ЛАБОРАТОРИЯ
"МИКРО- И НАНОФОТОНИКА"

ДОГОВОР ЗА ФИНАНСИРАНЕ
от Механизма за възстановяване и устойчивост за изпълнение на инвестиция по C2I2 "Повишаване на иновационния капацитет на Българската академия на науките (БАН) в сферата на зелените и цифровите технологии"

от Плана за възстановяване и устойчивост (ПВУ)

ИЗПЪЛНИТЕЛ:  Институт по електроника, БАН
Общ размер на финансирането: 476 644 лв.
по Механизма за възстановяване и устойчивост: 437 877.33 лв.
Национално публично финансиране: 38 766.67 лв.

Продължителност на договора: 20.12.2024 – 30.06.2026 г.

Настоящият проект е насочен към прилагане на лазерни методи за получаване на микро- и наноструктури и микро- и наноструктурирани повърхности, които ще намерят приложения в разработването на сензори на замърсители във води и растения, ефективни газови сензори и самопочистващи се повърхности. Изпълнението му ще покаже възможностите на лазерните технологии да бъдат ефективна и зелена алтернатива на разработените химични и електронно- и йоннолъчеви методи за получаване на микро- и наноструктури. Крайният резултат ще бъде демонстриране на системи и структури, работещи в реални условия, с реални образци и притежаващи подобрени характеристики от съществуващите до момента. За целта ще бъдат получени нови материали и структурирани повърхности, които ще предложат решения на някои от основните предизвикателства към конкретните приложения - бързодействие, селективност, чувствителност, функционалност, цена. За детекция на замърсители, като нитрати и пестициди във води и по повърхността на растения ще се приложи метода на Повърхностно Усилена Раманова Спектроскопия, като се разработят активни системи за усилване на Рамановия сигнал. Ще се разработят газови сензори за детекция на вредни за околната среда и човешкото здраве газове, като те ще се базират на електричните свойства на порьозни композитни материали, получени чрез метода на импулсно лазерно отлагане. Един работен пакет по проекта е отделен на лазерно структуриране на повърхности със свръхкъси импулси, с цел получаване на хидрофобни повърхности. Те ще са основа на самопочистващи се повърхности, приложени към фотоволтаични системи, като това ще доведе до понижаване на експлоатационната им цена. Основните експериментални методи са базирани на процесите на лазерна аблация и лазерно-индуцирани фазови промени в различни материали. Ще се оцени възможността при тези методи да се използват материали от излезли от употреба електронни компоненти. Съществен принос от изпълнение на проектното предложение ще бъде разширяването на концепцията за научни изследвания и техния ефект върху живота на хората, базирано на комплексните дейности, свързани с разработване на прототип до технологично ниво на готовност 7.

Основната цел на проектното предложение е получаване на микро- и наноструктури и микро- и наноструктурирани повърхности с определени свойства, насочени към демонстриране на техни ефективни приложения във високочувствителната детекция на вещества с висока социална значимост и такива, които съществено влияят върху ефективността на възобновяеми енергийни източници. Основният подход за получаване е базиран на лазерни методи, като цел е и демонстрирането на ефективността им в конкретното направление. В рамките на продължителността на проекта ще се демонстрират:

• Активни наноструктури, като сензори за детекция на нитрати и пестициди на базата на Повърхностно Усилена Раманова Спектроскопия, с чувствителност позволяваща детекция на реални образци, с концентрации по-ниски от максимално допустимата норма (където тя е регламентирана). Съществена особеност е разработването на системи с разширени области на ефективност;

• Резистивни газови сензори, базирани на микро- и наноструктури от метални оксиди, получени чрез импулсно лазерно отлагане. Демонстриране на висока чувствителност (детекция на концентрации по-ниски от максимално допустимата норма) по отношение на вредни газове (като N₂O) за околната среда и човешкото здраве;

• Структуриране и създаване на водоотблъскващи, противообрастващи и самопочистващи се повърхности на соларни панели, чрез фемтосекундна лазерна обработка, използвайки лазерно индуцирани самоформиращи се структури (LIPSS) и йерархични (микро-, нано-) морфологии, с цел, намаляване стойността на поддръжката им и увеличаване на тяхната производителност.

При получаването на наноструктури чрез импулсно лазерно отлагане ще бъде използвани елементи от излезли от употреба електронни компоненти, съдържащи благородни метали, като ще се оцени ефективността на този подход. Обектите на разработка ще бъдат оптимизирани и разработени до технологично ниво на готовност 7, което ще се докаже чрез ефективното им приложение в реални условия и с реални образци.

