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 23-72-01024

НазваниеОптические нанокерамики с углеродными квантовыми точками

РуководительКиряков Арсений Николаевич, Кандидат 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 07.2023 - 06.2025 

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

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

Ключевые словаФизика конденсированного состояния, оптика, фотоника, наноинженерия, собственные и примесные дефекты, термобарический синтез, фотолюминесценция, время разрешенная спектроскопия, нанокерамика, графен, квантовые точки, углеродные квантовые точки.

Код ГРНТИ29.19.22

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные вызовы в материаловедении диктуют необходимость разработки и создания новых безкремниевых функциональных материалов, обеспечивающих широкую область применимости в том числе в условиях агресивных сред и интенсивных радиационных и электромагнитных полей. В связи с этим настоящий проект направлен на разработку и создание новых функциональных материалов на базе прозрачной нанокерамики с примесью наноуглерода в различных изоструктурных модификациях (аморфные углеродные кластеры, графеновые квантовые точки) для приложений фотоники и оптоэлектроники. Синтез оптических керамик с примесью наноуглерода будет реализован методом термобарического сжатия по запатентованной методике. Ключевая задача при реализации проекта заключается в комплексном анализе морфологических, структурных, фазовых, электронно-оптических характеристик, а также установлении фундаментальных закономерностей при формировании и модификации полученных материалов. Особое внимание будет уделено кинетике диссипации элементарных возбуждений в примесных углеродных нанострутурах. Будет проведён сравнительный анализ оптоэлектронных свойств нанокерамик с примесью углерода, полученного при концептуально различных подходах синтеза методами сверху-вниз и снизу-вверх.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта в результате применения технологии термобарического синтеза будет выполнена модификация оптических нанокерамик широкозонных оксидов углеродными наноточками (углеродными квантовыми точками), представляющими собой как аморфные кластеры, так и графеновые наночастицы. Будет проведён морфологический и структурно-фазовый анализ и установлены механизмы взаимодействия углеродных наноструктур с оксидной матрицей. Также будет выполнен комплексный анализ колебательных и элетронно-оптических свойств новых материалов и установлены фундаментальные закономерности адсорбционно-релаксационных механизмов, реализуемых в углеродных наноструктурах. Углеродные наночастицы являются эффективным механически и химически стойким, а также биосовместимым фотонным материалом, обеспечивающим широкий спектральный диапазон фотолюминесценции, высокую стабильность и наносекундные времена излучательной релаксации. По этой причине разработка новых функциональных материалов на основе углеродных кваноттвых точек является перспективным направлением исследования с высоким потенциалом реализации для повышения эффективности существующих оптоэлектронных устройств, таких как чувствительные сенсоры, фотодатчики, светодиоды, планарные лазеры.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Впервые методом термобарического синтеза получена нанокерамика MgAl2O4, функционализированная углеродными точками. Проведена комплексная характеристика полученных нанокомпозитов MgAl2O4:C методами РФА, СЭМ, РФЭС и Рамановской спектроскопии. Показано, что используемые технологические режимы синтеза позволяют минимизировать взаимодействие углерода с оксидной подрешеткой твердотельной матрицы и способствуют стабилизации углеродных точек. Методами оптической спектроскопии и спектроскопии фотолюминесценции со стационарным и лазерным возбуждением установлены типы оптических центров и природа фотолюминесценции. Синтезированные нанокомпозиты MgAl2O4:С прозрачны в видимой области спектра, а поглощение в УФ-области спектра связано с оптическими переходами как в собственных дефектах матрицы (F-центрах), так и в углеродных точках. Показано, что люминесценция, зависящая от возбуждения, связана с непрерывными энергетическими состояниями дефектов на поверхности углеродных точек. Полученные результаты указывают на возможность синтеза оптической нанокерамики со стабильными углеродными точками, распределенными по объему и слабо взаимодействующими с матрицей. С помощью оптической спектроскопии точечных примесных центров ионов группы железа был выполнен систематический анализ матрицы шпинели при термобарической обработке. Обнаружено формирование анти-сайт дефектов (ион алюминия в позиции магния и наоборот), модифицирующих спектральные характеристики анти-сайт дефектов. Результаты работы были опубликованы в следующих высокорейтинговых журналах: 1. Kiryakov A. et al. Structural features and photoluminescence of new transparent MgAl2O4 nanoceramics with chromium impurity //Ceramics International. – 2024. – Т. 50. – №. 5. – С. 7577-7588. 2. Kiryakov A. et al. Local symmetry of manganese ions in MgAl2O4 optical nanoceramics //Journal of Luminescence. – 2024. – Т. 266. – С. 120282. 3. Kiryakov A. et al. Carbon dots embedded in solid-state optically transparent matrices //Applied Materials Today. – 2024. – Т. 36. – С. 102067. Результаты работы были доложены на международной научной конференции International Conference «Materials Science and Nanotechnology» MSN-2023 Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia August 27-30, 2023 Кроме того, результаты работы были широко освещены средствами массовой информации: 1. https://www.1tv.ru/shows/dobroe-utro/reportazh/robot-svarshik-rodom-s-urala-dobroe-utro-fragment-vypuska-ot-25-03-2024 (time code: 43sec.) 2. https://rg.ru/2024/03/25/reg-urfo/uchenye-razrabotali-novuiu-keramiku-dlia-uluchsheniia-displeev-smartfonov.html

 

Публикации

1. Киряков А.Н., Дханушкоди С., Байтимиров Д.Р., Кузнецова Ю.А., Дьячкова Т.В., Чуфаров А.Ю., Тютюнник А.П. Structural Features and Photoluminescence of New Transparent MgAl2O4 Nanoceramics with Chromium Impurity Ceramics International, - (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.12.069

2. Киряков А.Н., Кузнецова Ю.А., Дханушкоди С., Дьячкова Т.В., Чуфаров А., Муруган Д., Тютюнник А.П. Carbon dots embedded in solid-state optically transparent matrices Applied Materials Today 36 (2024), Applied Materials Today. – 2024. – Т. 36. – С. 102067 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102067

3. Киряков А.Н., Фокин А.В., Дьячкова Т.В., Тютюнник А.П., Чуфаров А.Ю., Михайлевский Г.Б. Local symmetry of manganese ions in MgAl2O4 optical nanoceramics Journal of Luminescence, 266, 120282 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2023.120282

4. Киряков А.Н., Косых А.С., Дьячкова Т.В., Тютюнник А.П. Luminescent MgAl2O4 Optical Nanoceramics Doped with Carbon Particles Ural Federal University, Material Science and Nanotechnology (MSN-2023). Abstract Book of International Conference (год публикации - 2023)

5. - Новая нанокерамика поможет улучшить дисплеи смартфонов и телевизоров Портал УрФУ, - (год публикации - )

6. - Уральские ученые создали новую прозрачную нанокерамику Портал УрФУ, - (год публикации - )