Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведена структурно-морфологическая характеризация тетраподов ZnO, синтезированных методом высокотемпературного пиролиза. Исследованы люминесцентные и фотокаталитические свойств тетраподов ZnO в процессах деградации метиленового синего (МС) при облучении ультрафиолетовым светом (с доминирующей длиной волны излучения 253.7 нм, мощностью излучения 1.5 Вт, интенсивностью ~180 мВт/cм2). Показано, что морфология и структурные параметры тетраподов ZnO определяются условиями синтеза (главным образом концентрацией кислорода) в различных зонах роста в камере реактора. Наибольшими размерами и наилучшим кристаллическим качеством (размер области когерентного рассеяния) обладали тетраподы, выращенные в зоне 1 – самой близкой к источнику кислорода. Помимо кристаллического качества, для них характерно максимальное соотношение IКрЛ/IЗЛ, что является предпосылкой к максимальной ФК-активности (константа скорости 54 × 10–3 мин–1) в процессе деградации МС. Наименьшими размерами обладали тетраподы, выращенные в наиболее дальней от источника кислорода зоне 3 реактора. Несмотря на низкую скорость роста и сравнительно низкое кристаллического качество (размер области когерентного рассеяния), спектры ФЛ тетраподов зоны 3 характеризовались высоким соотношением IКрЛ/IЗЛ. Этот фактор и повышенная активная площадь поверхности тетраподов зоны 3 определяют высокую скорость фотодеградации МС (константа скорости 50 × 10–3 мин–1) при воздействии УФ-излучения .Предложен механизм фотодеградации МС с использованием тетраподов ZnO при воздействии УФ-излучения. Продемонстрированы сверхвысокие (до 1.5 µm/min) скорости осаждения ZnO в режиме распыления горячей мишени. Полученные образцы пленок ZnO толщиной свыше 50 µm, могут быть использованы в качестве подложечного материала в технологии изготовления светоизлучающих устройств в микроэлектронике. Микропористые пленки без специальной предварительной обработки поверхности и шаблонных технологий получены впервые. Микропористые структуры могут быть интересны для фотонных приложений: поры могут быть заполнены различными флюоресцирующими наполнителя. Кроме того, в спектре люминесценции ZnO содержатся две основные полосы: узкая полоса краевой люминесценции в области 380–390 nm и относительно широкая полоса видимой люминесценции, часто характеризуемой максимумом в зеленом диапазоне 490–530 nm. При условии заполнения пор материалом с люминесценцией в синей области микропористый ZnO может являться весьма перспективным источником белого света. Исследовано влияние морфологических и размерных параметров ансамбля микроструктур ZnO на эмиссионные спектры при возбуждении потоком быстрых электронов. В качестве объектов исследования использованы массивы вискеров, тетраподов и субмикронных частиц ZnO. Для сравнения в работе использовался метод рентгенолюминесцентного анализа. В процессе исследования обнаружено, что спектры КЛ и РЛ массива вискеров ZnO практически идентичны, что свидетельствует об их высоком кристаллическом качестве и минимальной подверженности деструктивному воздействию потока быстрых электронов. Тем не менее, повышение относительной интенсивности полосы свечения в области 395-396 нм связанной с рекомбинацией электроно-дырочной плазмы свидетельствует об электронной накачке виcкеров ZnO. Близость спектров КЛ и РЛ массива тетраподов ZnO, в которых наблюдается преимущественное свечение в зеленой области, свидетельствуют о высокой концентрации структурных дефектов, связанных с высокой скоростью синтеза в неравновесных условиях. На основе экспериментальных данных в работе сделан вывод, что “красное” смещение полосы экситонной люминесценции в ZnO при воздействии потоком быстрых электронов связан с деструкцией и обогащением приповерхностных слоев электронами. “Красное” смещение полосы экситонной люминесценции при облучении потоком электронов максимально для массива субмикронных частиц ZnO. Синтезированы радиационно-стойкие ансамбли одноосных структур и толстые пленки ZnO демонстрирующие субнаносекундную кинетику высвечивания рентгенолюминесценции. Обнаружена взаимосвязь условий синтеза с структурно-фазовым составом, спектральными особенностями люминесценции и сцинтилляционными характеристиками. https://link.springer.com/article/10.1134/S1063774524600212#Fun https://journals.vsu.ru/kcmf/article/view/12219

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Предложено несколько методов синтеза массива микротетраподов ZnO: карботермальный с применением бумажных обеззоленных фильтров (К-тип), газофазный (Гтип), эпитаксиальное осаждение на подложку. Изучено влияние условий синтеза микротетраподов ZnO на морфологию, люминесцентные, сцинтилляционные и фотокаталитические свойства микротетраподов ZnO. Показано, что при газофазном синтезе наряду с классическими микротетраподами формируются структуры типа лепестков“, в то время как при карботермальном только микротетраподы. На ромбоэдрической плоскости сапфира формируется высоко ориентированный ансамбль микротетраподов ZnO. Для образцов Г-типа достигнута высокая скорость фотодеградации метиленового синего (константа скорости k = 500 × 10-3 мин-1) при воздействие УФ-излучения, двукратно превышающая характеристики эталонного фотокатализатора TiO2 марки Р25 (константа скорости k = 240 × 10-3 мин-1). Предложен механизм фотодеградации органического загрязнителя. 