Работният план на проекта е разработен за ефективното изпълнение на поставените основни задачи. Той включва три основни работни пакета (РП) свързани съответно с:

• РП 1  – разработване на активни елементи за Повърхностно Усилена Раманова Спектроскопия (SERS) за детекция на нитрати и пестициди във води и растения. Работния пакет ще включва дейности свързани с двете подхода за намиране на високоефективни системи: 1) структури с променливи характеристики интегрирани в един образец; 2) структури, нанесени върху пиезоелемент. На базата на структурата (или структурите), които покажат най-добри характеристики, свързани с конкретното приложение, ще се разработят прототипи с ниво на технологична готовност 7.

• РП 2  – разработване на газови сензори за детекция на диазотен оксид в атмосферата. Работният пакет ще включва дейности от една страна по създаване на композитни порьозни тънки слоеве и/или наноструктури на основата на добре известни метални оксиди чрез импулсно лазерно отлагане с къси/ултракъси лазерни импулси. Ще бъдат проведени тестове по установяване на сензорното поведение на създадените образци под въздействието на различни газови компоненти и ще бъдат оптимизирани условията за синтеза им за получаване на висока чувствителност към N₂O. Получените образци ще бъдат основа за разработване на прототип на сензор на газ, вреден за околната среда и човешкото здраве, с ниво на технологична готовност 7.

• РП 3  – структуриране на външната повърхност на фотоволтаични панели с цел промяна на хидрофилността на повърхността и получаване на самопочистваши се повърхности. Създаване на йерархични микро, наноструктури (LIPSS) чрез лазерно-индуцирана обработка със свръх къси импулси, върху повърхности от стъкло/полимери, за повлияване на хидрофобните свойства. Ще бъде направен цялостен (химичен, физичен, топографски и морфологичен) анализ на влиянието на различните текстури, върху антиадхезивните свойства на частици от прах и други замърсители. Оптимизация на ефекта на омокряне ще бъде осъществен на базата на селекция от структури, водещи до по-добър ефект на самопочистване. Новосъздадените антиадхезивни, водоустойчиви, структури, ще доведат до самопочистващ ефект, който ще намери приложение за обработка на нови повърхности с подобрени антизамърсяващи свойства, и ще бъде разработен прототип с технологична готовност 7.

Трите работни пакета ще включват комплексни изследвания включващи дизайн и теоретична обосновка на експерименталните дейности; получаване на структури; тяхното характеризиране; оптимизиране на конкретни свойства; изследвания на тяхната ефективност при конкретните приложения в лабораторна среда; разработване на прототипи и демонстриране на ефективност при работа в реални условия и с реални проби. Между дейностите заложени трите работни пакета съществува значителна синергия. Те са базирани на основни ефекти и механизми на взаимодействие на лазерното лъчение с веществото и микро- и наноструктуриране. Информацията и резултатите получени при работата по всеки пакет може ефективно да се използва за планиране и оптимизиране на дейностите на другите. Същото се отнася и до разработените експериментални системи и теоретични модели, което ще доведе до значително редуциране на времето за получаване на структури с желани параметри и тяхното оптимизиране. В детайли, някои от структурите разработвани в рамките на РП 1 ще бъдат тествани и като системи за РП 2 и обратно. Това са основно ансамблите от наночастици, получени чрез лазерна аблация със свръхкъси импулси. Структурираните повърхности и познанията за ефекта на морфологията за промяна на хидрофобността, разработвани в РП 3, ще се използват и като база за получаване на структури за изпълнение на целите на РП 1.

Ръководител на проекта:

• чл . кор. проф. дфн Николай Недялков Недялков

Работен пакет 1:

• чл . кор. проф. дфн Николай Недялков Недялков (ръководител)
• гл. ас. д-р Росен Георгиев Ников
• гл. ас. д-р Румен Георгиев Ников
• физик Тошко Радев Стоянчов

Работен пакет 2:

• доц. д-р Анна Огнемирова Диковска (ръководител)
• доц. д-р Надя Евгениева Станкова
• доц. д-р Геновева Борисова Атанасова
• гл. ас. д-р Тина Пламенова Дилова

Работен пакет 3:

• доц. д-р Албена Тачева Даскалова (ръководител)
• гл. ас. д-р Александра Живкова Желязкова – Пейчева
• гл. ас. д-р Лилия Пламенова Ангелова
• ас. Емил Веселинов Филипов

---