Физические явления в системах с пониженной размерностьюНИР

Physical

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
9 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: 1) Продемонстрирована возможность создания перспективного с точки зрения использования в солнечной энергетике гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный кремний путем фемтосекундной лазерной кристаллизации верхнего слоя пленки аморфного кремния. Определены основные фотоэлектрические параметры (напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, фактор заполнения и др.) такого гетероперехода. Разработаны модели переноса и рекомбинации носителей заряда, объясняющие особенности оптических, электрических и фотоэлектрических свойств аморфного гидрогенизированного кремния, подвергнутого фемтосекундной лазерной кристаллизации. 2) Показана принципиальная возможность снижения рабочей температуры химических сенсоров на основе нанокристаллического оксида индия с квантовыми точками селенида кадмия путем использования дополнительной подсветки в видимой области спектра.Выявлено влияние квантовых точек селенида кадмия на оптические, электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия. 3) Изучены структурные, оптические, фотолюминесцентные, теплофизические и сенсорные свойства нанонитей, формируемых металл-стимулированным травлением монокристаллов кремния, и обнаружены новые свойства, перспективные для применения в фотонике, термоэлектрических преобразователях, биомедицине и сенсорике. 4) Получены пленки графена на поверхности жидкости по технологии Ленгмюра-Блоджетт, а также осуществлено их перенесение на поверхность твердых тел. Изучена структура и оптические свойства полученных пленок. 5) Изучено влияние модифицирования различными примесями образцов нанокристаллического оксида цинка на природу и свойства дефектов в них. В качестве примесей были выбраны галлий и тетратиафульвален, т.к. их введение в матрицу оксида цинка существенно улучшает сенсорные свойства данного материала. Установлено, что основным типом парамагнитных центров исходных образцов ZnO являются кислородные вакансии, вакансии цинка, донорные состояния.
10 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: 1. Показана возможность использования кремниевых наночастиц, сформированных методом пикосекундной лазерной абляции в воде, в качестве контрастирующих агентов в приложениях оптической когерентной томографии. Изготовленная методом пикосекундной лазерной абляции суспензия кремниевых наночастиц (от 2 до 200 нм) в воде демонстрирует эффективное рассеяние света в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Методом оптической когерентной томографии проведено контрастирование структурных элементов агарового геля, использующегося в качестве модельного объекта. Достигнут контраст до 14 дБ. 2. Изучено влияние температуры на динамику превращений радикалов в наноструктурированных микросферах диоксида титана как исходного, так и легированного азотом. Установлено экспериментально и подтверждено теоретическими расчетами, что в процессе хранения образцов на воздухе концентрация дефектов не меняется, а происходит лишь их трансформация в непарамагнитное состояние в результате диффузии кислородных вакансий в решетке диоксида титана с последующим захватом ими междоузельных азотных радикалов. Полученный результат имеет важнейшее значение для практических применений фотокатализаторов на основе диоксида титана в качестве фильтров для очистки окружающей среды от токсичных примесей, свидетельствуя об отсутствии деградации их «очищающих» свойств с течением времени. 3. Получены кинетики накопления наночастиц серебра в некоторых жизненно важных органах мышей, а также исследованы процессы их выведения из этих органов. Подобрана функция аппроксимации для кинетики накопления серебра в головном мозге и крови, а также определены ее параметры. Показан экстремально низкий вывод серебра из головного мозга, особенно на начальных этапах кормления животных. Однако скорость вывода несколько увеличивалась после остановки процессов накопления (т.е. на плато кинетики накопления), что связано с функциональными особенностями гематоэнцефалического барьера и клеток нервной ткани. 4. Показано, что структурная модификация пленок аморфного гидрогенизированного кремния, вызванная фемтосекундной лазерной кристаллизацией, изменяет эффективность легирования введенной в исходный материал примеси. Разработана модель наблюдаемого изменения эффективности легирования гидрогенизированного аморфного кремния. Продемонстрировано, что эффект изменения эффективности легирования при фемтосекундной лазерной кристаллизации аморфного гидрогенизированного кремния может быть использован в солнечных элементах на основе аморфного кремния. 5. Установлены электронные процессы, определяющие электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия, содержащего квантовые точки селенида кадмия. Продемонстрирована возможность использования нанокристаллического оксида индия, содержащего квантовые точки селенида кадмия, в качестве активного слоя сенсора для детектирования диоксида азота при комнатной температуре в условиях дополнительной подсветки зеленым светом. 6. В условиях “in situ” реализована схема облучения с различной энергией квантов образцов легированного азотом нанокристаллического диоксида титана, что позволило в результате примесного поглощения инициировать процессы перезарядки в системе радикалов. Указанные процессы приводили как к генерации, так и к аннигиляции радикалов, что в свою очередь вызывало соответствующие вариации интенсивности сигнала ЭПР. Это позволило определить положение уровней радикалов в запрещенной зоне диоксида титана по энергии.
