Физика, технология и инженерия дефектов материалов для альтернативных источников энергии, фотовольтаники и сенсорики

Целями научного исследования являются: Новые сложные оксиды d-металлов, термомеханические и электрохимические свойства которых позволят использовать их в качестве электродных материалов ТОТЭ и ТОЭлЭ. Поиск и исследования возможных мемристорных эффектов в многослойных структурах на основе этих материалов. Результаты численного моделирования термодинамических и электрохимических процессов в батареях ТОТЭ на пористом несущем аноде. Результаты моделирования электрохимических процессов, протекающих в батареях высокотемпературных твердооксидных электролизных элементов. -Будут развиваться различные направления «инженерии дефектов» в полупроводниках, диэлектриках и ионных проводниках. Будут целенаправленно модифицированы в широких пределах электронные и другие свойства материалов, что позволит расширить область их практических применений. - Будут изучены возможности улучшения физических и физико-химических свойств нано структурированного графена путем синтеза гибридных структур графен – ультратонкие пленки различных полупроводников. - Будут исследованы возможности приготовления контактов ферромагнитных металлов (Fe, Co) к ультратонким тонким пленкам органических молекулярных матриц с помощью напыления на подложку, охлажденную в диапазоне температур от жидкого азота до комнатной с применением нескольких моноатомных буферных слоев конденсированного ксенона. - Будут исследованы морфология и электронная структура гибридных нано материалов металлические нанообъекты - сильно фторированный органический полупроводник с широкой запрещенной зоной. Будет изучено взаимодействие на границах раздела между внедренными нанообъектами и органической матрицей. - Будет исследована взаимосвязь электронного спектра, включая поверхностные состояния, с кристаллической структурой планарных и точечных дефектов вблизи поверхности слоистых систем с топологическими особенностями. Будет исследовано распространения и поглощения электромагнитного излучения в гибридных оптических наноструктурах на основе тонкопленочных сверхпроводящих наноструктур на поверхности нелинейных оптических кристаллов. - Будут практические рекомендации для увеличения дальности передачи ключей в системах волоконной квантовой криптографии. - Будет получена новая информация об атомной и электронной структуре нескольких низкоразмерных слоистых систем, представляющих интерес с фундаментальной и практической точек зрения (слои графена на поверхности карбида кремния, соединения Bi2-xInSe3 с различным содержанием индия, ультратонкие слои металлов на вицинальных поверхностях Si(111), монокристаллы GeTe). - Будут изучены особенности формирования СТМ-изображений атомного разрешения в слоистых многокомпонентных системах при различных параметрах туннелирования (туннельное напряжение, величина туннельного промежутка). - Будет изучена роль различных электронных состояний поверхности и острия, а также релаксаций атомов зонда и образца в формирование изображений атомного разрешения с различной симметрией. - Будут изучены особенности визуализации подрешеток атомов различной химической природы, а также дефектов кристаллической решетки в соединениях Bi2-xInSe3 и GeTe. - Будут изучены особенности электронной структуры междоменных границ в слоях наноструктурированного графена, синтезированного на карбиде кремния. Актуальность исследований обусловлена необходимостью быстрого развития технологий ТОТЭ, обеспечения высокой надежности и эффективности новых электрохимических генераторов (ТОТЭ) для эффективного и экологически чистого преобразования энергии углеводородов в электрическую энергию. Создание фотонных структур, исследование их структуры и динамики, процессов самоупорядочения в жидкокристаллических наноплёнках актуально для понимания физики систем ограниченной размерности, процессов, происходящих в наноматериалах, биологических системах. Актуальность создания и изучения частиц, обладающих заданной системой пор, специальной структурой и морфологией обусловлена их потенциальным применением в фармакологии и в медицине, в биологических и химических сенсорах и других областях использования. Исследования излучательной рекомбинации на глубоких энергетических состояниях, связанных с дислокациями в кремнии, актуальны в связи с созданием светоизлучающих структур на основе кремния для целей современной оптоэлектроники. Актуальность создания УФ фильтров на основе полученных кристаллов связана с их потенциальным использованием для дистанционной инспекции линий электропередач, экологического мониторинга земных и водных пространств, отслеживание траекторий движения ракет и реактивных снарядов. Получение и исследование новых сложных оксидов d-металлов, термомеханические и электрохимические свойства которых позволят использовать их в качестве электродного материала для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и высокотемпературных электролизеров (ТОЭлЭ). Построение модели и численное моделирование термодинамических и электрохимических процессов в батареях из ТОТЭ на пористом несущем аноде и в батареях на основе твердооксидных электролизных элементов (ТОЭлЭ), с целью создания высокоэффективной батареи ТОТЭ и батареи ТОЭлЭ. - Развитие различных направлений «инженерии дефектов» в полупроводниках, диэлектриках и ионных проводниках. Современная «инженерии дефектов» основана на знаниях структуры и электронных свойств различных дефектов кристаллической решетки, включая и примеси, а также знаниях о процессах диффузии и реакций дефектов между собой и явлениях самоорганизации в системе дефектов. Это позволяет целенаправленно модифицировать в широких пределах электронные и другие свойства материалов, что чрезвычайно важно для многих практических применений. - Нано частицы металлов или графена, распределенные на поверхности и в объеме полупроводниковых или диэлектрических матриц, имеют большой потенциал для разработки новых приборов фотоники и оптоэлектроники. Процессы синтеза таких объектов не являются дорогими и трудоемкими. Мы