………………………………….. 45

4.2.6 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………. 46

4.2.7 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ……………. 48

4.2.8 Отчисления во внебюджетные фонды……………………………………… 48

4.2.9 Накладные расходы ………………………………………………………………… 49

4.2.10 Бюджетная стоимость НИР …………………………………………………… 49
4.3 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования
………………………………………………………………………………………………………….. 50

4.3.1 Интегральный показатель финансовой эффективности ……………. 50

4.3.2 Интегральный показатель ресурсоэффективности вариантов …… 50

Заключение по разделу …………………………………………………………………………. 51

5. Социальная ответственность …………………………………………………………… 52

Введение …………………………………………………………………………………………… 52

5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .. 53

5.1.1 Основные права и обязанности работника ………………………………. 53

5.1.2 Эргономические требования к рабочему мест …………………………. 54

5.2.1 Производственная безопасность ……………………………………………… 55

5.2.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов ………… 56

5.2.4 Обоснование мероприятий по снижению воздействия вредных и
опасных факторов на исследователя ……………………………………………….. 61

5.3 Экологическая безопасность ………………………………………………………… 67

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………… 68

Заключение ……………………………………………………………………………………….. 69

Заключение ………………………………………………………………………………………….. 70

Список литературы: ……………………………………………………………………………… 71

Methods and materials ……………………………………………………………………………. 79

Materials used in experiments ………………………………………………………………. 79

Equipment ………………………………………………………………………………………….. 80

Experimental part ………………………………………………………………………………… 80
LIMPc substrate preparation methodology ………………………………………….. 80