11 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: На отчетном этапе работ были проведены комплексные исследования низкоразмерных систем на основе кремния и полупроводниковых оксидов металлов. Изучено влияние квантовых точек селенида кадмия на электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия, а также на изменение этих свойств при адсорбции молекул диоксида азота. Показано, что нанокристаллический оксид индия с квантовыми точками селенида кадмия может использоваться в качестве газочувствительного слоя сенсора для детектирования диоксида азота при комнатной температуре в условиях дополнительной подсветки видимым излучением. Установлено, что модификация нанокристаллических оксидов олова и цинка тетратиафульваленом с целью улучшения их сенсорных свойств, приводит к формированию катион-радикалов, которые являются центрами захвата носителей заряда. В результате появляется возможность меняя концентрацию данных центров, управлять электрофизическими и сенсорными характеристиками образцов. Определены оптимальные технологические параметры изготовления солнечных элементов на основе гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний. Изготовлены прототипы (экспериментальные образцы) таких солнечных элементов, исследованы их структурные, оптические, фотоэлектрические и фотовольтаические параметры. Проведено исследование структурных свойств кремниевых порошков, формируемых методом фемтосекундной лазерной абляции в различных газах. Показано, что давление газа влияет на структурные параметры формируемых наночастиц. Сформированные наночастицы при этом имеют кристаллическую структуру. Изучена взаимосвязь оптических свойств ансамблей кремниевых нанонитей и временем жизни фотонов в них. Увеличение времени жизни фотонов приводит к тому, что в области прозрачности этих сред возможно увеличение полного отражения по сравнению с исходным материалом подложки, а в области поглощения кремния в достаточно толстых слоях кремниевых нанонитей коэффициент полного отражения напротив падает до 1–5 процентов. Работы по этапу выполнены в полном объеме. Научно-технический уровень выполненных работ сравним с лучшими мировыми достижениями в области солнечной энергетики, фотоники и газовой сенсорики.
12 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: Исследовано влияние условий формирования и хранения наночастиц кремния, полученных методом лазерно-индуцированного пиролиза моносилана, на природу и свойства дефектов в них методом ЭПР-спектроскопии. Исследованы фотоаккумулирующие пленочные системы на основе наногетероструктур TiO2/MoO3 и TiO2/MoO3:V2O5, полученных за счет комбинирования золь-гель метода и метода термического разложения. Исследованы электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллических оксидов индия и цинка с размерами нанокристаллов до 100 нм и нанокомпозитных материалов на их основе. Проведены исследования структурных и оптических свойств кремниевых наночастиц, формируемых в результате последовательной обработки монокристаллического кремния методами электрохимического травления и импульсной лазерной абляции. Исследованы фотолюминесцентные свойства сверхрешеток на основе нитрида и оксида кремния, изготовленных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с последующим термическим отжигом. Исследованы фотолюминесцентные свойства квантовых точек селенида кадмия в жидкокристаллических полимерных матрицах.
