Физика и технологии новых материалов и структур

Объектом исследования являются свойства дефектов структуры и влияние дефектов структуры на свойства различных новых или существенно модифицированных материалов, приводящие к интересным физическим свойствам или перспективные для ряда практических применений, в частности для для альтернативных источников энергии, фотоэлектроники и сенсорики. Целью работы использование дефектов структуры для модификации свойств твердых тел с целью создание новых материалов и структур, интересных для фундаментальных исследований или практических применений. Результаты работы: Получены образцы новых материалов и структур и проведены их предварительные исследования. В 2019г были проведены следующие исследования: - Исследование морфологии и структура пористой системы коллоидных частиц SiO2 и их ансамблей и эффективный показатель преломления фотонных структур на их основе. Методом гетерогенного гидролиза тетраэтилортосиликата (ТЭОС) получены частицы диоксида кремния с управляемым электрокинетическим потенциалом, демонстрирующие значения дзета-потенциала (ZP) в диапазоне -30 mV ÷ - 50 mV. Получены зависимости диаметра частиц диоксида кремния и их дзета-потенциала от параметра синтеза. - Построена компьютерная модель батареи твердо-оксидных топливных элементов (ТОТЭ), позволяющая вычислять ВАХ батареи в режиме постоянной выходной температуры воздуха. Проведено численное моделирование термодинамических и электрохимических процессов в конкретных батареях ТОТЭ. - Получение и исследование новых сложных оксидов d-металлов, с большими концентрациями вакансий кислорода, термомеханические и электрохимические свойства которых перспективны в качестве электродного материала в ТОТЭ. Были исследованы твердые растворы системы (La0.75Ca0.25)0.95Cr1-xFexO3-δ со структурой перовскита как потенциальные материалы для для катодов и анодов ТОТЭ. Показано, что для (La0.75Ca0.25)0.95Cr1-xFexO3-δ характерна орторомбическая структура при низких температурах, в то время как при нагреве свыше 800-1100К происходит обратимый переход к ромбоэдрической симметрии. Показано, что электронная проводимость имеет термоактивационный характер и увеличивается при увеличении концентрации железа. - Исследования структура и свойства нано-кристаллического ZnO с ферромагнитными границами зерен. Исследовалось микроструктура и магнитные свойства образцов аэрогелей ZnO, полученных методом сверхкритической сушки. Образцы содержат нано-зерна ZnO со структурой вюрцита и демонстрируют наличие ферромагнитных свойств. Показано различие состояний кислорода в зернах ZnO со структурой вюрцита и в границах между зернами, содержащих аморфную фазу. - Генезиз зонного спектра и топологическая устойчивость краевых состояний и поверхностных в спин-холловских изоляторах. Получены необходимое и достаточное условия существования топологического спин-холловского изолятора. Часто используемым словам «топологически устойчивые краевые состояния относительно непрерывных деформаций гамильтониана, которые не захлопывают объемную запрещенную зону'', придан прозрачный физический смысл. П. Показано, что необходимым условием для существования топологически устойчивых краевых состояний является принадлежность к одной из кристаллических групп $p1$, $p1g$, $c1m$. Число состояний в объемных валентной зоне и зоне проводимости должно уменьшиться на одинаковое четное число. - Формирование солитонов в пайерлсовском полуметалле Sb и их взаимодействие с поверхностными состояниями. Энергетический выигрыш при пайерлсовском переходе обусловлен образованием ковалентных связей внутри сдвоенных плоскостей. В результате, кристаллическая структура Sb представляет собой последовательность ковалентно связанных пар атомных плоскостей (111) связанных силами Ван дер Ваальса. Нами были проведены модельные расчеты кристаллической структуры и электронного спектра, в том числе топологических поверхностных состояний, для модельной структуры, содержащей поверхности Sb(111), полученные в результате разрыва ковалентных связей. Показано, что разорванные ковалентные связи на поверхности приводят к перестройке кристаллической структуры – образованию топологического солитона вблизи поверхности. Образование топологического солитона приводит к уменьшению энергии структуры на 0.7эВ на атом поверхности. Наличие солитона приводит к высокой плотности поверхностных состояний состояний на уровне Ферми, что может привести к сверхпроводимости на поверхности сурьмы. - Адсорбция и диффузия кислорода на интерфейсе NbOx/Nb(110) на атомном уровне. Мы провели исследования методоми СТМ-СТС начальных стадий окисления поверхности раздела NbOx(111)/Nb(110), а также их эволюцию при последующем окислении при субмонослойных и нескольких монослойных покрытиях кислородом. Подробно исследованы последовательности формирование различных поверхностных структур. Показано, что избыток кислорода не может легко диффундировать через решетку NbO в нижележащий объемный ниобий и эти структуры достаточно стабильны. - Функционализация графена органическими красителями с использованием диазониевого химического подхода. Графен, функционализированный феназиновым красителем нейтральный красный впервые изучен методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (HR-XPS) и ультрафиолетовой фотоэмиссионной электронной микроскопии (UV-PEEM). Исследования методами NEXAFS и STM показали, что молекулы красителей могут образовывать различные структуры с молекулами, ориентированными почти параллельно или перпендикулярно поверхности. В последнем случае молекулы стоят на поверхности графена и демонстрируют ближний порядок с прямоугольной или косоугольной элементарной ячейкой. В первом случае молекулы красителя образуют плоские димерные структуры, связанные с образцом графен/SiC(001). UV-PEEM визуализация с контрастом работы выхода доказывает однородность системы на образцах миллиметрового размера. Исследования методами STS и электронной спектроскопии выявили модификацию электронной структуры функционализированных образцов графена/SiC(001), которая заключается в появлении запрещенной зоны и изменении работы выхода. - СТМ-исследования атомной структуры поверхности слоистых соединений. Методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) исследованы особенности атомной структуры поверхности и дефектов кристаллической решетки слоистых соединений α-GeTe и Bi2-xInxSe3. Показано, что при определенных режимах на поверхности наблюдаются особенности, отвечающие дефектам кристаллической решетки (атомам замещения, междоузельным атомам, примесным атомам замещения и внедрения) в верхних слоях под поверхностью, которые приводят к локальным изменениям электронной структуры поверхности. - Исследования влияния процедуры алюминиевого геттерирования и термообработок на температурную зависимость фотолюминесценции дислокационных структур в кремнии, сформированных путем имплантации ионов Si+ и модифицированных ионным легированием бором с различными дозами. Показано, что температурная зависимость интенсивности линии D1 дислокационной люминесценции претерпевает радикальные изменения как в результате геттерирования, так и идентичных ему термообработок. После процедуры геттерирования форма температурной зависимости интенсивности линии D1 не зависит от дозы имплантированного бора и наблюдается непрерывный рост интенсивности люминесценции от низких температур до 90К - 100 K, образуя максимум на температурной кривой. В случае же идентичных термообработок образцов (без нанесения Al слоя) обнаружена корреляция положения высокотемпературного максимума люминесценции с концентрацией имплантированного бора, а именно его смещение в область более высоких температур при увеличении содержания бора.