Синтез и модификация наноструктурированного диоксида титана применительно к разработке бета-вольтаических элементов питания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Брацук Андрей Владимирович

• Брацук Андрей Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Брацук Андрей Владимирович

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Особенности разработки бета-вольтаических источников питания

1.1.1 История развития

1.1.2 Принцип работы единичного бета-вольтаического элемента

1.1.3 Особенности выбора источника бета-излучения

1.1.4 Полупроводниковые материалы для изготовления бета-вольтаических элементов

1.1.5 Факторы, влияющие на эффективность работы бета-вольтаического элемента

1.2 Применение наноструктурированного диоксида титана в бета-вольтаических источниках питания

1.3 Свойства диоксида титана

1.3.1 Структурные свойства

1.3.2 Физико-оптические свойства

1.3.3 Электрофизические свойства

1.4 Методы синтеза наноструктурированного диоксида титана

1.4.1 Матричный метод

1.4.2 Гидротермальный метод

1.4.3 Электрохимическое анодирование

1.5 Модификация наноструктурированного диоксида титана

1.5.1 Термическая обработка

1.5.2 Легирование

1.5.3 Нанесение частиц

1.5.4 Трансформация диоксида титана в гетероструктуры перовскита

1.6 Отделение пленок наноструктурированного диоксида титана от титановой подложки

1.6.1 Механические способы

1.6.2 Способы, основанные на изменении параметров анодирования

1.6.3 Химические способы

1.7 Заключение по проведенному литературному обзору

2 Методическая часть

2.1 Подготовка исходной подложки к анодированию

2.2 Синтез наноструктурированного диоксида титана методом электрохимического анодирования титана

2.3 Модификация аморфного наноструктурированного диоксида титана

2

2.4 Отделение пленок модифицированного наноструктурированного диоксида титана от титановой подложки

2.5 Создание электрических контактов

2.6 Оценка изменения электрических параметров полупроводниковых преобразователей при воздействии ионизирующего излучения космического пространства

2.7 Методы исследования образцов

2.7.1 Растровая электронная микроскопия

2.7.2 Рентгеновский фазовый анализ

2.7.3 Измерение вольтамперных характеристик единичных бета-вольтаических элементов

2.8 Выводы по главе

3 Влияние условий синтеза на морфологию и геометрические параметры нанотрубок из диоксида титана

3.1 Влияние содержания NH4F

3.2 Влияние содержания НЮ

3.3 Влияние истощения электролита

3.4 Влияние времени анодирования на толщину пленок наноструктурированного диоксида титана

3.5 Выводы по главе

4 Изменение электрических параметров полупроводниковых преобразователей на основе наноструктурированного диоксида титана при воздействии ионизирующего излучения космического пространства

4.1 Выводы по главе

5 Модификация наноструктурированного диоксида титана

5.1 Отжиг на воздухе и гидротермальная обработка в воде

5.2 Гидротермальная обработка в водном растворе 8г(ОИ)2

5.3 Выводы по главе

6 Основы создания полупроводниковых преобразователей из пленок наноструктурированного диоксида титана и титаната стронция

6.1 Этапы создания лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей

6.1.1 Анодирование титановой подложки

6.1.2 Отжиг в муфельной печи на анатаз

6.1.3 Рост аморфной прослойки

6.1.4 Гидротермальная обработка в водном растворе Sr(OH)2 для превращения ТЮ2 в SrTiOз

3

6.1.5 Отделение пленок наноструктурированного TiO2 и SrTiO3 от титановой подложки

6.1.6 Нанесение серебряных электрических контактов

6.2 Электронно-микроскопические исследования лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей

6.2.1 Полупроводниковый преобразователь из пленки наноструктурированного диоксида титана

6.2.2 Полупроводниковый преобразователь из пленки наноструктурированного диоксида титана

6.3 Измерение вольтамперных характеристик бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 и полупроводниковых преобразователей из пленок наноструктурированного TiÜ2 и SrTiÜ3

6.4 Выводы по главе

Основные выводы

Благодарности

Список использованных источников

Приложение А (Обязательное) Акт о внедрении № 1 от

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

В настоящей диссертационной работе применяют следующие сокращения и обозначения:

U х.х. - напряжение холостого хода

I к.з. - ток короткого замыкания

Pм - максимальная мощность

Уд. Pм - удельная максимальная мощность

Цгмм - напряжение в точке максимальной мощности

ЕЕ - коэффициент заполнения вольтамперной характеристики

4H-SiC - политип карбида кремния

ААО - пористая подложка из оксида алюминия Al2Oз

AСО - атомное слоевое осаждение

^2 НС - наноструктурированный диоксид титана (под этим определением

подразумевается анодный слой диоксид титана, синтезированный в виде матрицы из

вертикально ориентированных нанопор или нанотрубок, или их комбинаций)

АО «НИИ НПО «ЛУЧ» - Акционерное общество «Научно-исследовательский институт

научно-производственное объединение «ЛУЧ»

БВИП - бета-вольтаический источник питания

БВЭ - бета-вольтаический элемент

ВАХ - вольтамперные характеристики

ВУП-5 - вакуумный универсальный пост

ВЭО - высокая эллиптическая орбита

ГСО - геостационарная орбита

ИИ - ионизирующее излучение

КА - космический аппарат

КПД - коэффициент полезного действия

Нанопоры ^2 - нанопоры из диоксида титана

Нанопоры SrTiOз - нанопоры из титаната стронция

Нанотрубки ^2 - нанотрубки из диоксида титана

НУ - нормальные условия

ОПЗ - область пространственного заряда

ПП - полупроводниковый преобразователь

РСМА - рентгеноспектральный микроанализ

РФА - рентгенофазовый анализ

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

РЭМ - растровый электронный микроскоп

ЭГ - этиленгликоль

ЭДП - электронно-дырочные пары

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и модификация наноструктурированного диоксида титана применительно к разработке бета-вольтаических элементов питания»

Актуальность проблемы

В 21 веке нанотехнологии стремительно развиваются. На их основе создаются различные устройства микроэлектроники с потреблением энергетической мощности в интервале от нескольких десятков нановатт до единиц милливатт. Для ниши энергопотребления такого порядка возникло самостоятельное направление -«Бета-вольтаика», посвященное разработке перспективных источников питания -бета-вольтаических, обладающих высокой надежностью, автономностью, стабильной безопасной работой, имеющих компактные размеры и длительный срок службы, исчисляемый десятками лет. Такие источники питания имеют высокую удельную энергоемкость, превосходящую энергоемкость современных химических источников тока. Они стабильны при температурах от минус 55 до плюс 125 °С без потери выходных параметров. Стоит отметить, что бета-излучение имеет слабую проникающую способность и не оказывает критического воздействия на компоненты энергоснабжаемой аппаратуры.

В России разработки по радиационным источникам питания с прямым преобразованием энергии распада радиоизотопов в электрическую вошли в Федеральную Целевую программу «Приоритетные направления развития науки и техники на 2010 год и перспективу до 2015 года». В настоящее время интерес проявляют организации различных научно-технических направлений: космической отрасли, микроэлектроники, Российской академии наук и др. Таким образом, создание бета-вольтаических источников питания с повышенной энергоемкостью является актуальной задачей.