13 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: К основным результатам, полученным на данном этапе выполнения работ, можно отнести следующие: 1. Разработан чувствительный элемент сенсора на водород, работающего при комнатных температурах в условиях дополнительной подсветки на основе нанокомпозита оксид индия/оксид цинка. Обнаружено, что чувствительность нанокомпозита к водороду сильно и немонотонно зависит от содержания оксидов, что позволяет подобрать оптимальное соотношение между компонентами для достижения лучшей чувствительности. Предложен новый механизм чувствительности нанокристаллических композитных пленок ZnO-In2O3 к водороду при освещении. 2. Созданы экспериментальные образцы фотоприемника видимого излучения на основе перовскитов. Показано, что полученные образцы обладают высокой фоточувствительностью в диапазоне длин волн 400-800 нм. Определены механизмы проводимости в полученных структурах на основе перовскитов. 3. Созданы прототипы солнечных элементов на основе гибридных композиций полимер-кремниевые наночастицы. В качестве полимерной матрицы использовался полианилин, в который добавлялись наночастицы кремния. Показано, что увеличение концентрации наночастиц кремния приводит к значительному росту проводимости композитного материала. 4. Исследованы эффекты переключения сопротивления в мемристорных структурах, содержащих металлические наночастицы в оксидной матрице. Показано, что величина эффекта зависит от скорости изменения напряжения. Для исследуемых образцов была построена эквивалентная схема, учитывающая сопротивление объема образца, емкость, а также сопротивление используемых электрических контактов. Было показано, что при переключении из низкопроводящего состояния в высокопроводящее уменьшается как сопротивление самого образца, так и сопротивление контактов. 5. Исследована электролюминесценция и фотолюминесценция структур с гетеропереходом c-Si/a-Si:H Была изучена фотолюминесценция двух образцов HIT СЭ с различной степенью пассивации поверхности c-Si. На спектрах фотолюминесценции при низких температурах выделены вклады в излучение связанные с рекомбинацией связанных на примеси экситонов и свободных экситонов. Показано, что измерение кинетик фотолюминесценции является хорошим способом оценки степени пассивации поверхности c-Si в HIT СЭ. 6. Изучена возможность формирования периодических микроструктур на поверхности аморфного кремния под действием фемтосекундных лазерных импульсов (1.25 мкм, 125 фс), генерирующих поверхностные плазмон-поляритоны при интенсивном фотовозбуждении неравновесных носителей заряда в облучаемой пленке. Показано, что интерференция плазмон-поляритонов с падающим излучением приводит к возникновению стоячих волн и периодической модуляции рельефа поверхности в мощном световом поле – возникновению поверхностных решеток с близким к длине волны структурирующего излучения периодом (1.20 мкм).
14 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: К основным результатам, полученным в ходе выполнения работ в 2019 году можно отнести следующие: 1. Изучена природа дефектов и определены их основных параметры в наногетероструктурах на основе нанокристаллического диоксида титана. Исследования методом ЭПР наногетероструктур TiO2/MoO3 и TiO2/MoO3/V2O5 показали, что в спектрах ЭПР наблюдаются линии от нескольких типов дефектов (парамагнитных центров). Определены типы дефектов в данных структурах и их концентрации. Показано, что исследованные образцы обладают высокой антибактериальной активностью в течение длительного времени после прекращения освещения, что делает их весьма перспективными для разработки на их основе самостерилизационных материалов, управляемых светом, и проявляющих длительный бактерицидный эффект после освещения. 2. Исследована фотолюминесценция квантовых точек CdSe и CdSe/ZnS, внедренных как в смектическую полимерную пленку БК-6ПА (жидкокристаллический полимер, ЖКП), так и в аморфную полимерную пленку ПМБК-6А с различными массовыми долями. Обнаружено, что спектры фотолюминесценции всех образцов имели выраженную полосу на длинах волн 560-590 нм и полосу 620-850 нм, которые можно связать с люминесценцией экситонов и поверхностных состояний в квантовых точках. Сравнение спектров и кинетики квантовых точек в жидкокристаллических и аморфных полимерных матрицах образцов показало, что интенсивность спектров фотолюминесценции квантовых точек, внедренных в аморфные матрицы, оказалась в несколько раз ниже, чем внедренных в жидкокристаллические матрицы. 