2. Показано, что при газофазном синтезе (Г-тип) повышается кристаллическое качество микротетраподов ZnO. На спектрах ФЛ всех образцов наблюдаются типичные полосы УФЛ и ЗЛ, отношение интенсивностей УФЛ/ЗЛ для образцов К-типа и Г-типа в среднем составляет 0.21 и 0.77, соответственно. Для К-типа образцов, обнаружено красное смещение пика УФЛ, связанное с ухудшением кристаллического качества тетраподов. Кинетические измерения показали наличие в К-типа образцах как быстрой (∼1 нс), так и медленной (∼850нс) компоненты люминесценции, причем быстрая, как правило, не превышала 1% от интегральной интенсивности. Для Г-типа образцов быстрая люминесценция при рентгеновском возбуждении имеет максимум при 391 нм, ее интенсивность составляет 2.5−5% от интегральной интенсивности. В то же время интенсивность УФЛ при импульсном возбуждении примерно на два порядка выше, чем у ЗЛ. Для ориентированного ансамбля микротетраподов ZnO быстрая люминесценция при рентгеновском возбуждении имеет максимум при 390 nm, ее интенсивность составляет 2.1% от интегральной интенсивности. Продемонстрировано, что при импульсном возбуждении (длительность импульса — 0.5 нс, мощность — 50 Вт) значительную долю интенсивности составляет быстрая ультрафиолетовая компонента люминесценции, со временем спада порядка 0.7–0.8 нс. 2.- Предложен плазменный метод синтеза микропорошкового фотокатализатора на основе ZnO предусматривающий возможность их массового производства. Модернизирован волноводный микроволновый плазмотрон, работающий при атмосферном давлении и включен модуль тангенциального впрыска газа, придающий плазмообразующему потоку управляемое вихревое движение. Предложенная модернизация позволяет обрабатывать порошок с размером частиц до 30-40 мкм в высокотемпературном реакционном объеме. Измерения показали, что вблизи открытого конца трубки, примерно в 6-8 см ниже по потоку от нижней широкой стенки волновода, температура газа падает примерно до 900-950 К, что оптимально для формирования тетраподов ZnO. В отличии от газофазного и карботермального методов синтеза, где тетраподы достигали десятком микрометров, тетраподы получаемые с использованием СВЧ плазмы имели размеры до 1 мкм. 3. При детальном изучение фотоактивности микротетраподов ZnO в процессах фотодеградации хинолонов и фторхинолонов было обнаружено комплексообразование поверхностных ионов цинка с молекулами целевого загрязнителя. 4. Исследовано влияние ультразвукового воздействия на процесс фотокаталитического разложения метронидазола с использованием микротетраподов ZnO при одновременном облучении искусственным солнечным светом. Показано, что при использовании микротетраподов ZnO разложение метронидазола достигает значительной эффективности за счет комбинированного воздействия света и ультразвука, создающего пьезоэлектрическое поле на поверхности ZnO. Это пьезоэлектрическое поле способствует пространственному разделению фотогенерированных зарядов. Константа скорости разложения метронидазола при пьезофотокатализе выше константы скорости при фотолизе, сонолизе, сонофотолизе, пьезокатализе и фотокатализе в 1254, 35, 17, 8 и 4 раз, соответственно. 5. Были синтезированы и охарактеризованы микротетраподы оксида цинка (газофазный синтез), декорированные наночастицами Ag посредством фотохимического осаждения из раствора нитрата серебра AgNO₃ с концентрацией 0-1 ммоль. Обнаружена выраженная зависимость каталитической активности от содержания Ag с максимумом при 0,75 ммоль нитрата серебра в растворе. При 0,75 ммоль нитрата серебра в растворе, в процессе облучения симулированным солнечным светом, так и при ультразвуковой обработке оптимизированный композит Ag/ZnO демонстрировал снижение концентрации метронидазола на 93% в течение 5 минут при постоянной скорости 0,56 мин⁻1, что превышало скорость разложения при использование не декорированных микротетраподов ZnO более чем в 24 раза. Коллективный процесс связанный с воздействием дефектов, явлением плазмонно-индуцированного разделения зарядов и пьезоэлектрической поляризацией является основным механизмом, приводящим к усиленной генерации активных форм кислорода. 6. В результате проведенного анализа были получены новые знания о взаимосвязи структурно-морфологических характеристик, люминесцентных, сцинтилляционных и фотокаталитических свойств и условий получения микротетраподов на основе ZnO. а) Изучено влияние деформации на фотолюминесцентные и пьезокаталитические свойства микротетраподов ZnO и обнаружена их корреляция. Продемонстрировано влияние растягивающих напряжений на люминесцентные свойства: при удлинении на 4% интегральная интенсивность УФ-полосы фотолюминесценции в тетраподах ZnO снижается на 25%, а ее максимум смещается на 1.27 нм в длинноволновую область. Показано, что при ультразвуковом ассистировании эффективность катализа с применением тетраподов ZnO повышается на 42%. Причиной наблюдаемых эффектов является механически усиленное разделение заряда пьезоэлектрическими полями. б) Обнаружена взаимосвязь особенностей спектра фотолюминесценции (соотношение интенсивностей УФЛ/ЗЛ) с константой скорости деградации - для образцов микротетраподов ZnO с низким кристаллическим качеством (карботермальный синтез) увеличение соотношения интенсивностей УФЛ/ЗЛ наблюдается параллельно с увеличением константы скорости фотокатализа, что связано с присутствием глубоких ловушек носителей заряда подтвержденное временной селекцией спектров люминесценции- присутствуют длинные компоненты свечения. 7. Проведена обработка и анализ полученных результатов, по которым подготовлено 5 публикаций в рецензируемых журналах RSCI, Web of Science и Scopus, из них 1 публикация в журнале Q1, а также два тезиса доклада (устный и стендовый) на Всероссийской и Конференции с международным участием. По результатам выполнения проекта подготовлен итоговый отчет.