Ядерно-физические методы и физические свойства наноструктур

В 2024 году по теме 8.4 ”Ядерно-физические методы и физиче- ские свойства наноструктур” проведены работы по синтезу, теоретическо- му и экспериментальному исследования свойств наноматериалов, исполь- зуя, в том числе, ядерно-физические методы. Методами Хартри-Фока в бази- се HF/6-31G* и функционала электронной плотности исследована возмож- ность проникновения атомов бериллия и бора внутрь каркаса фуллерена С60, а также формирования более сложных структур с атомами В, один или несколько атомов внутри, другой снаружи (B@C60B). Изучались энергети- ческие барьеры при проникновении атомов Be и B внутрь молекулы фулле- рена С60. Для этого рассматривались различные режимы проникновения внутрь фуллеренового каркаса: через шестиугольник, пятиугольник, и че- рез одинарную и двойную связи. Также рассматривались варианты реакции фуллерена на проникновение: адиабатического смещения атомов углерода вокруг проникающего атома и при неподвижном каркасе. Исследовались магнитные эффекты и способы их моделирования из первых принципов. В частности, в 2024 году были проанализированы всевозможные вклады в магнитную восприимчивость диэлектрических материалов в случае единой магнитной калибровки. Методом теоретического моделирования исследовалась динамика разле- та фрагментов молекулы воды, возникающих в результате взаимодействия с интенсивным излучением рентгеновского диапазона. Экспериментально изучено воздействие высокодозного (>1018см-2) об- лучения ионами гелия и аргона с энергией 30 кэВ на структуру и морфоло- гию поверхности углеродных материалов с существенно различной микро- структурой: высокоориентированного пиролитического графита, стеклоуг- лерода, углеродных волокон из ПАН и вискозы. Исследовано влияние де- формационного наноструктурирования меди, никеля и титана на ионно- индуцированную морфологию и распыление при высокодозном облучении ионами аргона с энергией 30 кэВ по нормали к поверхности. Распыление соизмеримого с размером зерен металлов слоя приводит к однородному ко- нусообразному рельефу, стационарная эрозия которого происходит со зна- чительным перепылением атомов. Исследованы анизотропные свойства слоя из углеродных нанотрубок при отражении электронов. Рассмотрена модель, в которой материал мишени состоит из УНТ без полимерной матрицы, все трубки одинаковые, однослой- ные и ориентированы в одном направлении. Выполнен анализ зависимости коэффициента отражения электронов от мишени, состоящей из вертикаль- но и горизонтально ориентированных по отношению к поверхности УНТ, от ИСТИНА 4 угла падения и энергии электронов. Результаты расчетов методом Монте- Карло показали, что только небольшая часть электронов отражается от ми- шени с поверхностным слоем из ориентированных углеродных нанотрубок. Отражение происходит только от слоя горизонтально ориентированных на- нотрубок при угле падения больше 80° и вертикально ориентированных на- нотрубок при угле падения меньше 10°. Эффект объясняется особенностя- ми формированием потока электронов в поверхностных слоях мишени. Раз- работана компьютерная программа для расчета распыления твердых тел ионами низких и средних энергий (0.1-100 кэВ) с учетом поверхностного нанорельефа и кристаллической структуры мишени. Программа протести- рована в расчетах коэффициентов распыления и энергетических спектров распыленных атомов. Рассмотрено распыление мишеней Si, Ti, Ni и V иона- ми Ar и Kr с энергией 0.1-10 кэВ. Проведено сравнение с результатами рас- четов с использованием известных программ TRIM.SP (Германия), SRIM- 2013 (Германия, США), ACAT (Япония) и др., а также с экспериментальны- ми данными. Установлено, что в рассмотренной области энергий программа SRIM-2013 работает неудовлетворительно, особенно в случае М1 < M2, где М1 и М2 – масса иона и атома мишени, соответственно. В расчетах с учетом поверхностного рельефа показано, что игольчатая (needle-like) структура поверхности может заметно подавлять распыление. Разработанная недавно теория отражения легких ионов от поверхности аморфного твердого тела, основанная на решении транспортного уравне- ния с использованием метода инвариантного погружения (Афанасьев, Ло- банова, Шульга, Поверхность, 2023), применена в расчетах отражения про- тонов с начальной энергией 1–10 кэВ от мишеней Be, C, Cu и W для различ- ной геометрии рассеяния. Полученные численные результаты по коэффи- циентам отражения частиц и энергии согласуются с результатами компью- терного моделирования и экспериментальными данными, что указывает на перспективность указанного подхода. Проведено исследование пленок оксида кремния, полученных методом PECVD на Si-подложках и имплантированных ионами 64Zn+ с дозой 7×1016cм- 2 и энергией 50 кэВ, а затем отожженных в кислороде при повышенных тем- пературах. После отжигов до 800оС профиль цинка смещался вглубь плен- ки, причем в этом случае цинк находился в пленке только в окисленном состоянии. При высоких температурах (более 800оС) профиль цинка сме- щался к поверхности пленки. Продолжены исследование физических процессов при прохождении кос- мического излучения через устройства перспективной бортовой электрони- ки космического аппарата. Вероятность мультибитового сбоя (МБС) борто- вой электроники космического аппарата была исследована на базе аналити- ческого подхода и сопоставлена с результатами расчетов методом Монте– Карло. Эта вероятность увеличивается с ростом ионизационных потерь энергии одиночного иона и плотности битов в статической памяти произ- вольного доступа (SRAM) с технологическим масштабом 65 нм. Показано, что протоны могут вызывать реакции с атомными ядрами материала