3. Изучен эффект переключения емкости в мемристивных композитных структурах на основе ниобата лития с металлическими наночастицами, полученных методом ионно-лучевого распыления с использованием составной мишени. Было обнаружено, что максимальный эффект переключения сопротивления наблюдается для образцов с процентным содержанием металлических наночастиц 13-22 ат. %. Было обнаружено, что одновременно с изменением сопротивления при переключения, емкость структуры также значительно меняется. Сделано предположение, о том что изменение емкости в процессе переключения связано с модификацией барьера Шоттки, возникающего на границе с подложкой. 4. Изучено влияние условий синтеза наноструктурированного диоксида титана на его морфологию, химический состав, природу и свойства дефектов в них. В качестве объектов исследования использовались образцы диоксида титана, полученные методом сверхкритических флюидов, нанотрубки диоксида титана, а также образы с различным содержанием ванадия. Определены основные параметры дефектов в данных образцах. Полученные данные вносят важный вклад в разработку фоточувствительных и энергоэффективных фотокаталитических материалов на основе нанокристаллического оксида титана. 5. Разработана гибридная технология изготовления ансамблей кремниевых наночастиц (КНЧ) в результате последовательной обработки пластин монокристаллического кремния p-типа методами электрохимического травления (изготовление пористого кремния) и пико- и фемтосекундной лазерной абляции сформированных слоев пористого кремния (ПК) в различных жидкостях (вода, этанол, жидкий азот). Показано, что КНЧ, формируемые методом лазерной абляции микропористого кремния в этаноле и жидком азоте, обладают фотолюминесценцией в спектральном диапазоне 600 – 900 нм с характерными временами жизни для данного процесса до нескольких сотен микросекунд, что открывает дополнительные потенциальные возможности применения рассматриваемого типа наночастиц в качестве фотолюминесцентных маркеров для визуализации биологических тканей и их фантомов. 6. Исследованы электрические и фотоэлектрические свойства образцов нанокристаллического оксида кобальта с различным средним размером нанокристаллов, полученных методом термического разложения. Показано, что увеличение размера нанокристаллов приводит к значительному увеличению проводимости материала. Температурные зависимости проводимости имеют активационных характер и состоят из двух участков с различными энергиями активации. Кинетики нарастания и спада фотопроводимости описываются суммой двух экспонент, что указывает на наличие двух рекомбинационных уровней в запрещенной зоне.
15 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: К основным результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательских работ в 2020 году можно отнести следующие: Проведены работы по отработке технологии и исследованию процессов фемтосекундной лазерной модификации (1250 нм, 125 фс) тонкопленочных многослойных структур на основе аморфных кремния и германия, изготовленных методом плазмохимического осаждения. Показано, что в результате лазерного воздействия на поверхности исследуемых образцов формируются решетки с периодом 270±80 нм и ориентацией, сонаправленной с линейной поляризацией воздействующего излучения, а также частицы с диаметром 10 – 100 нм. Полученные результаты представляют интерес для увеличения эффективности фотодетекторов и солнечных элементов на основе аморфного кремния в ближнем инфракрасном диапазоне. Изучены тепловые превращения механохимически активированных (МХА) термитов Al/V2O5. Добавление алюминия к оксиду V2O5 способствует увеличению трения и способствует агрегации парамагнитных центров. Обнаружено, что после 12 мин измельчения при 25 ° C парамагнитные центры ванадия существуют только в виде агрегированных ионов VO2+, распределяясь в матрице исходного оксида V2O5. После нагревания до 320 °C общее количество ванадиевых парамагнитных центров увеличивается примерно на 30% всего, но помимо агрегированных дефектов наблюдаются изолированные центры VO2. Появление узкой одиночной линии в сигнале ЭПР после нагрева до 420 °C хорошо коррелирует с образованием фазы VO2. Наконец, обнаружение лишь небольшого количества изолированных центров VO2+ при 520 °C хорошо согласуется с увеличением содержания фазы VO2, сопровождающимся практически полным исчезновением всех рассмотренных выше остальных фаз, содержащих парамагнитные центры. Полученные результаты вносят серьезный вклад в область термитов, полученных механохимическим способом как смесь алюминия с различными оксидами металлов. Результаты