Наноструктурная инженерия металлооксидных наноматериалов, предназначенных для использования в сенсорных технологиях

В рамках первого года выполнения проекта выполнены следующие работы: 1. Разработан набор методик управляемого синтеза металлоксидных наноматериалов (ZnO, SnO2 и нанокомпозитов на их основе) с заданными структурными параметрами, в рамках впервые предложенных методов и подходов наноструктурной инженерии, основанных на использовании комбинированных золь-гель систем, полученных смешением n золей с различным временем созревания (где n=2,3 и т.д.). 2. Проведено комплексное исследование металлоксидных наноматериалов (ZnO, SnO2 и нанокомпозитов на их основе) современными методами нанодиагностики (включая инфракрасную спектроскопию, атомно-силовую микроскопию, растровую электронную микроскопию, спектрофотометрию) как на этапе синтеза комбинированных золь-гель систем, так и после их формирования на различного типа подложках. Установлено, что смешение n золей с разным временем созревания, для каждого из которых характерно свое собственное распределение фрактальных нанообъектов по размеру, приводит к новому типу распределения, который зависит от объемного соотношения. 3. Развита и расширена методика определения концентрации и среднего размера наночастиц фрактальной природы, образующихся и динамически изменяющихся в ходе реакции гидролитической поликонденсации в комбинированных золь-гель системах оксида цинка и диоксида олова, а также нанокомпозитов на их основе. В основе разработанной методики лежит объединение спектроскопических закономерностей, характеризующих коэффициент пропускания ИК излучения через исследуемые золь-гель системы, и модельных представлений о самосборке и самоорганизации наночастиц фрактальной природы в соответствии с модифицированной моделью диффузионно-лимитированной агрегации. 4. Проведены исследования кислотно-основных и донорно-акцепторных свойств металлооксидных наноматериалов (ZnO, SnO2 и нанокомпозитов на их основе), полученных на основе комбинированных золь-гель систем, в рамках метода индикаторов Гаммета. Установлено, что вариация времени созревания золя, а также объемных соотношений золей при смешении приводит к сложному немонотонному характеру зависимости количества адсорбционных центров как функции pKa. 5. Установлены корреляционные зависимости между технологическими режимами синтеза, структурными параметрами металлокосидных наноматериалов и их электрофизическими характеристиками. В рамках первого года выполнения проекта получены следующие результаты 1. Набор методик управляемого синтеза металлоксидных наноматериалов (ZnO, SnO2 и нанокомпозитов на их основе) с заданными структурными параметрами, включая размер кристаллитов, пористость (концентрацию макро-, мезо- и микропор), а также площадь межкристаллических барьеров в рамках золь-гель технологии. 2. Результаты комплексного исследования металлоксидных наноматериалов (ZnO, SnO2 и нанокомпозитов на их основе) современными методами нанодиагностики, демонстрирующие формирование нового типа морфологии поверхности пленок металлооксидных наноматериалов. В частности для комбинированных золь-гель систем ZnO, полученных путем смешения пленкообразующих золей со временем созревания 1 ч и 24 ч в объемном соотношении 1:1, продемонстрирован новый тип морфологии поверхности, включающий несколько уровней пространственной иерархии (идентифицируется уровень наноструктур, образованный ветвями ZnO, размер которых составляет от 0.3 мкм до 1 мкм, и уровень микроструктур, основу которых составляют ветвистые структуры размером 3 мкм и более). 3. Развитая и расширенная методика определения концентрации и среднего размера наночастиц фрактальной природы, образующихся и динамически изменяющихся в ходе реакции гидролитической поликонденсации в комбинированных золь-гель системах оксида цинка и диоксида олова, а также нанокомпозитов на их основе. Предложена модификация модели диффузионно-лимитированной агрегации, основанная на предположении о зависимости эффективной вероятности соударения, определяющей константу быстрой коагуляции Смолуховского, от соотношения концентраций крупных фрактальных агрегатов и более мелких, а также от их размера. 4. Результаты исследования кислотно-основных и донорно-акцепторных свойств металлооксидных наноматериалов (ZnO, SnO2 и нанокомпозитов на их основе), полученных на основе комбинированных золь-гель систем, в рамках метода индикаторов Гаммета, демонстрирующие немонотонную взаимосвязь количества кислотных центров типа Бренстеда со временем созревания пленкообразующих золей. 5. Корреляционные зависимости между технологическими режимами синтеза, структурными параметрами металлокосидных наноматериалов и их электрофизическими характеристиками, в том числе связывающие концентрацию и средний размер фрактальных нанообъектов как функции коэффициента пропускания ИК-излучения. Полученные зависимости позволяют гибко управлять структурными параметрами металлооксидных наноматериалов, синтезируемых на основе комбинированных золь-гель систем как на микроуровне за счет ограничения времени созревания золя и вариации объемного соотношения золей при смешении, так и на макроуровне за счет вариации температуры отжига.