«Экспериментально-теоретическое исследование металлических и полупроводниковых наночастиц, процессов их взаимодействия, микро- и наноструктуры кристаллов, поверхностных слоев твердых тел, влияния рельефа поверхности на отражение и пропускание света оптическими элементами» (итоговый)

На этапе 2022 г. были продолжены исследования, отвечающие задачам предыдущих этапов и отвечающие атомистическому и термодинамическому моделированию структурных превращений в однокомпонентных и бинарных металлических наночастицах. Если ранее плавление и затвердевание металлических наночастиц изучалось в основном на примере наночастиц подгруппы меди, то на этапе 2023 г. основное внимание было уделено закономерностям и механизмам структурных превращений в наночастицах Pt и Pd, а также в наногсплавах Pt-Pd. В частности, как молекулярно-динамическое, так и термодинамическое моделирование, основывающееся на решении уравнения Батлера, предсказали поверхностную сегрегацию Pd в бинарных наночастицах Pt-Pd. Было также установлено, что наноструктуры ядро-оболочка Pt@Pd с оболочкой из атомов Pd характеризуются более высокой стабильностью, чем альтернативные наноструктуры Pd@Pt. Результаты указанных исследований отражены в кандидатской диссертации А.А. Романова, одного из исполнителей по данному проекту. Были также продолжены исследования по молекулярно-динамическому моделированию процесса коалесценции нанокапель и спекания твердых наночастиц. Было установлено, что закономерности и механизмы спекания металлических наночастиц в окрестности их температуры плавления существенно отличаются от механизмов спекания при более низких температурах (ниже 0,9 от температуры плавления). Результаты проведенных исследований опубликованы в журнале первой квартили (Samsonov V.M., Talyzin I.V., Puytov V.V., Vasilyev S.A., Romanov A.A., Alymov M.I. When mechanisms of coalescence and sintering at the nanoscale fundamentally differ: Molecular dynamics study // Journal of Chemical Physics. 2022. V.156. Issue 21. art.no.214302.). Задачи этапа 2022 г., связанные с атомистическим моделированием наносистем, отвечали воспроизведению в компьютерных экспериментах процесса газофазного синтеза однокомпонентных и бинарных металлических наночастиц. При этом были разработаны два подхода к моделированию газофазного синтеза: приближенный к реальной технологии вариант, отвечающий охлаждению газообразной фазы, и упрощенный, отвечающий добавлению к растущему нанокластеру следующей атомной оболочки и с ее последующей релаксацией. Первый из указанных подходов осуществлен на примере синтеза наночастиц Ag. При этом, в отличие от других авторов были использованы два различных типов многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия: потенциала, отвечающего методу погруженного атома и потенциала сильной связи. Начальная температура в зависимости от эксперимента составляла от 1000 до 3000 К. Затем она равномерно понижалась до 77 К, что соответствует температуре жидкого азота. Результаты, полученные с использованием альтернативных силовых полей согласуются друг с другом, но, вместе с тем, существенно отличаются как по динамике эволюции системы, так и по полученным конечным конфигурациям наночастиц. Увеличение радиуса обрезки потенциала сильной связи значительно изменяет скорость формирования наночастиц. Однако увеличение радиуса обрезки при моделировании с использованием метода погруженного атома не влияет на эволюцию системы. Конфигурации, полученные в результате моделирования с использованием метода погруженного атома характеризуются меньшим размером и формой, близкой к сферической, тогда как при использовании потенциала сильной связи формируются более крупные нанокристаллы с ГЦК структурой, имеющие вытянутую форму. Аналогичные исследования были проведены для бинарных газовых смесей на примере системы Ag-Au. Полученные результаты демонстрируют поверхностную сегрегации атомов Ag, в наружных монослоях конечных конфигураций наночастиц. Атомистическое моделирование послойного синтеза также осуществлено на примере бинарных наночастиц Ag-Au. На этапе 2022 г. экспериментально исследовались условия получения монокристаллов с совершенной структурой, разрабатывались методы изготовления на их основе оптических элементов с контролируемым нанорельефом полированных