открывают путь к управлению процессами горения и взрыва в таких соединениях. Получены и исследованы высоколюминесцентные материалы на основе легированных медью квазидвумерных наночастиц CdSe для генерации белого света. Обнаружено, что тонкие популяции нанопластинок CdSe, выращенные при температурах ниже 200 °C, способны излучать белый свет. Исследовано локальное изменение доли кристаллической фазы нанонитей германия при лазерном облучении. Показано, что локальный нагрев возбуждающим лазерным излучением может приводить к кристаллизации изначально аморфных нанонитей германия. Представленные результаты могут быть очень полезны для изготовления устройств (таких как ионно-металлические батареи или термоэлектрические элементы) на основе германиевых нанонитей, полученных с помощью электрохимического осаждения, поскольку их низкую теплопроводность необходимо учитывать. Разработана новая простая методика синтеза квантовых точек селенида кадмия обладающих узкой линией экситонной люминесценции без дополнительной широкой полосы люминесценции поверхностных дефектов. Показано, что квантовые точки CdSe, полученные в глицерине, обладают отличными люминесцентными свойствами и высокой степенью монодисперсности. В спектре их фотолюминесценции отсутствует длинноволновая полоса, что свидетельствует о пассивации поверхностных дефектов без использования технологии core-shell. Подбор условий усовершенствованного одностадийного метода синтеза для наращивания в глицерине оболочки из широкозонного полупроводника CdS позволил добиться увеличения квантового выхода core-shell КТ CdSe@CdS до 20% и уменьшить FWHM люминесценции. Выполнено численное моделирование рассеяния света одиночной кремниевой нанонитью (КНН) диаметром 100 нм и модельной структурой, состоящей из 13 КНН, симметрия которой соответствует группе C6. Показано, что процесс генерации ТГ позволяет выявить внутреннее взаимодействие циркулярно поляризованного излучения и рассеивающей среды, образованной наклонными нанонитями. Полученные результаты моделирования находятся в качественном согласии с экспериментальными данными.
16 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: Краткое описание основных результатов, полученных в 2021 году: 1. Проведено моделирование процесса генерации третьей гармоники в массивах кремниевых нанонитей. 2. Исследовано влияние термического отжига нанонитей германия на их структурные свойства. 3. Изучены светоизлучающие материалы на основе нанопластинок и квантовых точек CdSe. 4. Изучены фотоаккумулирующие наногетероструктуры на основе диоксида титана. 5. Разработана модель формирования поверхностных периодических структур в полупроводниках под воздействием фемтосекундных лазерных импульсов и выполнена её аппробация. 6. Получены и исследованы наноструктурированные микросферы на основе нанооксидов металлов с функцией накопления заряда для пролонгированного катализа. 7. Исследованы электрофизические свойства сложных оксидов цинка и кобальта со структурой шпинели.
17 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: В рамках научно-исследовательской работы в 2022 году были проведены комплексные исследования таких материалов, как поликристаллический диоксид титана, кремниевые наночастицы, нанотрубки диоксида титана, оксидов цинка и кобальта, квантовых точек CdSe, наночастицы и нановолокна оксида кобальта и т.д. К основным результатам, полученным в 2022 году можно отнести следующие: 1. Исследованы структурные и электронные свойства фотокатализаторов на основе поликристаллического диоксида титана, легированного ионами хрома. В синтезированных образцах были обнаружены и охарактеризованы парамагнитные центры Ti3+ и Cr3+. Методом ЭПР были рассчитаны концентрации ионов хрома в серии образцов с различным содержанием примеси хрома. Было установлено, что при увеличении содержания хрома в исследуемых образцах от 0,7 до 1,7 ат.% концентрация спиновых центров увеличивалась от 7*10^17 г-1 до 2*10^18 г-1. Были проведены измерения кинетик фотокатализа с использованием изучаемых структур (исходных образцов и образцов, легированных хромом) при облучении их светом в диапазоне длин волн ∆λ = 400–800 нм. Было показано, что концентрация красителя Родамин 6Ж после 30 минут освещения легированного хромом поликристаллического TiO2 уменьшалась в 3 раза, что свидетельствует о высокой скорости фотокатализа и перспективности полученных образцов поликристаллического диоксида титана, легированного хромом, для применения в качестве основного материала в фильтрах для очистки воздуха от токсичных примесей. 