Бета-вольтаический источник питания, как правило, состоит из совокупности единичных бета-вольтаических элементов, которые в свою очередь состоят из источника бета-излучения и полупроводникового преобразователя энергии бета-излучения в электрическую. Бета-вольтаическое преобразование энергии имеет сходство с фотоэлектрическим, однако отличается от него из-за значительной разницы в объемном распределении зарядов, образующихся в полупроводниковой структуре.

Несмотря на преимущества бета-вольтаических источников питания, технология их создания и выходные электрические параметры находятся на недостаточном техническом уровне и, в связи с этим, возникает несколько принципиально важных задач, как-то:

- выбор источника бета-излучения;

- выбор материала полупроводникового преобразователя и создание на его основе полупроводниковой структуры;

- исследование совместимости источника бета-излучения с полупроводниковыми преобразователями, создание на их основе бета-вольтаических элементов;

- разработка конструктивно-технологических решений, способов коммутации бета-вольтаических элементов для сборки бета-вольтаического источника питания, гарантирующих его заданные электрические параметры и требования радиационной безопасности.

На основе широко исследованного и технологичного монокристаллического кремния создано множество бета-вольтаических источников питания с применением различных изотопов бета-излучения. Однако использование кремния в бета-вольтаических источниках питания ограничено низкими напряжениями, низким коэффициентом полезного действия и невысокой радиационной стойкостью по сравнению с полупроводниками, имеющими высокое значение ширины запрещенной зоны.

В настоящей работе в качестве источника бета-излучения предлагается использовать изотоп никель-63, преимущества которого заключаются в безопасности, технологичности, чистоте и мягкости бета-излучения, не создающего в полупроводниках критических радиационных дефектов. В качестве полупроводникового преобразователя предлагается использовать диоксид титана, являющийся полупроводником и-типа и обладающий высокой радиационной стойкостью. Диоксид титана имеет относительно широкую запрещенную зону (3,2 эВ для анатаза) и возможность создания развитой поверхности нанотрубчатой или нанопористой структуры с помощью простого электрохимического анодирования. Развитая структура диоксида титана и его широкая запрещенная зона увеличивают шансы на создание бета-вольтаических элементов с высокой удельной мощностью.

Степень разработанности темы исследования

Анализ современного состояния исследований в области разработки и создания бета-вольтаических элементов на основе радиоизотопа никель-63 и полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана обнаруживает отсутствие современных отечественных работ в данной области. Единственными зарубежными разработчиками, кто поднимал вопрос создания бета-вольтаических элементов с такими составляющими, являются сотрудники Китайского Сямыньского университета. В китайских работах описываются бета-вольтаические элементы, созданные на основе полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана, синтезированного на толстых ~ (100-300) мкм титановых подложках, и никеля-63 низкой активности порядка ~ 3,5 Ки/г.

Повышение обогащения никеля по изотопу никель-63 позволит увеличить выходные электрические параметры бета-вольтаических элементов. Так, в настоящей работе используется никель-63 активностью ~ 10 Ки/г в виде фольги толщиной в диапазоне

от 1,5 до 2,0 мкм, которым в настоящий момент располагает АО «НИИ НПО «ЛУЧ». В литературных источниках на настоящий момент не обнаружено полученных на практике результатов по исследованию бета-вольтаического эффекта полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана, находящихся в контакте с никелем-63 активностью ~ 10 Ки/г.

Таким образом, создание бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г и полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана является весьма актуальной задачей, решение которой позволит создать бета-вольтаические источники питания с высокой удельной мощностью и расширить возможности их применения.

Цель работы

Целью работы явилось создание бета-вольтаического элемента питания на основе перспективного долгоживущего изотопа никель-63 и полупроводникового преобразователя из наноструктурированного диоксида титана.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- на основании анализа литературных данных из смежных областей науки и техники выбраны и апробированы: метод синтеза наноструктурированного диоксида титана, способы его модификации и прием отделения пленок на его основе от титановой подложки;

- выявлены закономерности по влиянию условий синтеза на морфологические и геометрические параметры пленок наноструктурированного диоксида титана;

- установлено влияние воздействия ионизирующего излучения космического пространства на электрические параметры полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана в составе бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г;

- продемонстрировано влияние выбранных методов модификации на морфологические параметры поверхности наноструктурированного диоксида титана;

- установлено влияние выбранных методов модификации на электрические параметры полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана в составе бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г;

- разработаны основы технологии создания полупроводниковых преобразователей из пленок модифицированного наноструктурированного диоксида титана;

- изготовлены лабораторные образцы полупроводниковых преобразователей из пленок модифицированного наноструктурированного диоксида титана для создания бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г;

- созданы бета-вольтаические элементы на основе фольги из никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г и лабораторных образов полупроводниковых преобразователей из пленок модифицированного наноструктурированного диоксида титана, измерены их электрические параметры.

Научная новизна работы

1 Впервые экспериментальным путем продемонстрировано изменение электрических параметров полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана в составе бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г при воздействии ионизирующего излучения космического пространства, смоделированного статическим гамма-излучением (поглощенная доза ~ 5 103 Гр) и нейтронным импульсом (флюенс ~ 1-1014 нейтрон/см2).

2 Впервые установлены закономерности изменения электрических параметров полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана в составе бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г от времени гидротермальной обработки в растворе Sr(OH)2 с концентрацией 0,05 моль/л, произведенной в течение 1 ч, 2 ч и 3 ч, при температуре 180 °С

3 Впервые получены электрические параметры единичных бета-вольтаических элементов на основе фольги из никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г и лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей толщиной порядка 18 мкм из пленок наноструктурированного диоксида титана фазы анатаз: U х.х. = (0,70±0,01) В; I к.з. = (2,00 ± 0,15) нА; Pм = (0,20 ± 0,05) нВт в точке Цгмм = (0,30 ± 0,02) В.

4 Впервые получены электрические параметры единичных бета-вольтаических элементов на основе фольги из никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г и лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей толщиной порядка 15 мкм из пленок наноструктурированного титаната стронция: U х.х. = (1,30 ± 0,01) В; I к.з. = (3,70 ± 0,09) нА; Pм = (1,02 ± 0,06) нВт в точке Шмм = (0,80 ± 0,02) В.

Практическая значимость работы

Разработаны и созданы лабораторные образцы полупроводниковых преобразователей толщиной порядка 18 мкм на основе пленок наноструктурированного диоксида титана фазы анатаз.

Разработаны и созданы лабораторные образцы полупроводниковых преобразователей толщиной порядка 15 мкм на основе пленок наноструктурированного титаната стронция.

Практическая значимость работы заключается в разработке бета-вольтаических элементов на основе фольги из никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г и полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана для изготовления бета-вольтаического источника питания мощностью от нескольких десятков нановатт до нескольких единиц микроватт, который способен обеспечить энергопитание устройств с ультранизким потреблением энергии, становящихся все более распространенными в микроэлектронике.

Результаты исследований и изготовленные единичные бета-вольтаические элементы на основе фольги из никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г и полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана использовались при разработке и изготовлении ядерной батареи, являющейся составной частью модуля радиоизотопного источника питания для электронных устройств периодической активации, разработанного АО «НИИ НПО «ЛУЧ» по договору с АО «Наука и инновации» в рамках Единого отраслевого тематического плана ГК «Росатом» (в Приложении А представлен акт о внедрении № 1 от 17.11.2022).

