Заключительный отчет по теме "Лазерная и плазменная функционализация материалов на наноуровне"

Цели: проведение поисковых исследований и создание научно-технического задела для технологии плазменно-лазерной функционализации материалов на наноуровне, что предполагает синтез наноматериалов с новыми функциональными свойствами и их комплексную характеризацию; разработка научных основ для плазменно-лазерной наномасштабной функционализации материалов; синтез функциональных наночастиц и напыление наноструктурных пленок ряда материалов (титана, двуокиси титана, субоксида кремния, сплава золота с серебром) с помощью лазерных и плазменных технологий в отдельности и в их комбинации; демонстрация преимуществ комбинированной технологии для высокоэффективного получения наноматериалов и улучшения их функциональных свойств; создание регламентов синтеза наночастиц и тонких пленок с использованием лазерных и плазменных методов. Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической литературы по методам функционализации материалов, включая лазерный и плазменный методы. Осуществлены синтез наночастиц титана плазменно-дуговым методом со сбором на углеродной матрице и характеризация материала. Путем отжига наночастиц титана в кислородсодержащей атмосфере синтезированы наночастицы оксида титана. Выполнен патентный поиск и подана патентная заявка на способ синтеза наночастиц диоксида титана. Построена самосогласованная модель для параметров плазмы разряда постоянного тока с микро/наночастицами на основе нелокального уравнения Больцмана для функции распределения электронов в различных буферных газах (гелий, неон, аргон). Выполнен синтез тонких пленок субоксида кремния методами газоструйного химического осаждения с активацией электронно-пучковой плазмой и импульсной лазерной абляции. Проведено сравнение свойств пленок, полученных двумя методами. Для изменения стехиометрического и фазового состава пленок осуществлен их отжиг. Измерены парциальные давления газов, образующихся в результате диссоциации молекул этилового спирта в химически активной плазме газового разряда. Исследовано образование пылевых частиц в таком разряде, и осуществлена их характеризация. Методом лазерной абляции в жидкости синтезированы композитные наночастицы золото - серебро. Разработана методика расчета плазмонного резонанса композитных наночастиц, включая полые частицы и частицы со структурой ядро - оболочка. Реализован синтез многослойных графеновых структур методом химического осаждения из газовой фазы на медной фольге с использованием метана в качестве источника углерода. Выполнена функционализация многослойных графеновых структур облучением ионами азота и водорода в условиях газового разряда. В сотрудничестве с иностранным партнёром (Центр HiLASE Института Физики Академии Наук Чешской Республики) выполнены следующие работы. В центре HiLASE начата конструкция вакуумной рабочей станции для плазменно-лазерной нанофункционализации материалов с помощью российских участников проекта. Начаты исследования функционализации поверхности кремния (покрытия поверхности периодическими структурами) с помощью лазеров, разработанных в HiLASE. Разработана плазмонная модель функционализации поверхности кремния, предсказывающая размер наноструктур в зависимости от параметров воздействия на материал. На основе экспериментальных и теоретических исследований даны рекомендации по функционализации поверхности кремния плазменно-лазерным методом. Результаты могут быть применены в различных областях науки и технологий. Наночастицы диоксида титана обладают высокой каталитической активностью и будут востребованы в катализе, медицине, для защиты окружающей среды от загрязнений. Функциональные свойства синтезированных наночастиц золото - серебро более эффективны для использования в биологии и медицине в качестве флюоресцентных маркеров и биосенсоров, чем однокомпонентные частицы золота или серебра, поскольку сочетают стабильность и биосовместимость золота с эффективной люминесценцией серебра. Выявленная возможность управления положением плазмонного резонанса может быть востребована в плазмонике и оптоэлектронике. Функциональные наноструктурные тонкие пленки субоксида кремния, синтезированные в рамках проекта, являются перспективным материалом для солнечной энергетики, поскольку имеют более высокую поглощающую способность в широком диапазоне длин волн. Прочностные качества и биоактивность графена используются для очистки и фильтрации жидкостей. Найдены способы очистки графена от кислорода и удаления дефектов из синтезированных образцов путем их отжига.