2. Разработана технология кремниевых наночастиц в результате лазерной фрагментации взвесей кремниевых микрочастиц в различных начальных концентрациях (0,5–15,0 мг/мл) в дистиллированной воде. Было показано, что метод лазерной фрагментации взвесей кремниевых микрочастиц в дистиллированной воде позволяет формировать наночастицы, обладающие сферической симметрией и гладкой формой. Согласно данным спектроскопии комбинационного рассеяния света, сформированные во всех случаях кремниевые наночастицы имели преимущественно кристаллическую структуру, обуславливающую эффективное светорассеяние и низкое поглощение в красном и ближнем инфракрасном диапазонах по результатам спектрофотометрических измерений. Фрагментированные наночастицы представляют интерес для проведения дальнейших экспериментов с биологическими тканями или их фантомами в качестве эффективно рассеивающих и поглощающих свет в диагностическом окне прозрачности (700–1300 нм) контрастирующих агентов. Данные агенты предлагается использовать в методе оптической когерентной томографии. 3. Изучены оптические свойства систем нанотрубок из диоксида титана. Были изучены спектры люминесценции и спектры диффузного отражения систем одностенных и многостенных нанотрубок диоксида титана, а также нанотрбок с добавкой оксидов меди и ионов меди. На основе полученных спектральных характеристик определены коэффициенты поглощения электромагнитного излучения видимого и ультрафиолетового диапазона, в соответствии с теорией Кубелки-Мунка определена оптическая ширина запрещенной зоны образцов. Полученные результаты совместно с результатами исследования структурных, электрофизических и фотокаталитических свойств указанных структур позволяют выбрать условия получения наиболее эффективных фотокатализаторов. 4. Исследован процесс многофотонного возбуждения фотолюминесценции в квантовых точках CdSe. Измерены спектры фотолюминесценции КТ CdSe и CdSe/ZnS (структура «ядро-оболочка»), внедренных в пленку жидкокристаллличевского полимера (ЖКП) при возбуждении сфокусированным излучением фемтосекундого лазера на кристалле Cr:форстерита (1250 нм, 80 фс, 80 МГц, 1,3 нДж в импульсе).Для изучения природы наблюдавшегося эффекта ап-конверсии была проведена декомпозиция полученного спектра, выявившее присутствие в спектрах полос с максимумами 584 и 609 нм. Зависимость интенсивности указанных полос от интенсивности излучения накачки является кубической, что указывает на возбуждение ФЛ за счет трехфотонного поглощения, с выходом на насыщение при сравнительно больших интенсивностях накачки. 5. Исследовано влияния толщины пористого слоя германия, полученного ионной имплантацией, на эффективность поглощения видимого излучения. Пористые слои, имеющие толщину 30-40 нм, были получены имплантацией ионов Ag+ и Cu+ с энергиями E1 = 30 кэВ и E2 = 40 кэВ соответственно. Были получены спектры КРС стоксовой и антистоксовой компонент от слоев пористого германия при разных интенсивностях лазерного возбуждения. При больших интенсивностях появляется пик на 295 см-1, указывающий на появление нанокристаллической фазы, образующейся в результате локального нагрева и кристаллизации под действием интенсивного возбуждающего лазерного излучения. По отношению интенсивностей стоксовой к интенсивности антистоксовой компонент удалось оценить температуры локального нагрева, которые оказались достаточными для кристаллизации небольшого объема пористого слоя, который поглотил лазерное излучение. Таким образом, в данной работе продемонстрировано, что слои пористого германия по разному поглощают излучение в видимой области спектра на длинах волн λ1=633 нм и λ2=532 нм. Это проявляется в локальном нагреве пористого слоя в месте облучения зондирующим лазером. 6. Изучены электрофизические свойства сложных оксидов цинка и кобальта, полученных различными методами. Проведено сравнение свойств образцов, полученных методом электроспиннинга, со свойствами аналогичных структур, полученных методом термического разложения. Определено, что методом электроспиннинга получаются нановолокна диаметром 150-200 нм, а методом термического разложения композиты имеют вид разориентированных кристаллитов. На основе методов инфракрасной и рамановской спектроскопии сделано предположение об образовании фазы оксида цинка в композите, полученном методом электроспиннинга, тогда как в композитах, полученных методом термического разложения. Показано, что проводимости композитов, полученных методом термического разложения, на несколько порядков ниже проводимости композитов, полученных методом электроспиннинга.