Результаты, полученные в настоящей работе, представляют интерес для специалистов, работающих в области создания бета-вольтаических источников питания и солнечных батарей, и разработчиков микроэлектронных устройств с потреблением энергии до нескольких микроватт.

Основные положения, выносимые на защиту

1 Вариации содержания NH4F от 0,1 до 1 мас. % при 3 мас. % ШО и Н2О от 1 до 10 мас. % при 0,4 мас. % NH4F в электролите на основе этиленгликоля приводят к закономерным изменениям морфологии поверхности наноструктурированного диоксида титана, синтезированного методом электрохимического анодирования на титановой подложке при напряжении (55 ± 1) В, выраженным в увеличении диаметра нанопор / нанотрубок и их форменных превращениях.

2 Воздействие ионизирующего излучения космического пространства, смоделированное статическим гамма-излучением до поглощенной дозы ~ 5 103 Гр и нейтронным импульсом флюенсом ~ 11014 нейтрон/см2, не вызывает морфологических изменений поверхности полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана и не приводит к снижению их электрических параметров в составе бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г, в следствие чего представляется возможным их использование на борту космических аппаратов.

3 При увеличении времени гидротермальной обработки полупроводниковых преобразователей из наноструктурированного диоксида титана от 1 до 3 ч в растворе Sr(OH)2 с концентрацией 0,05 моль/л при температуре 180 °С происходят закономерные изменения их электрических параметров в составе бета-вольтаических элементов на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г, выраженные в возрастании напряжения холостого хода, тока короткого замыкания, максимальной мощности и точки максимальной мощности.

4 Разработанные основы технологии создания лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей из пленок наноструктурированного диоксида титана фазы анатаз и наноструктурированного титаната стронция позволяют увеличить удельную мощность бета-вольтаических элементов, отнесенную к массе или объему.

5 Единичные бета-вольтаические элементы на основе фольги из никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г и лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей из пленок наноструктурированного диоксида титана фазы анатаз и наноструктурированного титаната стронция продемонстрировали увеличение электрических параметров сравнительно с аналогичными бета-вольтаическими элементами, имеющими в составе титановые подложки.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Полученные результаты подтверждаются применением общепризнанных методов исследования, современного сертифицированного оборудования, воспроизводимостью результатов и оценкой погрешности измерений. Измерительные приборы имели действующие свидетельства о поверке. Анализ результатов проведен в соответствии с современными представлениями о строении и свойствах наноструктурированного диоксида титана и его соединений. Экспериментальные результаты, полученные методами растровой электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа и рентгенофазового анализа, согласуются между собой. Теоретические гипотезы не противоречат аналитическому заключению по литературным источникам и экспериментальным результатам.

Методы исследования

При выполнении работы использованы: методы растровой электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа и рентгенофазового анализа; методики для измерения вольтамперных характеристик и электрических параметров единичных бета-вольтаических элементов; программа и методика «Расчетно-экспериментальная оценка радиационной стойкости модуля радиоизотопного источника питания для

электронных устройств периодической активации и его составных частей к воздействию ионизирующего излучения» рег. № 8-03/81-154/22 от 03.11.2022.

Личный вклад автора

Автор работы принимал непосредственное участие: в постановке задач; в поиске, отборе и анализе литературных данных; в экспериментах по синтезу, модификации, отделению пленок модифицированного наноструктурированного диоксида титана от титановой подложки, напылению серебряных контактов; в исследованиях вольтамперных характеристик и электрических параметров единичных бета-вольтаических элементов; в обобщении и систематизации полученных результатов. Автор, исходя из анализа современных литературных источников и результатов проведенных исследований, разработал основы технологии создания лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей из пленок наноструктурированного диоксида титана фазы анатаз и наноструктурированного титаната стронция, снижающих массогабаритные характеристики бета-вольтаических элементов, тем самым повышающих их удельную мощность.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях и семинарах:

- III всероссийская научная конференция стажёров и научных руководителей (08 ноября 2023 г., Москва, АО «Наука и инновации»);

- 21-я международная школа-конференция «Новые материалы: Перспективные технологии получения материалов и методы их исследования» (17-19 октября 2023 г., Москва, НИЯУ МИФИ);

- всероссийский семинар «Автономные радиоизотопные источники питания и накопители энергии нового поколения» (26 января 2023 г., г. Заречный, Свердловская область, АО «ИРМ»);

- всероссийский научно-практический семинар по перспективным направлениям НИОКР в области освоения космоса (28 июля 2022 г., Москва, Центр аналитических исследований и разработок, ЧУ «Наука и инновации»);

- международная конференция российских молодых исследователей в области электротехники и электроники (2022 Е1СопЯш) (25-28 января 2022 г., Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»);

- всероссийский семинар «Автономные радиоизотопные источники питания и накопители энергии нового поколения» (15 декабря 2021 г., г. Заречный, Свердловская область, АО «ИРМ»);

- 19-я международная школа-конференция «Новые материалы: Перспективные технологии получения материалов и методы их исследования» (14-16 декабря 2021 г. Москва, НИЯУ МИФИ);

- I всероссийская научная конференция стажёров и научных руководителей (18 ноября 2021 г., Москва, АО «Наука и инновации»);

- XV всероссийская отраслевая научно-техническая конференция «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» (15-16 сентября 2021 г., Нижний Новгород, Филиал РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова»).

Результаты диссертационной работы использованы в АО «НИИ НПО «ЛУЧ» в рамках изготовления ядерных батарей, о чем выпущен акт № 1 от 17.11.2022 «О внедрении основ технологии создания лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей из пленок модифицированного наноструктурированного диоксида титана», представленный в Приложении А.

Публикации

По теме работы опубликованы 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, одна из которых индексируется в системе цитирования Scopus; 1 статья в сборнике трудов международной конференции, индексируемая в Scopus; 1 статья в российском отраслевом сборнике трудов конференции, входящем в перечень РИНЦ; 6 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, библиографии, 1 приложения. Работа изложена на 135 страницах, содержит 78 рисунков, 15 таблиц и 135 библиографических названий.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Особенности разработки бета-вольтаических источников питания 1.1.1 История развития

Разработка новых источников питания с длительным сроком службы и без необходимости регулярного обслуживания является в настоящее время одной из наиболее актуальных проблем развития мобильных устройств, длительное время находящихся в удалении от стационарных источников питания. Бета-вольтаические источники питания (БВИП) обладают хорошим потенциалом для решения таких задач. Их применение возможно в распределенных системах электропитания, автономных датчиках и сенсорах, системах безопасности и биомедицинском оборудовании.

Удельная энергоемкость у БВИП выше, чем у широко применяемых химических источников тока и литиевых батарей (рисунок 1.1) [1]. Более того, срок службы БВИП может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен лет. Такие источники питания обладают небольшой массой, крошечными размерами и могут быть интегрированы на кристалле полупроводниковых приборов без ущерба для окружающей среды. Основное ограничение для таких источников питания заключается в низкой выходной мощности, которая пока способна обеспечить энергией только нановаттные приборы [2].

