Синтетические подходы стабилизации свето- и термочувствительных материалов на основе сложных оксидных систем со спинодальным распадом

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 проекта 18-73-10212

НазваниеСинтетические подходы стабилизации свето- и термочувствительных материалов на основе сложных оксидных систем со спинодальным распадом

Руководитель Бойцова Ольга Владимировна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Термо и фотохромные материалы, наноматериалы, оксиды переходных металлов, спинодальный распад, метастабильные материалы, композитные материалы, пленки и покрытия, оптические свойства, терагерцовое излучение

Код ГРНТИ31.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку новых синтетических подходов для стабилизации системы со спинодальным распадом в виде порошков, эпитаксиальных пленок и покрытий. Основной задачей проекта является синтез и исследование физико-химических характеристик термо- и фоточувствительных материалов на основе системы VO2-TiO2. Решение этой задачи позволит выработать общие принципы прогнозирования функциональных свойств электрохромных/фотохромных и термохромных устройств на основании ключевых характеристик их компонентов. Поставленная в проекте задача представляет собой комплексное междисциплинарное исследование, направленное на разработку фундаментальных основ создания материалов на основе оксидных систем переходных металлов со спинодальным распадом с помощью различных приемов стабилизации, включая самоорганизацию с помощью ориентирующей матрицы и внешней подложки с заданными кристаллическими параметрами, и экспериментальное и теоретическое исследование их функциональных характеристик в широком диапазоне условий. Уникальная возможность удерживать метастабильные состояния поверхности для наночастиц и собирать их с помощью кристаллических подложек, сурфактантов, матриц полимеров и жидких сред в ориентированные ансамбли, и в тоже же время направленно воздействовать на размер кристаллитов и их взаимное расположение, позволит приблизить фундаментальные исследования системы VO2-TiO2, где TiO2 представляет собой широкозонный изолятор с фотокаталитической активностью, а VO2 проявляет весьма резкий переход металл-диэлектрик при 342К, к реальным устройствам. Ожидается, что создание структур на основе соседствующих обогащенных и обедненных титаном слоев VO2-TiO2 или ориентированных ансамблей отдельных теснограничащих кристаллитов, с высокой вероятностью может понизить температуру перехода металл-диэлектрик и вместе с тем позволит управлять коэффициентом пропускания системы. Актуальность планируемых в рамках настоящего проекта исследований обусловлена, во-первых, открытием спинодального распада в системе VO2-TiO2 четырьмя годами ранее, что сопровождается устойчивым ростом числа публикаций и патентов по данной тематике, особенно в 2017 году, во-вторых, значительным интересом, проявляемым исследователями и представителями промышленности к созданию и применению термо- и светоуправляемых устройств в высокотехнологичных отраслях таких как оптика, сенсорика, фотоника, аэрокосмическая отрасль, медицина, обеспечение безопасности и др. В ходе данного проекта на примере VO2-TiO2 будет проведен комплексный анализ факторов (в том числе условий синтеза и постобработки, эпитаксиального роста, размера зерен и ориентации кристаллических фаз и многое другое), определяющих характеристики возможных термохромных материалов, электрохромных материалов, материалов для терагерцовой оптики и др. Также результатом выполнения проекта будут разработанные методики для получения мезокристаллов TiO2, VO2 и твердых растворов VxTi1–xO2 и физико-химические аспекты и особенности образования неорганических ориентированных оксидов переходных металлов в матрице полимера. Установленные зависимости на основе in-situ техник, несомненно, внесут вклад в знания о кристаллизации гибридных материалов, позволят проектировать свойства материалов и выдвигать гипотезы относительно потенциальных особенностей применения получаемых композитов. Научная значимость поставленной задачи обусловлена необходимостью развития фундаментальных представлений о физико-химических процессах, протекающих в системах со спинодальным распадом, и разработки общих неэмпирических подходов к созданию таких материалов на основе оксидов переходных металлов с высокими функциональными характеристиками. Объединение двух соединений, обладающих такими большими различиями в свойствах как VO2 и TiO2, делает ее уникальной и интересной с точки зрения практической значимости. Стоит отметить, что в других системах со спинодальным распадом разница в компонентах чаще всего не столь существенна. Достижимость успешного решения поставленной задачи и получения запланированных результатов обусловлена следующими факторами. Авторы предлагаемого проекта имеют многолетний экспериментальный опыт в области синтеза кристаллических оксидных материалов переходных металлов в виде порошков, пленок и покрытий с использованием различных подходов, включая сольвотермальный метод (в том числе с дополнительным микроволновым воздействием), метод химического осаждения из газовой фазы, а также значительный опыт анализа структуры подобных объектов с использованием современных методов. Исполнители проекта имеют большой опыт в области создания фотоактивных материалов на основе диоксида титана, в т.ч. гибридных органо-неорганических композитов, диоксида ванадия и других оксидных систем переходных металлов, а также анализа их свойств и математического моделирования. Коллектив авторов имеет в своем распоряжении ряд экспериментальных установок (в т.ч. уникальных) для анализа электрических свойств, свойств проводимости и оптических характеристик. У авторов проекта имеется экспериментальный задел, подтвержденный публикациями в высокорейтинговых журналах и патентами, свидетельствующий о возможности получения материалов на основе предложенной системы с высокими эксплуатационными характеристиками.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Boytsova, O., Dovgaliuk, I., Chernyshov, D., Eliseev, A., O’Brien, P., Sutherland, A.J. & Bosak, A. Polar and non-polar structures of NH4TiOF3 J. Appl. Cryst., Boytsova, O., Dovgaliuk, I., Chernyshov, D., Eliseev, A., O’Brien, P., Sutherland, A.J. & Bosak, A. (2019). J. Appl. Cryst. 52 (год публикации - 2019)
10.1107/S1600576718016606