18 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа: В рамках научно-исследовательской работы в 2023 году были проведены комплексные исследования таких материалов, как кремниевые наночастицы, пористый германий, нанокристаллические оксиды металлов, нанотрубки диоксида титана и т.д. К основным результатам, полученным в 2023 году можно отнести следующие: 1) Проведены исследования эффективности поглощения лазерного излучения тонкими слоями пористого германия разной толщины. Были исследованы слои пористого германия с толщинами 19, 30, 40 и 50 нм на подложках кристаллического германия. Оказалось, что в спектрах с самым тонким слоем присутствует пик 301 см-1 от подложки c-Ge уже при минимальной интенсивности 30 Вт/см2 , тогда как для с более толстым слоем PGe этот пик отсутствуюет. Эти результаты хорошо согласуются с тем, что глубина проникновения возбуждающего излучения с длиной волны 488 нм составляет порядка 20 нм. Увеличение интенсивности возбуждения приводит к появлению нанокристаллической фазы, с положение пика в спектре КРС (297-298 см-1 для нанокристаллов Ge). Определены объемные доли нанокристаллического Ge и построены их зависимости от интенсивности возбуждающего лазерного излучения. Эти данные были использованы для определения пороговых значений, при которых начинают формироваться нанокристаллы Ge. Таким образом, было показано, что для тонких слоев, когда их толщина меньше глубины проникновения оптического излучения, происходит частичное поглощение энергии фотонов подложкой. Этого не происходит в более толстых слоях, в которых образование нанокристаллов Ge происходит при более низких пороговых значениях интенсивности. 2) Изучена природа дефектов и определены их основные характеристики в нанокристаллическом оксиде цинка в зависимости от условий синтеза и последующей обработки. Для определения положения энергетических уровней дефекта в запрещенной зоне ZnO спектры ЭПР регистрировались при освещении образцов непосредственно в резонаторе спектрометра ЭПР с помощью монохроматора, т.е. при облучении фотонами различной энергии. Установлено, что энергетический уровень вакансий цинка расположен ниже дна зоны проводимости на 2,4 эВ, а энергетический уровень мелких доноров — ниже дна зоны проводимости на 0,1 эВ. Установлено, что при освещении в диапазоне 250–1000 нм не происходит захват фотовозбужденных носителей заряда дефектами в легированном и модифицированном квантовыми точками нанокристаллическом оксиде цинка и, соответственно, не ограничивается транспорт носителей заряда, что также важно для практического применения оксида цинка в области наносенсорики. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности синтезированных образцов образцов оксида цинка для применения в качестве основного материала в газовых сенсорах. 3) Исследована возможность усиления сигнала КРС за счет использования суспензий рассеивающих частиц. С помощью проведенных экспериментов и численного моделирования установлено влияние упругого рассеяния света на эффективность комбинационного рассеяния в суспензиях частиц рутила и GaP в ДМСО. Численное моделирование предсказало максимальное увеличение сигнала комбинационного рассеяния в суспензии рутила в ДМСО при геометрии «на отражение» до 7.5 раз в зависимости от длины волны и диаметра рассеивающих частиц. Эксперименты по измерению обратнорассеянного сигнала комбинационного рассеяния в суспензии частиц рутила показали рост в 1.5-3 раза по сравнению с чистым ДМСО. Вместе с тем, наличие слабого поглощения света в частицах GaP препятствует значительному усилению сигнала комбинационного рассеяния света в их суспензиях, несмотря на присущее им сильное рассеяние света. 4) Исследованы оптические свойства материалов, созданных на основе нанокомпозитов из нанотрубок анодного оксида титана. Подробно изучены оптические свойства фотокаталитических материалов, созданных на основе нанокомпозитов из нанотрубок анодного оксида титана с внедренными наночастицами оксида меди. По спектрам рассеяния в ультрафиолетовой области спектра определена оптическая ширина запрещенной зоны материалов в зависимости от количества наночастиц меди и от количества внедренного в диоксид титана бария. Из полученных данных можно сделать вывод, что декорирование нанотрубок приводит к увеличению оптической ширины запрещенной зоны. Скорее всего, увеличение Eg для наших образцов после гидротермальной обработки указывает на вхождение бария в решетку титана. 