и

и н М

л"

К

и

о к

г

о 7. к

г: И л г

Ф

Ч >>

\ л ' ' Супер- ,4 .

ковлевсаторы Теп. Л1ГТ токз ювые хпмпческпе :евые источника ЕШТ^ Литии - окспга- Ае логевпдвые бат батарее М. Хп ВО] яреи 6а1 г алло-арев

иъохь иъа. Топливные элементы РИТЭГ

Лптпевые п< вторичные ( ■рвпчные в атарев

Бета-вольта гческие

батарев

0.01 ОЛ I Ю ЮО 1.000

Удельная энергоемкость, Втч/кг

Рисунок 1.1 - Сравнение известных батарей различного типа действия [ 1]

БВИП можно использовать в сочетании с химическими источниками тока, в том числе аккумуляторными батареями и суперконденсаторами, для непрерывной подзарядки [3]. Данное направление эффективно для приборов, работающих в импульсном режиме, например, радиочастотных идентификационных датчиков.

Первые сообщения о разработке БВИП на основе бета-излучающих изотопов стронций-90 и иттрий-90 активностью 50 мКи и кремниевого полупроводникового преобразователя с р-п переходом были сделаны в середине 1950-х годов [4]. В этом БВИП получено 0,8 мкВт электрической мощности при очень низком коэффициенте полезного действия (КПД) ~ 0,4 %, причем авторы зафиксировали радиационные повреждения в полупроводнике. С этого момента появился интерес к повышению стабильности и эффективности преобразования энергии в бета-вольтаических элементах (БВЭ).

В 1970-е годы активно исследовались БВИП на основе прометия-147. Научная группа Ларри Олсена разработала БВИП на основе изотопа прометий-147 и полупроводникового преобразователя (ПП) из кремния, эффективность преобразования энергии которого достигла ~ 4 % [5-6]. Однако при работе устройства обнаружены дозиметрические проблемы, вызванные побочным гамма-излучением сопутствующего изотопа прометий-146.

В этот же период в СССР при изготовлении атомных батарей использовались очищенные радиоисточники излучения на основе изотопа прометий-147. Очистка способствовала уменьшению альфа- и бета-активных примесей изотопов, способных привести к разрушению р-п переходов кремниевых 1111 [7]. КПД таких батарей составил ~ 1 % при мощности от 0,040 до 2,3 мВт [8].

Интерес к радиационно-стимулируемым источникам энергии возобновился в начале 21 века и длится до настоящего времени. Это обусловлено качественным технологическим развитием направлений по наработке изотопов бета-излучения и по изготовлению полупроводниковых материалов. Разрабатываются и исследуются тонкопленочные двумерные, а также объемные трехмерные микро- и наноструктурированные полупроводниковые материалы с развитой поверхностью высокого качества и сложной геометрией полупроводниковых структурных переходов большой площади.

Существующие конструкции БВИП требуют оптимизации как методов нанесения радиоизотопов и минимизации самопоглощения энергии бета-частиц, так и технологии создания ПП.

1.1.2 Принцип работы единичного бета-вольтаического элемента

Работа БВЭ основана на принципе преобразования энергии бета-излучения, возникающего в результате самопроизвольного радиоактивного распада нестабильных изотопов, в электрическую энергию внутри рабочего тела полупроводника [9]. Традиционный БВЭ состоит из радиоизотопа бета-излучения и полупроводникового кристалла с полупроводниковой структурой, например, р-п переходом (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Принцип работы классического БВЭ [10]

Наиболее простым путем к пониманию принципов работы БВЭ является его сравнение с фотоэлементом. В обоих случаях при работе элемента происходит генерация электронно-дырочных пар (ЭДП) за счет взаимодействия ионизирующего излучения (ИИ) - фотонов в фотоэлементах и электронов в БВЭ - с полупроводником, вблизи или внутри области пространственного заряда (ОПЗ) р-п перехода. Дырки ускоряются внутренним полем р-п перехода к р-контакту, электроны - к п-контакту, ЭДП за пределами ОПЗ быстро рекомбинируют и практически не вносят вклада в общий электрический ток. Принципиальная разница заключается в механизме взаимодействия возбуждающего воздействия с полупроводником. В фотоэлементе образуется по одной ЭДП на эффективно поглощенный фотон. Фототок, возникающий в базовом фотоэлементе под действием фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, пропорционален потоку фотонов и не зависит от их энергии [9].

При попадании в БВЭ бета-частицы с энергией в диапазоне от 1 до 100 кэВ происходит ионизация атомов и образуется множество ЭДП вдоль траектории движения бета-частицы. В указанном диапазоне энергий (до 100 кэВ) ионизация с последующим образованием ЭДП является доминирующим процессом, поэтому количество

генерируемых ЭДП можно с хорошей точностью считать пропорциональным энергии внешней бета-частицы. Под действием статического электрического поля полупроводниковой структуры эти пары образуют электрический ток, величина которого пропорциональна произведению потока бета-частиц и их энергии. Однако не вся кинетическая энергия бета-частиц способствует образованию ЭДП, часть энергии расходуется на генерацию фононов [11].

1.1.3 Особенности выбора источника бета-излучения

При всем разнообразии радиоактивных веществ выбор оптимального радиоизотопа для использования в БВИП является непростой задачей, так как абсолютное большинство изотопов испускает несколько видов излучений, включая вредное для здоровья человека гамма-излучение. Поэтому к радиоактивному веществу предъявляются особые требования:

- радиоактивный материал должен быть чистым бета-источником;

- период полураспада > 10 лет;

- максимальная энергия ионизирующих частиц не должна превышать энергию дефектообразования в полупроводниковом материале [9].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Брацук Андрей Владимирович, 2024 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Adams T. E., Revankar S. T. Research, development, and evaluation capabilities for betavoltaic power sources // 2015 ASEE Annual Conference & Exposition. - 2015. -С. 26.1334. 1-26.1334. 15.

2 Revankar S. T., Adams T. E. Advances in betavoltaic power sources // J. Energy Power Sources. - 2014. - Т. 1. - №. 6. - С. 321-329.

3 Ulmen B. et al. Development of diode junction nuclear battery using 63Ni // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2009. - Т. 282. - №. 2. - С. 601-604.

4 Rappaport P. The electron-voltaic effect in p- n junctions induced by beta-particle bombardment // Physical Review. - 1954. - Т. 93. - №. 1. - С. 246.

5 Olsen L. C. Advanced betavoltaic power sources // 9th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. - 1974. - С. 754-762.

6 Olsen L. C. Review of betavoltaic energy conversion // NASA. Lewis Research Center, Proceedings of the 12th Space Photovoltaic Research and Technology Conference (SPRAT 12). -1993.

7 Изотопы: свойства, получение, применение / Под ред. В.Ю. Баранова. -М.: Физматлит, 2000. - 728 с.

8 Кодюков В.М., Рагозинский А.И., Пустовалов А.А., Терентьев В.П., и др. Радиоизотопные источники электрической энергии / Под ред. Г.М. Фрадкина. -М.: Атомиздат, 1984. - 234 с.

9 Краснов А. А., Леготин С. А. Достижения в области разработки бетавольтаических источников питания (обзор) // Приборы и техника эксперимента. - 2020. - №. 4. - С. 5-22.