Optimization of the parameters of laser radiation ……………………………………. 80

Results and discussion …………………………………………………………………………. 83

Raman spectroscopy …………………………………………………………………………. 83

Four-point resistance measurement …………………………………………………….. 85

1.Sandhya P.K. et al. Viscoelastic and electrical properties of RGO
reinforced phenol formaldehyde nanocomposites // Journal of Applied
Polymer Science. 2020. Vol. 137, № 40. P. 49211.
2.Xiang Z. et al. Reduced Graphene Oxide-Reinforced Polymeric Films
with Excellent Mechanical Robustness and Rapid and Highly Efficient
Healing Properties // ACS Nano. 2017. Vol. 11, № 7. P. 7134–7141.
3.Gnanamoorthy G. et al. New construction of Fe3O4/rGO/ZnSnO3
nanocomposites enhanced photoelectro chemical properties // Optical
Materials. 2020. Vol. 109. P. 110353.
4.Gonçalves J.M. et al. Synergic effects enhance the catalytic properties of
alpha-Ni(OH)2-FeOCPc@rGO composite for oxygen evolution reaction
// Electrochimica Acta. 2018. Vol. 267. P. 161–169.
5.Rodriguez R.D. et al. Ultra‐Robust Flexible Electronics by Laser‐Driven
Polymer‐Nanomaterials Integration // Advanced Functional Materials.
2021. Vol. 31, № 17. P. 2008818.
6.Alam S.N., Sharma N., Kumar L. Synthesis of Graphene Oxide (GO) by
Modified Hummers Method and Its Thermal Reduction to Obtain
Reduced Graphene Oxide (rGO)* // Graphene. 2017. Vol. 06, № 01. P.
1–18.
7.Guex L.G. et al. Experimental review: chemical reduction of graphene
oxide (GO) to reduced graphene oxide (rGO) by aqueous chemistry //
Nanoscale. 2017. Vol. 9, № 27. P. 9562–9571.
8.Lin J. et al. Laser-induced porous graphene films from commercial
polymers // Nature Communications. 2014. Vol. 5, № 1.
9.Singh S.P. et al. Sulfur-Doped Laser-Induced Porous Graphene Derived
from Polysulfone-Class Polymers and Membranes // ACS Nano. 2018.
Vol. 12, № 1. P. 289–297.
10. Lamberti A. et al. All-SPEEK flexible supercapacitor exploiting laser-
induced graphenization // 2D Materials. 2017. Vol. 4, № 3. P. 035012.
11. Zhang Z. et al. Visible light laser-induced graphene from phenolic resin:
A new approach for directly writing graphene-based electrochemical
devices on various substrates // Carbon. 2018. Vol. 127. P. 287–296.
12. Chyan Y. et al. Laser-Induced Graphene by Multiple Lasing: Toward
Electronics on Cloth, Paper, and Food // ACS Nano. 2018. Vol. 12, № 3.
P. 2176–2183.
13. Ye R. et al. Laser‐Induced Graphene Formation on Wood // Advanced
Materials. 2017. Vol. 29, № 37. P. 1702211.
14. El-Kady M.F., Kaner R.B. Scalable fabrication of high-power graphene
micro-supercapacitors for flexible and on-chip energy storage // Nature
Communications. 2013. Vol. 4, № 1.
15. Tan K.W. et al. Transient laser heating induced hierarchical porous
structures from block copolymer–directed self-assembly // Science.
2015. Vol. 349, № 6243. P. 54–58.
16. Tao L.-Q. et al. An intelligent artificial throat with sound-sensing ability
based on laser induced graphene // Nature Communications. 2017. Vol.
8, № 1.
17. Korotcenkov G. Handbook of Gas Sensor Materials: Properties,
Advantages and Shortcomings for Applications Volume 1: Conventional
Approaches. Springer Science & Business Media, 2013. 442 p.
18. Liu X. et al. A survey on gas sensing technology // Sensors . 2012. Vol.
12, № 7. P. 9635–9665.
19. Nazemi H. et al. Advanced Micro- and Nano-Gas Sensor Technology: A
Review // Sensors . 2019. Vol. 19, № 6.
20. Emadi T.A. et al. Polymer-based gas sensor on a thermally stable micro-
cantilever // Procedia Engineering. 2010. Vol. 5. P. 21–24.
21. Zhao W. et al. Detection of mixed volatile organic compounds and lung
cancer breaths using chemiresistor arrays with crosslinked nanoparticle
thin films // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. Vol. 232. P. 292–
299.
22. Carvalho W.S.P. et al. Polymer-Based Technologies for Sensing
Applications // Analytical Chemistry. 2018. Vol. 90, № 1. P. 459–479.
23. Tai H. et al. Fabrication and gas sensitivity of polyaniline–titanium
dioxide nanocomposite thin film // Sensors and Actuators B: Chemical.
2007. Vol. 125, № 2. P. 644–650.
24. Seekaew Y. et al. Low-cost and flexible printed graphene–PEDOT:PSS
gas sensor for ammonia detection // Organic Electronics. 2014. Vol. 15,
№ 11. P. 2971–2981.
25. Raut B.T. et al. CSA doped polyaniline/CdS organic–inorganic
nanohybrid: Physical and gas sensing properties // Ceramics
International. 2012. Vol. 38, № 7. P. 5501–5506.
26. Nasirian S., Moghaddam H.M. Hydrogen gas sensing based on
polyaniline/anatase titania nanocomposite // International Journal of
Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39, № 1. P. 630–642.
27. Abraham J.K. et al. A compact wireless gas sensor using a carbon
nanotube/PMMA thin film chemiresistor // Smart Materials and
Structures. 2004. Vol. 13, № 5. P. 1045–1049.
28. Chaudhary V., Kaur A. Enhanced room temperature sulfur dioxide
sensing behaviour of in situ polymerized polyaniline–tungsten oxide
nanocomposite possessing honeycomb morphology // RSC Advances.
2015. Vol. 5, № 90. P. 73535–73544.
29. Stanford M.G. et al. Laser-Induced Graphene for Flexible and
Embeddable Gas Sensors // ACS Nano. 2019. Vol. 13, № 3. P. 3474–
3482.
30. Wienecke M. et al. PTFE membrane electrodes with increased sensitivity
for gas sensor applications // Synthetic Metals. 2003. Vol. 138, № 1-2. P.
165–171.
31. Zanjani S.M.M. et al. Enhanced sensitivity of graphene ammonia gas
sensors using molecular doping // Applied Physics Letters. 2016. Vol.
108, № 3. P. 033106.
32. Suehiro J. et al. Schottky-type response of carbon nanotube NO2 gas
sensor fabricated onto aluminum electrodes by dielectrophoresis // Sens.
Actuators B Chem. 2006. Vol. 114, № 2. P. 943–949.
33. Brosha E.L. et al. Mixed potential sensors using lanthanum manganate
and terbium yttrium zirconium oxide electrodes // Sensors and Actuators
B: Chemical. 2002. Vol. 87, № 1. P. 47–57.
34. Li X., Xiong W., Kale G.M. Novel Nanosized ITO Electrode for Mixed
Potential Gas Sensor // Electrochemical and Solid-State Letters. 2005.
Vol. 8, № 3. P. H27.
35. Mazlan N.S. et al. Interdigitated electrodes as impedance and capacitance
biosensors: A review. 2017.
36. Filippidou M.K., Chatzichristidi M., Chatzandroulis S. A fabrication
process of flexible IDE capacitive chemical sensors using a two step lift-
off method based on PVA patterning // Sensors and Actuators B:
Chemical. 2019. Vol. 284. P. 7–12.
37. Mamouni J., Yang L. Interdigitated microelectrode-based microchip for
electrical impedance spectroscopic study of oral cancer cells // Biomed.
Microdevices. 2011. Vol. 13, № 6. P. 1075–1088.
38. Anh-Nguyen T. et al. An impedance biosensor for monitoring cancer cell
attachment, spreading and drug-induced apoptosis // Sensors and
Actuators A: Physical. 2016. Vol. 241. P. 231–237.
39. MacDiarmid A.G. “Synthetic Metals”: A Novel Role for Organic
Polymers (Nobel Lecture) // Angew. Chem. Int. Ed Engl. 2001. Vol. 40,
№ 14. P. 2581–2590.
40. Liu T., Burger C., Chu B. Nanofabrication in polymer matrices //
Progress in Polymer Science. 2003. Vol. 28, № 1. P. 5–26.
41. Mathkar A. et al. Controlled, Stepwise Reduction and Band Gap
Manipulation of Graphene Oxide // J. Phys. Chem. Lett. 2012. Vol. 3, №
8. P. 986–991.
42. Gao W. The Chemistry of Graphene Oxide // Graphene Oxide. 2015. P.
61–95.
43. Lipatov A. et al. Highly selective gas sensor arrays based on thermally
reduced graphene oxide // Nanoscale. 2013. Vol. 5, № 12. P. 5426–5434.
44. Gómez-Navarro C. et al. Electronic transport properties of individual
chemically reduced graphene oxide sheets // Nano Lett. 2007. Vol. 7, №
11. P. 3499–3503.
45. Basu S., Bhattacharyya P. Recent developments on graphene and
graphene oxide based solid state gas sensors // Sensors and Actuators B:
Chemical. 2012. Vol. 173. P. 1–21.
46. Lee G., Jung Y., Kim J. Graphene-based Chemical Sensors //
Semiconductor-Based Sensors. 2016. P. 221–243.
47. Lu G., Ocola L.E., Chen J. Reduced graphene oxide for room-
temperature gas sensors // Nanotechnology. 2009. Vol. 20, № 44. P.
445502.
48. Dua V. et al. All-organic vapor sensor using inkjet-printed reduced
graphene oxide // Angew. Chem. Int. Ed Engl. 2010. Vol. 49, № 12. P.
2154–2157.
49. Li W. et al. Reduced graphene oxide electrically contacted graphene
sensor for highly sensitive nitric oxide detection // ACS Nano. 2011. Vol.
5, № 9. P. 6955–6961.
50. Lu G. et al. Toward practical gas sensing with highly reduced graphene
oxide: a new signal processing method to circumvent run-to-run and
device-to-device variations // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 2. P. 1154–
1164.
51. Alrammouz R. et al. A review on flexible gas sensors: From materials to
devices // Sensors and Actuators A: Physical. 2018. Vol. 284. P. 209–
231.
52. Kaushal A., Dhawan S.K., Singh V. Determination of crystallite size,
number of graphene layers and defect density of graphene oxide (GO)
and reduced graphene oxide (RGO) // DAE SOLID STATE PHYSICS
SYMPOSIUM 2018. 2019.
52.Smits F.M. Measurement of Sheet Resistivities with the Four-Point Probe
// Semiconductor Devices: Pioneering Papers. 1991. P. 183–190.