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:
16 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Физические явления в системах с пониженной размерностью
Результаты этапа:
17 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 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".