10 Cabauy P. et al. Micropower betavoltaic hybrid sources // 44th Power Sources Conference. - 2010. - С. 14-17.

11 Краснов А. А., Трощиев С. Ю. Разработка бетавольтаического элемента на основе синтетического алмаза и оценка его электрических параметров // Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. - 2016. - №. 2. - С. 21-31.

12 Shapiro S. J., Shapiro S. Radiation protection: a guide for scientists, regulators, and physicians. - Harvard University Press, 2011.

13 Ellis B. L. et al. Titanium tritide films as betavoltaic power sources // Fusion Science and Technology. - 2017. - Т. 71. - №. 4. - С. 660-665.

14 Li H. et al. Simulations about self-absorption of tritium in titanium tritide and the energy deposition in a silicon Schottky barrier diode // Applied Radiation and Isotopes. - 2012. - Т. 70. -№. 11. - С. 2559-2563.

15 Лазаренко Ю. В., Пустовалов А. А., Шаповалов В. П. Малогабаритные ядерные источники электрической энергии. - М. : Энергоатомиздат, 1992. - 207 с.

16 Klein C. A. Bandgap dependence and related features of radiation ionization energies in semiconductors // Journal of Applied Physics. - 1968. - Т. 39. - №. 4. - С. 2029-2038.

126

17 Yacobi B.G., Holt D.B. Cathodoluminescence Microscopy of Inorganic Solids. - New York; London: Plenum press, 1990. - 292 с.

18 Liu Y. et al. Influences of planar source thickness on betavoltaics with different semiconductors // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2015. - Т. 304. - №. 2. -С. 517-525.

19 Sun W. et al. A Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. - 2005. - Т. 17. - №. 10. - С. 1230-1233.

20 Qiang Zhang, Ranbin Chen, Haisheng San, Guohua Liu, Kaiying Wang Betavoltaic microbatteries using TiO2 nanotube arrays // IEEE TRANSDUCERS / 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems. - 2015 - С. 1909-1912.

21 Yang Ma, Na Wang, Jiang Chen, Changsong Chen, Haisheng San, Jige Chen, Zhengdong Cheng Betavoltaic enhancement using defect-engineered TiO2 nanotubearrays through electrochemical reduction in organic electrolytes // Applied Materials & Interfaces . - 2018. - Т. 10. -№. 26. - С. 22174-22181.

22 Changsong Chen, Na Wang, Peng Zhou, Haisheng San, Kaiying Wang, Xuyuan Chen Electrochemically reduced graphene oxide on well-aligned titanium dioxide nanotube arrays for betavoltaic enhancement // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2016. - Т. 8. -№. 37. - С. 24638-24644.

23 Радиоизотопные автономные источники питания (АИП). Аналитический отчет / Архангельский Н.В., Пономарев А.В., Птицын П.Б., Сафиканов Д.И. - М.: ЦАИР, частное учреждение «Наука и инновации», 2022. - 98 c.

24 Krasnov A., Legotin S., Kuzmina K., Ershova N., Rogozev B. A nuclear battery based on silicon pin structures with electroplating 63Ni layer // Nuclear Engineering and Technology. - 2019. -Т.51. - № 8. - С. 1978-1982.

25 Электрохимическое модифицирование титана в водноорганических электролитах: монография / Марьева Е.А., Попова О.В.; Южный федеральный университет. - Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2016. - 151 с.

26 Landmann M., Rauls E., Schmidt W. G. The electronic structure and optical response of rutile, anatase and brookite TiO2 // Journal of physics: condensed matter. - 2012. - Т. 24. - №. 19. -С. 195503.

27 Mo S. D., Ching W. Y. Electronic and optical properties of three phases of titanium dioxide: Rutile, anatase, and brookite //Physical review B. - 1995. - Т. 51. - №. 19. - С. 13023.

28 Carp O., Huisman C. L., Reller A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide // Progress in solid state chemistry. - 2004. - Т. 32. - №. 1-2. - С. 33-177.

29 Hu Y., Tsai H. L., Huang C. L. Effect of brookite phase on the anatase-rutile transition in titania nanoparticles // Journal of the European Ceramic Society. - 2003. - Т. 23. - №. 5. -С. 691-696.

30 Chen X., Mao S. S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications // Chemical reviews. - 2007. - Т. 107. - №. 7. - С. 2891-2959.

127

31 Cromer D. T., Herrington K. The structures of anatase and rutile // Journal of the American Chemical Society. - 1955. - T. 77. - №. 18. - C. 4708-4709.

32 Baur W. H. Atomabstände und bindungswinkel im brookit, TiO2 //Acta Crystallographica. - 1961. - T. 14. - №. 3. - C. 214-216.

33 Barakat M. A., Hayes G., Shah S. I. Effect of cobalt doping on the phase transformation of TiO2 nanoparticles // Journal of nanoscience and nanotechnology. - 2005. - T. 5. - №. 5. -C. 759-765.

34 Banfield J. F. et al. Thermodynamic analysis of phase stability of nanocrystalline titania // Journal of Materials Chemistry. - 1998. - T. 8. - №. 9. - C. 2073-2076.

35 Zhang H., Banfield J. F. Understanding polymorphic phase transformation behavior during growth of nanocrystalline aggregates: insights from TiO2 // The Journal of Physical Chemistry B. -2000. - T. 104. - №. 15. - C. 3481-3487.

36 Ranade M. R. et al. Energetics of nanocrystalline TiO2 //Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2002. - T. 99. - №. suppl 2. - C. 6476-6481.

37 Gennari F. C., Pasquevich D. M. Kinetics of the anatase-rutile transformation in TiO2 in the presence of Fe2O3 // Journal of Materials Science. - 1998. - T. 33. - №. 6. - C. 1571-1578.

38 Arbiol J. et al. Effects of Nb doping on the TiO 2 anatase-to-rutile phase transition // Journal of Applied Physics. - 2002. - T. 92. - №. 2. - C. 853-861.

39 Ye X. et al. Thermoanalytical characteristic of nanocrystalline brookite-based titanium dioxide //Nanostructured materials. - 1997. - T. 8. - №. 7. - C. 919-927.

40 So W. W. et al. The crystalline phase stability of titania particles prepared at room temperature by the sol-gel method //Journal of Materials Science. - 2001. - T. 36. - №. 17. -C. 4299-4305.

41 Gamboa J. A., Pasquevich D. M. Effect of chlorine atmosphere on the anatase-rutile transformation //Journal of the American Ceramic Society. - 1992. - T. 75. - №. 11. - C. 2934-2938.

42 Wisitsoraat A. et al. Characterization of n-type and p-type semiconductor gas sensors based on NiOx doped TiO2 thin films //Thin Solid Films. - 2009. - T. 517. - №. 8. - C. 2775-2780.

43 Asahi R. et al. Electronic and optical properties of anatase TiO2 // Physical Review B. -2000. - T. 61. - №. 11. - C. 7459.

44 Hosaka N. et al. Optical properties of single-crystal anatase TiO2 // Journal of the Physical Society of Japan. - 1997. - T. 66. - №. 3. - C. 877-880.

45 Amtout A., Leonelli R. Optical properties of rutile near its fundamental band gap // Physical Review B. - 1995. - T. 51. - №. 11. - C. 6842.

