КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-22-00310

НазваниеЛюминесцентные структуры на основе нанотубулярных массивов нестехиометрического диоксида гафния

РуководительВайнштейн Илья Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаHfO2, нанопорошки, нанотрубки, собственные дефекты, фотолюминесценция, термолюминесценция, высокотемпературный отжиг

Код ГРНТИ29.19.22; 29.31.23; 31.17.15

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нанотубулярные структуры оксидов металлов прочно закрепились в нанотехнологической сфере как материалы, обладающие широчайшим спектром приложений и сочетающие в себе зачастую уникальные структурные особенности и специфическую морфологию. Подобные наноструктуры на основе диоксидов гафния находят применение в синтезе, фотокатализе, солнечной и водородной энергетике, опто- и наноэлектронике, медицине и др. Сегодня ведущими учеными всего мира активно ведутся поиски новых композиционных матриц на основе неорганических оксидных нанотрубок с целью оптимизировать их функциональные характеристики и расширить список возможных приложений. Настоящий проект направлен на исследования оригинальных твердотельных структур на основе нанотрубок диоксида гафния с различными структурными и физико-химическими особенностями. В технологической части проекта будут развиты фундаментальные основы синтеза нанотрубок HfO2-x с аморфной и кристаллической структурой различного фазового состава, с варьируемым показателем анионной нестехиометрии и с разным содержанием собственных и примесных дефектов. Будут изучены фундаментальные характеристики нанотубулярных массивов диоксида гафния, проанализировано влияние режимов синтеза и условий последующей термохимической и радиационной обработки на их оптические, люминесцентные и электрофизические свойства. Впервые будут получены фундаментальные данные о термостимулированных механизмах формирования люминесцентного отклика в облученных нанотрубках диоксида гафния. С точки зрения практической значимости полученные результаты предоставят физико-химическую основу для направленной разработки новых функциональных сред для нано- и оптоэлектроники, гибкой и гибридной электроники, а также других высокотехнологических приложений. Результаты исследований, проведенных в рамках проекта, будут представлены на профильных международных и всероссийских конференциях, направлены для регистрации в виде объектов интеллектуальной собственности и опубликованы в авторитетных исследовательских журналах, индексируемых в российских и международных базах научного цитирования.

Ожидаемые результаты
Научная значимость ожидаемых результатов научного исследования, полученных в ходе реализации проекта, соответствует мировому уровню и является конкурентной в области получения высокофункциональных нанотубулярных структур на основе анодных оксидов с уникальными электрофизическими и люминесцентными свойствами. Нанотрубки диоксида гафния различного фазового и дефектного состава будут синтезированы с использованием различных электрохимических режимов, а также будут изучены их оптические, люминесцентные и электрофизические характеристики. Высокий инновационный потенциал ожидаемых результатов обусловлен хорошими перспективами многоцелевых применений в различных высокотехнологичных областях: опто-, наноэлектронике, гибридной и гибкой электронике, люминесцентной дозиметрии, бетавольтаике и др. В течение первого года планируется синтез и аттестация полученных нанотубулярных массивов с использованием методов электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния, рентгеновской диффрактометрии и др. и установление влияния условий синтеза на морфологический и фазовый состав структур, а также исследование оптических и люминесцентных свойств нанотубулярного HfO2. В течение второго года планируется исследование влияние температур в диапазоне от криогенных до 1000 K на оптические и люминесцентные свойства структур, анализ проявлений эффектов нестихиометрии в анионной подрешётке, механизмов генерации электрон-дырочных пар при радиационном возбуждении и процессов рекомбинации и захвата свободных носителей заряда на оптически активных центрах собственной природы. Полученные результаты послужат научной основой для создания прототипов многофункциональных сред для совершенствования компонентной базы современной наноэлектроники. Фактически планируемые исследования соответствуют направлению Н1 "Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта". Высокий уровень результатов будет подтвержден публикациями в ведущих научных изданиях, планируется представить 4 статьи в международных изданиях, индексируемых в WoS и Scopus. Для апробации полученных результатов планируется участие в авторитетных конференциях и молодежных научных мероприятиях для получения опыта научного обмена аспирантом и студентом, принимающих участие в исследованиях.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследованы люминесцентные свойства нанотрубок диоксида гафния, которые были получены нами методом электрохимического оксидирования в потенциостатическом режиме. Показано, что в ходе синтеза выращены нанотрубки (НТ) длиной до 10 ± 3 мкм, а их средний внешний диаметр составил 46 ± 7 нм. По данным XRD-анализа, Рамановской и ИК-спектроскопии исходные НТ имели аморфную структуру, дальнейший отжиг до температуры 700°C приводил к образованию моноклинной фазы. Были измерены спектры диффузного отражения при комнатной температуре, которые затем были проанализированы с использованием формализма Кубелки-Мунка. Установлено, что в диапазоне энергий hν > 3 эВ присутствует спектральное плечо, которое обусловлено наличием оптически активных центров на основе анионных вакансий и приводит к искажению края собственного поглощения. В рамках модифицированного подхода Тауца с учетом поглощения кислородных вакансий выполнена оценка ширины оптической щели, которая формируется прямыми разрешенными межзонными переходами и составляет Eg = 5.65 ± 0.05 eV для исходных и 5.51 ± 0.05 eV для отожжённых нанотрубок. Полученные значения соответствуют аналогичным характеристикам для диоксида гафния в различных морфологических модификациях. Впервые были исследованы спектры катодолюминесценции (КЛ), а также проведено изучение фотолюминесцентных (ФЛ) свойств в диапазоне температур 10 – 300 K для НТ HfO2 различного фазового состава. Показано, что охлаждение до 10 K практически не влияет на форму полосы свечения синтезированных нанотрубок, максимум которой лежит в области 2.3 – 2.4 eV. Наблюдаемые ФЛ и КЛ отклики обусловлены процессами с участием вакансионных центров в анионной подрешетке диоксида гафния в различных конфигурационных и зарядовых состояниях. Исследование кинетических зависимостей ФЛ указывает на существование нескольких типов центров захвата в атомной структуре нанотрубок диоксида гафния, концентрация которых уменьшается в результате высокотемпературного отжига до 700°C и формирования кристаллической фазы с моноклинной симметрией. Выявленные закономерности могут быть полезными при оптимизации эмиссионных свойств в ходе создания новых люминесцирующих сред на основе нанотрубок диоксида гафния различного дефектно-фазового состава.

 

Публикации

1. Шилов А.О., Камалов Р.В., Карабаналов М.С., Чукин А.В., Вохминцев А.С., Михалевский Г.Б., Замятин Д.А., Хинайш А.М.А., Вайнштейн И.А. Luminescence in anion-deficient hafnia nanotubes Nanomaterials, Vol.13, no. 24, 3109. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13243109

2. Шилов А.О., Морозов А.Р., Камалов Р.В., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А. Анализ характеристик нанотрубок анодного HfO2 с использованием сверточных нейронных сетей Научно-технический вестник Поволжья, №9,С.198-202 (год публикации - 2023)