2. D. I. Sharovarov, F. Ya. Akbar, D. P. Lelyuk, A. M. Makarevich, O. V. Boytsova and A. R. Kaul Effect of MIT in epitaxial VO2 films on THz transmittance EPJ Web Conf., EPJ Web of Conferences 195, 06015 (2018) (год публикации - 2018)
10.1051/epjconf/201819506015

3. Макаревич О.Н. , Иванов А.В., Гаврилов А.И., Макаревич А.М., Бойцова О.В. Effect of r-Al2O3 Single-Crystal Substrate on Growth of Ti1– xVxO2 Particles under Hydrothermal Conditions Russian Journal of Inorganic Chemistry (год публикации - 2020)
10.1134/S0036023620030080

4. Макаревич А., Макаревич О., Иванов А., Шароваров Д., Амеличев В., Бойцова О., Городецкий А., Наварро-Сиа М., Кауль А. Hydrothermal epitaxy growth of self-organized vanadium dioxide 3D structures with metal-insulator transition and THz transmission switch properties CrystEngComm (год публикации - 2020)
10.1039/C9CE01894H

5. А.В. Иванов, О.Н. Макаревич, О.В. Бойцова, Д.М. Цымбаренко, А.А. Елисеев, В.А. Амеличев, А.М. Макаревич Citrate-assisted hydrothermal synthesis of vanadium dioxide textured films with metal-insulator transition and infrared thermochromic properties Ceramics International (год публикации - 2020)
10.1016/j.ceramint.2020.05.058

6. Макаревич А.М., Соболь А.Г., Садыков И.И., Шароваров Д.И., Амеличев В.А., Цымбаренко Д.М., Бойцова О.В., Кауль А.Р. Delicate tuning of epitaxial VO2 films for ultra-sharp electrical and intense IR optical switching properties Journal of Alloys and Compounds (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2020.157214

7. Садовников А.А., Гаршев А.В., Елисеев А.А., Белтюков А.Н., Наранов Е.Р., Ли В., Сазерленд А.Д., Бойцова О.В. Nanowhiskers of K2Ti6O13 as a promoter of photocatalysis in anatase mesocrystals Catalysis Today (год публикации - 2021)
10.1016/j.cattod.2020.12.039

8. Садовников А.А., Нечаев Е.Г., Бельтюков А.Н., Гаврилов А.И, Макаревич А.М., Бойцова О.В. Titania Mesocrystals: Working Surface in Photocatalytic Reactions Russian Journal of Inorganic Chemistry (год публикации - 2021)
10.1134/S0036023621040197

Публикации