46 Glassford K. M., Chelikowsky J. R. Optical properties of titanium dioxide in the rutile structure // Physical Review B. - 1992. - T. 45. - №. 7. - C. 3874.

47 Koelsch M. et al. Electrochemical comparative study of titania (anatase, brookite and rutile) nanoparticles synthesized in aqueous medium //Thin Solid Films. - 2004. - T. 451. - C. 86-92.

48 Li J. G., Ishigaki T., Sun X. Anatase, brookite, and rutile nanocrystals via redox reactions under mild hydrothermal conditions: phase-selective synthesis and physicochemical properties // The Journal of Physical Chemistry C. - 2007. - Т. 111. - №. 13. - С. 4969-4976.

49 Zhao Y. et al. Synthesis and optical properties of TiO2 nanoparticles // Materials Letters. -2007. - Т. 61. - №. 1. - С. 79-83.

50 Thompson T. L., Yates J. T. Surface science studies of the photoactivation of TiO2 new photochemical processes //Chemical reviews. - 2006. - Т. 106. - №. 10. - С. 4428-4453.

51 Tang H. et al. Electrical and optical properties of TiO2 anatase thin films //Journal of applied physics. - 1994. - Т. 75. - №. 4. - С. 2042-2047.

52 Гуревич В. Я., Плесков Ю. В. Фотоэлектрохимия полупроводников. М.: Наука, 1983.

- 312 с

53 Morrison S. R., Morrison S. R. Electrochemistry at semiconductor and oxidized metal electrodes. - New York : Plenum Press, 1980. - Т. 126.

54 Ou H. H., Lo S. L. Review of titania nanotubes synthesized via the hydrothermal treatment: Fabrication, modification, and application // Separation and Purification Technology. - 2007. - Т. 58.

- №. 1. - С. 179-191.

55 Yun J. H. et al. One-dimensional TiO2 nanostructured photoanodes: from dye-sensitised solar cells to perovskite solar cells // Energies. - 2016. - Т. 9. - №. 12. - С. 1030.

56 Qiu J. et al. Branched double-shelled TiO 2 nanotube networks on transparent conducting oxide substrates for dye sensitized solar cells // Journal of Materials Chemistry. - 2012. - Т. 22. -№. 44. - С. 23411-23417.

57 Kim J. H. et al. Synthesis and characterization of anatase TiO2 nanotubes with controllable crystal size by a simple MWCNT template method // Journal of Solid State Chemistry. - 2012. -Т. 196. - С. 435-440.

58 Lee J. et al. A hydrogen gas sensor employing vertically aligned TiO2 nanotube arrays prepared by template-assisted method // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2011. - Т. 160. -№. 1. - С. 1494-1498.

59 Pang Y. L. et al. A critical review on the recent progress of synthesizing techniques and fabrication of TiO2-based nanotubes photocatalysts // Applied Catalysis A: General. - 2014. -Т. 481. - С. 127-142.

60 Zavala M. Á. L., Morales S. A. L., Ávila-Santos M. Synthesis of stable TiO2 nanotubes: effect of hydrothermal treatment, acid washing and annealing temperature // Heliyon. - 2017. -Т. 3. - №. 11. - С. e00456.

61 Macak J. M. et al. TiO2 nanotubes: Self-organized electrochemical formation, properties and applications // Current Opinion in Solid State and Materials Science. - 2007. -Т. 11. - №. 1-2. - С. 3-18.

62 Roy P., Berger S., Schmuki P. TiO2 nanotubes: synthesis and applications // Angewandte Chemie International Edition. - 2011. - Т. 50. - №. 13. - С. 2904-2939.

63 Su Z., Zhou W. Formation mechanism of porous anodic aluminium and titanium oxides // Advanced materials. - 2008. - T. 20. - №. 19. - C. 3663-3667.

64 Beranek R., Hildebrand H., Schmuki P. Self-organized porous titanium oxide prepared in H2SO4/HF electrolytes // Electrochemical and solid-state letters. - 2003. - T. 6. - №. 3. - C. B12.

65 Wang D. et al. TiO2 nanotubes with tunable morphology, diameter, and length: synthesis and photo-electrical/catalytic performance // Chemistry of Materials. - 2009. - T. 21. - №. 7. -C. 1198-1206.

66 Varghese O. K. et al. Crystallization and high-temperature structural stability of titanium oxide nanotube arrays // Journal of Materials Research. - 2003. - T. 18. - №. 1. - C. 156-165.

67 Yang L. X. et al. A review on TiO2 nanotube arrays: fabrication, properties, and sensing applications // Chinese science bulletin. - 2010. - T. 55. - №. 4. - C. 331-338.

68 Lu N. et al. Fabrication of boron-doped TiO2 nanotube array electrode and investigation of its photoelectrochemical capability // The Journal of Physical Chemistry C. - 2007. - T. 111. -№. 32. - C. 11836-11842.

69 Kongkanand A. et al. Quantum dot solar cells. Tuning photoresponse through size and shape control of CdSe- TiO2 architecture // Journal of the American Chemical Society. - 2008. - T. 130. -№. 12. - C. 4007-4015.

70 Kuang S. et al. Fabrication, characterization and photoelectrochemical properties of Fe2O3 modified TiO2 nanotube arrays // Applied Surface Science. - 2009. - T. 255. - №. 16. - C. 7385-7388.

71 Yang L., Yang W., Cai Q. Well-dispersed PtAu nanoparticles loaded into anodic titania nanotubes: a high antipoison and stable catalyst system for methanol oxidation in alkaline media // The Journal of Physical Chemistry C. - 2007. - T. 111. - №. 44. - C. 16613-16617.

72 Yang L. et al. Graphitized carbon nanotubes formed in TiO2 nanotube arrays: A novel functional material with tube-in-tube nanostructure // The Journal of Physical Chemistry C. - 2008. -T. 112. - №. 24. - C. 8939-8943.

73 Huo K. et al. Fabrication, modification, and biomedical applications of anodized TiO2 nanotube arrays // RSC Advances. - 2014. - T. 4. - №. 33. - C. 17300-17324.

74 Yang Y., Wang X., Li L. Crystallization and phase transition of titanium oxide nanotube arrays // Journal of the American Ceramic Society. - 2008. - T. 91. - №. 2. - C. 632-635.

75 Alsawat M. et al. Influence of dimensions, inter-distance and crystallinity of titania nanotubes (TNTs) on their photocatalytic activity // Catalysis Science & Technology. - 2014. -T. 4. - №. 7. - C. 2091-2098.

76 Muscat J., Swamy V., Harrison N. M. First-principles calculations of the phase stability of TiO 2 // Physical Review B. - 2002. - T. 65. - №. 22. - C. 224112.

77 Kumar K. N. P., Keizer K., Burggraaf A. J. Textural evolution and phase transformation in titania membranes: Part 1.—Unsupported membranes // Journal of Materials Chemistry. - 1993. -T. 3. - №. 11. - C. 1141-1149.

78 Kumar K. N. P. et al. Textural evolution and phase transformation in titania membranes: Part 2. Supported membranes // Journal of materials chemistry. - 1993. - T. 3. - №. 11. -C. 1151-1159.