5) Разработана технология изготовления декорированных серебром кремниевых наночастиц методом импульсной лазерной абляции и фрагментации кремния в жидкой среде. Облучение мишеней кремния осуществлялось лазерными импульсами в течение 60 минут с помощью пикосекундного лазера EKSPLA PL 2143A (1064 нм, 34 пс, 5–15 мДж, 10 Гц). Длительное время облучения приводило к фрагментации уже сформированных наночастиц (вторичной абляции). Наилучший результат декорирования Si-ядра изолированными нанокластерами Ag был достигнут при преобладании этанола в растворе и соответствующем соотношении воды к этанолу 1:9 при относительно низкой концентрации солей AgNO3, равной 5·10-6 моль/мл. Показано, что дистиллированная вода является оптимальной буферной средой с точки зрения стабильности ДСКНЧ как к агломерации в более крупные кластеры, так и декорирующего покрытия. Проведенный сравнительный анализ спектров поглощения в диапазоне длин волн 400–900 нм взвесей таких наночастиц характеризуется наличием максимума резонансного поглощения на 435 нм и более плавным спадом на бóльших длинах волн по сравнению с монотонной зависимостью для кремниевых наночастиц без декорирования. Наблюдаемые различия в поведении спектральных зависимостей объясняются наличием нанокластеров Ag, декорирующих поверхности кремниевых ядер и обладающих поверхностными плазмонами видимого диапазона с поглощением на длине волны в районе 400 нм, подтверждаемым расчетами в рамках теории Ми. Таким образом, наличие максимума резонансного поглощения в изученных взвесях ДСКНЧ, сформированных методом лазерной абляции в водно-этанольном растворе, открывает дополнительные преимущества с точки зрения улучшения эффективности нагрева в методе фотогипертермии по сравнению с кремниевыми наночастицами без декорирования. 6) Исследованы оптические характеристики атомарно-тонких нанопластинок ZnSe и CdSe. Продемонстрировано, что обмен лигандами на основе цистеина на базальных плоскостях атомарно тонких нанопластинок CdSe и ZnSe приводит к эффективной индукции хиральности с отчетливыми полосами экситонных переходов. Благодаря толщине всего в несколько атомов и двумерной электронной структуре хиральные атомарно тонкие нанопластинки CdSe и ZnSe дают большие возможности для энантиоселективного разделения (и сенсоров), дисплейных технологий и других потенциальных применений. 7) Исследованы фотоэлектрические свойства нанокомпозитов на основе нановолокон Co3O4 с добавлением атомов Zn. Получена серия образцов композитов Co3O4/Zn в виде нановолокон толщиной 150-200 нм с содержанием цинка от 0 до 35 моль%. Показано, что нановолокна имеют нанокристаллическую структуру и состоят из кристаллов размером около 20 нм. При увеличении содержания цинка до 15 моль% и выше в композитах также появляется кристаллическая фаза ZnO. Получены кинетики нарастания и спада проводимости при освещении ультрафиолетовым светом. Показано, что данные кинетики имеют сложный характер и хорошо аппроксимируются суммой двух экспонент, что свидетельствует о двух различных процессах, определяющих рекомбинацию неравновесных носителей заряда. Процесс, характеризующихся меньшим временем релаксации можно связать с рекомбинацией неравновесных носителей заряда на дефектах структуры. Более медленный процесс со временем релаксации может быть связан с адсорбцией и десорбцией молекул на поверхности материала, что подтверждают измерения, проведенные в вакууме. Также были получены зависимости темновой проводимости и фотопроводимости нановолокон Co3O4/Zn в зависимости от содержания цинка в нанокомпозитах. Было обнаружено, что данные зависимости имеют немонотонный характер. Максимальные значения темновой проводимости и фотопроводимости, которые на 4 порядка превышают значения, полученные для исходного Co3O4, имеет образец Co3O4/Zn с содержанием цинка 15 моль%. Это позволяет рассматривать его в качестве перспективного материала для создания устройств (газовых сенсоров, фотокатализаторов и т.д.), работающих при подсветке ультрафиолетовым излучением.
19 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа:
20 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".