предполагаем провести серию исследований по синтезу подобных материалов и изучению их фундаментальных характеристик. Исследование влияния планарных и точечных дефектов кристаллической структуры вблизи поверхности на свойства электронной системы в структурах с топологическими особенностями электронного спектра в слоистых системах и халькогенидах переходных металлов. - Исследование распространения электромагнитного излучения в тонкопленочных сверхпроводящих наноструктурах, сформированных на поверхности оптических нелинейных кристаллов с целью разработки интегральных устройств нелинейной оптики. - Исследование возможности передачи защищенной информации с использованием квантовых интерференционных эффектов на когерентных состояниях из независимых источников. - При изучении атомной и электронной структуры многокомпонентных слоистых систем с уникальными физическими свойствами важная информация может быть получена с использованием методов сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и спектроскопии (СТС) атомарного разрешения. Для выяснения особенностей формирования СТМ-изображений высокого разрешения, а также селективной визуализации подрешеток атомов различной химической природы в многокомпонентных слоистых соединениях планируется проведение экспериментов с атомарным разрешением и изучение зависимостей симметрии СТМ-изображений от параметров туннелирования (туннельного напряжения и расстояния «зонд-поверхность») для нескольких многокомпонентных слоистых систем, представляющих интерес с научной и практической точек зрения. Полученная информация будет способствовать развитию прецизионных методов анализа поверхности, а также поможет объяснить особенности электронной структуры исследуемых материалов. Предполагаемые результаты и их возможная практическая значимость: - Новые сложные оксиды d-металлов, термомеханические и электрохимические свойства которых позволят использовать их в качестве электродных материалов ТОТЭ и ТОЭлЭ. Поиск и исследования возможных мемристорных эффектов в многослойных структурах на основе этих материалов. Результаты численного моделирования термодинамических и электрохимических процессов в батареях ТОТЭ на пористом несущем аноде. Результаты моделирования электрохимических процессов, протекающих в батареях высокотемпературных твердооксидных электролизных элементов. -Будут развиваться различные направления «инженерии дефектов» в полупроводниках, диэлектриках и ионных проводниках. Будут целенаправленно модифицированы в широких пределах электронные и другие свойства материалов, что позволит расширить область их практических применений. - Будут изучены возможности улучшения физических и физико-химических свойств нано структурированного графена путем синтеза гибридных структур графен – ультратонкие пленки различных полупроводников. - Будут исследованы возможности приготовления контактов ферромагнитных металлов (Fe, Co) к ультратонким тонким пленкам органических молекулярных матриц с помощью напыления на подложку, охлажденную в диапазоне температур от жидкого азота до комнатной с применением нескольких моноатомных буферных слоев конденсированного ксенона. - Будут исследованы морфология и электронная структура гибридных нано материалов металлические нанообъекты - сильно фторированный органический полупроводник с широкой запрещенной зоной. - Будет изучено взаимодействие на границах раздела между внедренными нанообъектами и органической матрицей. - Будет исследована взаимосвязь электронного спектра, включая поверхностные состояния, с кристаллической структурой планарных и точечных дефектов вблизи поверхности слоистых систем с топологическими особенностями. Будет исследовано распространения и поглощения электромагнитного излучения в гибридных оптических наноструктурах на основе тонкопленочных сверхпроводящих наноструктур на поверхности нелинейных оптических кристаллов. - Будут практические рекомендации для увеличения дальности передачи ключей в системах волоконной квантовой криптографии. - Будут получены практически важные результаты для учета влияния побочных каналов утечки информации в реальных волоконных системах квантовой криптографии на криптографическую стойкость. Результаты будут использованы в практических разработках с индустриальными IT партнерами (ОАО ИнфоТеКС, Москва, Россия), а также с Российскими научными организациями консорциума (Центр квантовых технологий, МГУ, Москва, Россия, ИФТТ РАН официальный член данного консорциума) а также в разработках (ОКРах) в интересах соответствующих Ведомств. - Разработка методов генерации случайных чисел квантовыми генераторами случайных чисел для использования в системах квантовой криптографии. Результаты будут использованы в практических разработках с индустриальными IT партнерами (ОАО ИнфоТеКС, Москва, Россия), а также с Российскими научными организациями консорциума (Центр квантовых технологий, МГУ, Москва, Россия, ИФТТ РАН официальный член данного консорциума) а также в разработках (ОКРах) в интересах соответствующих Ведомств. - Будет получена новая информация об атомной и электронной структуре нескольких низкоразмерных слоистых систем, представляющих интерес с фундаментальной и практической точек зрения (слои графена на поверхности карбида кремния, соединения Bi2-xInSe3 с различным содержанием индия, ультратонкие слои металлов на вицинальных поверхностях Si(111), монокристаллы GeTe). - Будут изучены особенности формирования СТМ-изображений атомного разрешения в слоистых многокомпонентных системах при различных параметрах туннелирования (туннельное напряжение, величина туннельного промежутка). - Будет изучена роль различных электронных состояний поверхности и острия, а также релаксаций атомов зонда и образца в формирование изображений атомного разрешения с различной симметрией. - Будут изучены особенности визуализации подрешеток атомов различной химической природы, а также дефектов кристаллической решетки в соединениях Bi2-xInSe3 и GeTe. - Будут изучены особенности электронной структуры междоменных границ в слоях наноструктурированного графена, синтезированного на карбиде кремния.