79 Tighineanu A. et al. Conductivity of TiO2 nanotubes: Influence of annealing time and temperature // Chemical Physics Letters. - 2010. - T. 494. - №. 4-6. - C. 260-263.

80 Peng F. et al. Preparation of nitrogen-doped titanium dioxide with visible-light photocatalytic activity using a facile hydrothermal method // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 2008. - T. 69. - №. 7. - C. 1657-1664.

81 Shen M. et al. Carbon-doped anatase TiO2 obtained from TiC for photocatalysis under visible light irradiation // Materials Letters. - 2006. - T. 60. - №. 5. - C. 693-697.

82 Ghicov A. et al. TiO2 nanotube layers: Dose effects during nitrogen doping by ion implantation // Chemical Physics Letters. - 2006. - T. 419. - №. 4-6. - C. 426-429.

83 Ghicov A. et al. Ion implantation and annealing for an efficient N-doping of TiO2 nanotubes // Nano Letters. - 2006. - T. 6. - №. 5. - C. 1080-1082.

84 Kim D. et al. Nitrogen doped anodic TiO2 nanotubes grown from nitrogen-containing Ti alloys // Electrochemistry Communications. - 2008. - T. 10. - №. 6. - C. 910-913.

85 Nah Y. C. et al. TiO2- WO3 composite nanotubes by alloy anodization: growth and enhanced electrochromic properties // Journal of the American Chemical Society. - 2008. -T. 130. - №. 48. - C. 16154-16155.

86 Shrestha N. K. et al. Self-organized nano-tubes of TiO2-MoO3 with enhanced electrochromic properties // Chemical communications. - 2009. - №. 15. - C. 2008-2010.

87 Agarwal P. et al. MoO3 in self-organized TiO2 nanotubes for enhanced photocatalytic activity // Chemistry-An Asian Journal. - 2010. - T. 5. - №. 1. - C. 66-69.

88 Berger S., Tsuchiya H., Schmuki P. Transition from nanopores to nanotubes: self-ordered anodic oxide structures on titanium- aluminides // Chemistry of Materials. - 2008. - T. 20. -№. 10. - C. 3245-3247.

89 Tsuchiya H. et al. Anodic porous and tubular oxide layers on Ti alloys // ECS Transactions. - 2008. - T. 16. - №. 3. - C. 359.

90 Yasuda K., Schmuki P. Electrochemical formation of self-organized zirconium titanate nanotube multilayers // Electrochemistry communications. - 2007. - T. 9. - №. 4. - C. 615-619.

91 Ghicov A., Yamamoto M., Schmuki P. Lattice widening in Niobium-doped TiO2 nanotubes: efficient ion intercalation and swift electrochromic contrast //Angewandte Chemie International Edition. - 2008. - T. 47. - №. 41. - C. 7934-7937.

92 Macak J. M. et al. Self-organized nanotubular TiO2 matrix as support for dispersed Pt/Ru nanoparticles: Enhancement of the electrocatalytic oxidation of methanol // Electrochemistry Communications. - 2005. - T. 7. - №. 12. - C. 1417-1422.

93 Paramasivam I., Macak J. M., Schmuki P. Photocatalytic activity of TiO2 nanotube layers loaded with Ag and Au nanoparticles // Electrochemistry Communications. - 2008. -T. 10. - №. 1. - C. 71-75.

94 Paramasivam I. et al. Enhanced photochromism of Ag loaded self-organized TiO2 nanotube layers // Chemical Physics Letters. - 2007. - T. 445. - №. 4-6. - C. 233-237.

95 Kang S. H., Sung Y. E., Smyrl W. H. The effectiveness of sputtered PtCo catalysts on TiO2 nanotube arrays for the oxygen reduction reaction // Journal of The Electrochemical Society. -2008. - T. 155. - №. 11. - C. B1128.

96 Sun W. T. et al. CdS quantum dots sensitized TiO2 nanotube-array photoelectrodes // Journal of the American Chemical Society. - 2008. - T. 130. - №. 4. - C. 1124-1125.

97 Yang L. et al. Fabrication of CdSe nanoparticles sensitized long TiO2 nanotube arrays for photocatalytic degradation of anthracene-9-carbonxylic acid under green monochromatic light // The Journal of Physical Chemistry C. - 2010. - T. 114. - №. 11. - C. 4783-4789.

98 Kang Q. et al. Fabrication of PbS nanoparticle-sensitized TiO2 nanotube arrays and their photoelectrochemical properties // ACS applied materials & interfaces. - 2011. - T. 3. - №. 3. -C. 746-749.

99 Xie K. et al. Polyaniline nanowire array encapsulated in titania nanotubes as a superior electrode for supercapacitors // Nanoscale. - 2011. - T. 3. - №. 5. - C. 2202-2207.

100 Shankar K. et al. Self-assembled hybrid polymer - TiO2 nanotube array heterojunction solar cells // Langmuir. - 2007. - T. 23. - №. 24. - C. 12445-12449.

101 Papp J. et al. Titanium (IV) oxide photocatalysts with palladium // Chemistry of materials. - 1993. - T. 5. - №. 3. - C. 284-288.

102 Zhang H., Chen G., Bahnemann D. W. Photoelectrocatalytic materials for environmental applications //Journal of Materials Chemistry. - 2009. - T. 19. - №. 29. - C. 5089-5121.

103 Huo K. et al. Heterostructured TiO2 nanoparticles/nanotube arrays: in situ formation from amorphous TiO2 nanotube arrays in water and enhanced photocatalytic activity // ChemPlusChem. -2012. - T. 77. - №. 4. - C. 323-329.

104 Liao Y. et al. A facile method to crystallize amorphous anodized TiO2 nanotubes at low temperature // ACS applied materials & interfaces. - 2011. - T. 3. - №. 7. - C. 2800-2804.

105 Zhang X. et al. Synthesis and photocatalytic activity of highly ordered TiO2 and SrTiO3/TiO2 nanotube arrays on Ti substrates // Journal of the American Ceramic Society. - 2010. -T. 93. - №. 9. - C. 2771-2778.

106 Xin Y. et al. Bioactive SrTiO3 nanotube arrays: strontium delivery platform on Ti-based osteoporotic bone implants // ACS nano. - 2009. - T. 3. - №. 10. - C. 3228-3234.

107 Huo K. et al. Osteogenic activity and antibacterial effects on titanium surfaces modified with Zn-incorporated nanotube arrays // Biomaterials. - 2013. - T. 34. - №. 13. - C. 3467-3478.

108 Zhao J. et al. Synthesis of thin films of barium titanate and barium strontium titanate nanotubes on titanium substrates //Materials Letters. - 2005. - T. 59. - №. 18. - C. 2329-2332.

109 Wang J., Lin Z. Freestanding TiO2 nanotube arrays with ultrahigh aspect ratio via electrochemical anodization // Chemistry of Materials. - 2008. - T. 20. - №. 4. - C. 1257-1261.

110 Chen Q. et al. Free-standing TiO2 nanotube arrays made by anodic oxidation and ultrasonic splitting // Nanotechnology. - 2008. - T. 19. - №. 36. - C. 365708.

111 Singh S. et al. Universal method for the fabrication of detachable ultrathin films of several transition metal oxides // ACS nano. - 2008. - T. 2. - №. 11. - C. 2363-2373.