поверхностей. В качестве основных объектов исследования выступали монокристаллы германия и парателлурита, которые находят практическое применение в ИК оптике и фотонике. При этом технологии выращивания указанных нанокристаллров и отлажены в Тверском государственном университете и реализуются в рамках исследований по проекту. На этапе 2022 г. были осуществлены исследования, направленные на установление температурных и гидродинамических условий, препятствующих захвату газовых микропузырьков монокристаллами парателлурита. Эти исследования направлены на повышение качества выращиваемых монокристаллов. Были также изучены взаомосвязи между технологическими параметрами резки, шлифовки и полировки оптических элементов из монокристаллов и стекол с итоговым нанорельефом их поверхностей. В дальнейшем было исследовано влияние тонкой искусственной перестройки нанорельефа полированных поверхностей кристаллов на пропускание, отражение и рассеяние света оптическими элементами. В частности, воздействие на поверхность монокристаллов германия осуществлялось с использованием наносекундных УФ лазерных импульсов. Такой процесс можно интерпретировать как лазерное («сухое») травление поверхностей. Обнаружен ряд новых эффектов воздействия лазерного излучения на твердые поверхности. был обнаружен эффект селективного травления поверхности, т..е. соответствующее дислокационные ямки травления. Ранее аналогичный эффект наблюдался при воздействии серии лазерных импульсов на поверхность {111} монокристаллов кремния. В рамках данного проекта такое явление наблюдалось на поверхностях монокристаллического германия, соответствующих не только кристаллографическим плоскостям{111}, но и плоскостям {100} и {110}. При этом исследования были проведены как на типовых промышленных образцах с плотностью дислокаций ~ 104 см-2, так и на бездислокационных кристаллах. После изучения закономерностей формирования нанорельефа было исследовано влияние тонкой искусственной перестройки нанорельефа полированных поверхностей кристаллов на пропускание, отражение и рассеяние света оптическими элементами. С этой целью были проведены измерения коэффициента отражения ИК излучения от поверхностей полученных образцов. Исследования проводились на Фурье-спектрометре TENSOR 27 фирмы BRUKER с приставкой A519 . Кривые отражения построены штатным программным пакетом OPUS из комплекта спектрометра Установлено, что кривые отражения поверхности (001) лежат на 1-1.5% ниже всех остальных. Установлено, что "щелочное" подтравливание способствует незначительному уменьшению отражения на полированных поверхностях, в особенности для плоскости (110), а "кислотное" наоборот, незначительно увеличивает отражение. Свойства спеченных постоянных магнитов с механизмом коэрцитивной силы, связанным с задержкой зародышеобразования и роста домена обратного знака, в значительной степени определяется магнитным состоянием тонких поверхностных слоев составляющих их зерен, и более глубокое понимание процессов намагничивания-размагничивания, происходящих в оболочечной части зерен, очень важно для дальнейшего совершенствования магнитотвердых материалов. На данном этапе проекта в качестве модельных объектов использовались монокристаллы Nd2Fe14B и SmCo5. Применяя магнитооптическую керровскую микроскопию и традиционную магнитометрию, проведено сравнение процессов намагничивания-размагничивания, происходящих в тонком поверхностном слое и в объеме обоих монокристаллов. Показано, что при намагничивании вдоль оси с объем монокристаллов насыщается в поле, строго определяемом коэффициентом размагничивания объемного образца, тогда как в поверхностном слое магнитная доменная структура существует до 1,88 Тл для Nd2Fe14B и 1,19 Тл в SmCo5 независимо от их коэффициентов объемного размагничивания. Это означает, что поверхностный слой с ориентацией перпендикулярно оси с намагничивается как тонкая магнитная пленка и имеет эффективный коэффициент размагничивания Neff~1. Также показано, что этот эффект можно воспроизвести в рамках моделирования методом конечных элементов. Полученные результаты могут быть полезны для понимания формирования высококоэрцитивного состояния в постоянных магнитах, где важную роль играет феноменологическая концепция большого эффективного фактора размагничивания Neff.