элек- троники. Продукты ядерной реакции обладают достаточно энергией для прохождения через чувствительные области нескольких битов электрони- ки и могут сгенерировать избыточный заряд для сбоя в нескольких битах электронного устройства. Показана возможность синтеза наночастиц методом импульсной лазер- ИСТИНА 5 ной абляции тонких пленок кобальта в воде. Средний размер формируемых наночастиц варьируется в диапазоне 70–1020 нм в зависимости от толщины аблируемой пленки. При толщинах пленок менее 35 нм дисперсия наноча- стиц по размерам минимальна. Продолжена работа по разработке нанофильтров на основе УНТ (MWNT). Исследовались различные процедуры функционализации УНТ для улучше- ния адсорбционного потенциала примеси на стенке КНТ. Согласно нашим исследованиям, функционализированные УНТ могут удалять до 98% орга- нических загрязнителей и тяжелых металлов при работе в идеальных усло- виях. Показано, что, благодаря своей высокой адсорбционной способности, функционализированные УНТ являются перспективными наноматериала- ми для очистки воды. В ходе выполнения работ по изучению прохождения ионных пучков че- рез наноструктурированные материалы были приготовлены и испытаны два типа мембран из нанопористого оксида алюминия. Структурные особенно- сти образцов, полученных с использованием различных кислот, были иссле- дованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). СЭМ- изображения были проанализированы с помощью методов оценки фрак- тальной размерности. В экспериментах по ионному облучению диэлектри- ческих каналов на основе пористого оксида алюминия были исследованы пропускание и рассеяние ускоренных ионов He+ под различными углами между нормалью к образцу и направлением пучка. Показано, что пористая структура анодного оксида алюминия может быть успешно использована в качестве диэлектрической матрицы наноканалов для транспорта пучков. Транспортировка ускоренных заряженных частиц через диэлектрические каналы достигается благодаря малоугловому рассеянию, что обеспечива- ет локализацию эффектов ионного облучения. Введен в эксплуатацию ла- бораторный стенд для тестирования работы образцов газовых сенсоров в присутствии малых концентраций газов (CO, NH3, CH4). В ходе выполне- ния работ по изучению воздействия пучков ускоренных частиц на нано- структурированные материалы были проведены облучения нанокристалли- ческих оксидов металлов SnO2 и ZnO, полученных методами золь-гель тех- нологии и электроспиннинга, с помощью ускоренных электронов с энерги- ей 1 МэВ. Известно, что для эффективного воздействия на функциональные свойства материалов, используемых для создания газочувствительных эле- ментов, разрабатываются подходы с точки зрения инженерии дефектов, то есть направленного формирования и управления распределением и харак- тером дефектов структуры. Облучение ускоренными ионами и электрона- ми является одним из ключевых методов инженерии дефектов благодаря возможности контролировать область воздействия, энергию и поток пучка ускоренных частиц. Анализ состава и структуры образцов газовых сенсо- ров, облученных электронным пучком в НИИЯФ МГУ показал возрастание количества дефектов после облучения и увеличение доли поверхностного кислорода по данным РФЭС и Мессбауэровской спектроскопии. Получен- ные результаты свидетельствуют о возрастании чувствительности сенсоров, использующих облученные материалы, к угарному газу в 2 и более раз при дозе облучения от 100 до 1000 кГр. Проведено компьютерное моделирование распыления поверхности меди пучком газовых кластерных ионов аргона с энергией 10 кэВ и с размера- ми в диапазоне от 50 до 500 атомов при различных температурах мишени в ИСТИНА 6 диапазоне от 300 до 1100 К. Рассчитаны зависимости коэффициента распы- ления от температуры мишени. Показано, что для всех размеров кластера наблюдается рост коэффициента распыления с увеличением температуры мишени, однако для кластеров большого размера этот рост гораздо более значителен. Данная разница объясняется различием механизмов распыле- ния кластерами с различными значениями удельной энергии. Проведен расчёт энергии связи атомов на поверхности твёрдых раство- ров на примере системы NixPdy с помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. В результате показано, что средние зна- чения поверхностной энергии связи зависят от концентрации компонентов сплава. При этом энергия связи атомов никеля на поверхности немонотонно зависит от концентрации палладия в сплаве, в то время как концентрация палладия монотонно убывает. Продолжены исследования новых магниторезистивных структур. В част- ности, были успешно развиты оригинальные наработки в области спинтро- ники и магниточувствительных датчиков. На основе Патента РФ № 2778689 от 29.06.2021 «Способ магнитной криптографии и устройство для ее осу- ществления» было разработано и испытано оригинальное устройство дву- мерного сенсора на основе плоской матрицы магниточувствительных эле- ментов, в рамках реализации которого получены Свидетельства о государ- ственной регистрации программ для ЭВМ: «Модуль обработки данных для устройства преобразования аналоговой информации с валидатора магнит- ных данных» № 2024686311 от 17.10.2024 и «Интерфейс оператора систе- мы сбора информации и управления магнитной матрицей» № 2024685525 от 17.10.2024. Исследованы структурные нарушения в кремниевых нанопроволках при облучение ионами Ar+ с энергией 250 кэВ и флюенсами 10е13–10е16 см– 2. Методом рамановской спектроскопии исследована зависимость разруше- ния структуры при ионном облучении от флюенса. Показано, что аморфиза- ция пористого кремния происходит при более высоких значениях смещения на атом, чем в тонких кремниевых пленках.