112 Kant K., Losic D. A simple approach for synthesis of TiO2 nanotubes with through-hole morphology // Physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. - 2009. - T. 3. - №. 5. -C. 139-141.

113 Liu G. et al. A voltage-dependent investigation on detachment process for free-standing crystalline TiO2 nanotube membranes // Journal of materials science. - 2011. - T. 46. - №. 24. -C. 7931-7935.

114 Wang D., Liu L. Continuous fabrication of free-standing TiO2 nanotube array membranes with controllable morphology for depositing interdigitated heterojunctions // Chemistry of Materials.

- 2010. - T. 22. - №. 24. - C. 6656-6664.

115 Jo Y. et al. Fabrication of through-hole TiO2 nanotubes by potential shock // Electrochemistry communications. - 2010. - T. 12. - №. 5. - C. 616-619.

116 Li S., Zhang G. One-step realization of open-ended TiO2 nanotube arrays by transition of the anodizing voltage // Journal of the Ceramic Society of Japan. - 2010. - T. 118. - №. 1376. -C. 291-294.

117 Lin J., Chen J., Chen X. Facile fabrication of free-standing TiO2 nanotube membranes with both ends open via self-detaching anodization // Electrochemistry Communications. - 2010. -T. 12. - №. 8. - C. 1062-1065.

118 Yoriya S. et al. Fabrication of vertically oriented TiO2 nanotube arrays using dimethyl sulfoxide electrolytes // The Journal of Physical Chemistry C. - 2007. - T. 111. - №. 37. -C. 13770-13776.

119 Zhong Q. W. et al. Preparation of free-standing transparent titania nanotube array membranes // Chinese journal of materials research. - 2009. - T. 23. - №. 2. - C. 118-122.

120 Albu S. P. et al. Self-organized, free-standing TiO2 nanotube membrane for flow-through photocatalytic applications // Nano letters. - 2007. - T. 7. - №. 5. - C. 1286-1289.

121 Lin C. J. et al. Fabrication of open-ended high aspect-ratio anodic TiO2nanotube films for photocatalytic and photoelectrocatalytic applications // Chemical communications. - 2008. - №. 45. -C. 6031-6033.

122 Chen Q., Xu D. Large-scale, noncurling, and free-standing crystallized TiO2 nanotube arrays for dye-sensitized solar cells // The Journal of Physical Chemistry C. - 2009. - T. 113. - №. 15.

- C. 6310-6314.

123 Hyeokâ Park J. et al. Growth, detachment and transfer of highly-ordered TiO2 nanotube arrays: use in dye-sensitized solar cells // Chemical Communications. - 2008. - №. 25. -C. 2867-2869.

124 Hossein-Babaei F., Lajvardi M. M., Alaei-Sheini N. The energy barrier at noble metal/TiO2 junctions // Applied Physics Letters. - 2015. - № 106(8). - C 083503.

125 Liu N., Lee K., Schmuki P. Reliable Metal Deposition into TiO2 Nanotubes for Leakage-Free Interdigitated Electrode Structures and Use as a Memristive Electrode // Angewandte Chemie. -2013. - Т. 125. - №. 47. - С. 12607-12610.

126 Технология тонких пленок: справочник: [в 2 т.] / под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга; пер. с англ. под ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко. - Москва: Советское радио, 1977.

127 ОСТ 134-1034-2012. Методы испытаний и оценки стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электронного и протонного излучений космического пространства по дозовым эффектам, М.: ЦНИИ Машиностроения, 2022, 58 с.

128 ОСТ 134-1044-2007. Методы расчета радиационных условий на борту космических аппаратов и установления требований по стойкости радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию заряженных частиц космического пространства естественного происхождения, М.: ЦНИИ Машиностроения, 2007, 180 с.

129 Цаплин С.В., Тюлевин С.В., Пиганов М.Н., Болычев С.А. Исследование свойств радиоэлектронных элементов при воздействии ионизационного потока: учеб. пособие. Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. - 180 с.

130 Брацук А.В., Сиделев А.В., Киселев Д.С., Ковтун С.Ю., Федоров Е.Н., Урусов А.А. Изменение параметров бета-вольтаических полупроводниковых преобразователей на основе наноструктурированного диоксида титана при воздействии ионизирующего излучения космического пространства // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2024. - № 1 (272). - С. 31-39.

131 Wang N., Ma Y., Chen J., Chen C., San H., Chen J., Cheng Z. Defect-induced betavoltaic enhancement in black titania nanotube arrays // Nanoscale. - 2018. - Т. 10. - №2 27. - С. 13028-13036.

132 Брацук А.В., Киселев Д.С., Ковтун С.Ю., Зайцев Д.А., Фёдоров Е.Н., Урусов А.А. Бета-вольтаический эффект наноструктурированного диоксида титана после модификации различными методами // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2023. - № 4 (271). - С. 38-50.

133 Брацук А.В., Киселев Д.С., Ковтун С.Ю., Зайцев Д.А., Фёдоров Е.Н., Игонина А.А., Варданян Д.М., Урусов А.А. Модификация наноструктурированного диоксида титана методом гидротермальной обработки для улучшения электрических параметров бета-вольтаических элементов // Перспективные материалы, 2024. - № 2. - С. 15-27.

134 Jayabal P. et al. A facile hydrothermal synthesis of SrTiO3 for dye sensitized solar cell application // Journal of Alloys and Compounds. - 2014. - Т. 586. - С. 456-461.

135 Yang L. et al. SrTiO3/TiO2 heterostructure nanowires with enhanced electron-hole separation for efficient photocatalytic activity // Frontiers of Materials Science. - 2019. - Т. 13. -С. 342-351.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (Обязательное) Акт о внедрении № 1 от 17.11.2022

УТВЕРЖДА Генеральн.

. . _ В'-. Кдаолий?;

Акт J\b 1 от 17.11.2022

О внедрении оспои технологии создания лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей из пленок модифицированного напоструктурнрованного диоксида титана

Научно-техническая комиссия в составе: председателя:

Мокруппша Андрея Андреевича - заместителя генерального директора но науке; членов;

Гачека Ивана Эдуардовича - директора отделения «Твэлы и конструкционные материалы»;

Федорова Евгения Николаевича - главного научного сотрудника:

составила наеюяший акт о том, ню разработанные основы технологии создания лабораторных образцов полупроводниковых преобразователей из пленок модифицированного паноструктурированного диоксида титана использовались при создании полупроводниковых преобразователей при сборке бета-вольтаи чески х элементов в рамках изготовления ядерных батареи на основе никеля-б? для модуля радиоизотопного источника питания для электронных устройств периодической активации (по договору АО «НИИ НПО «ЛУЧ» с АО «Наука и инновации»).

Применение тонких (толщиной от 15 до 20 мкм> полупроводниковых преобразователен из пленок модифицированного наноструктурированного диоксида титана позволяет увеличить удельную мощность бета-вольтаических элементов, отнесенных к их массе или объему.

Заместитель генерального директора по пауке АО «НИИ НПО «ЛУЧ», кандидат технических наук

Директор отделе!шя

(<Тв'элы и конструкционные материалы» Главный научный сотрудник

А.А. Мокруптин

Н.Э. Галев Г..II. Федоров