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 19-79-00214

НазваниеСоздание гибридных металл-диэлектрических наноматериалов и наночастиц для биосенсорных и оптоэлектронных устройств нового поколения с использованием технологий жидкофазной лазерной абляции.

РуководительГурбатов Станислав Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет", Приморский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые словаимпульсная лазерная абляция в жидкостях, короткие и сверхкороткие лазерные импульсы, наночастицы и наноматериалы, диэлектрические и гибридные металл-диэлектрические наночастицы, поверхностно-усиленная Рамановская спектроскопия

Код ГРНТИ29.33.47

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изучение оптических свойства наночастиц на основе металлов, поддерживающих индуцируемые оптическим излучением резонансные колебания электронной плотности (локализованный плазмонный резонанс), а также субмикронных структур на основе диэлектриков и полупроводников с высоким значением показателя преломления уже три десятилетия является магистральным направлением фундаментальных и прикладных исследований в таких активно развивающихся областях, как нанофотоника, плазмоника, оптоэлектроника и т.д. Неослабевающая популярность такого рода наноматериалов связана с их уникальными оптическими свойствами. В частности, плазмонные наночастицы позволяют генерировать вблизи своей поверхности многократно-усиленные электромагнитные поля («горячие точки»), локализованные на суб-волновых масштабах, в то время как диэлектрические наночастицы поддерживают оптически индуцированные оптический и магнитный отклик (резонансы Ми), обеспечивающий как существенное усиление поля, так и возможность управления диаграммой направленности излучения и т.д. Очевидно, что комбинация свойств диэлектрических и плазмонных материалов в рамках единой резонансной наноструктуры позволит сочетать управляемый и перестраиваемый магнитный оптический отклик с высокой степенью локализации и усиления электромагнитного поля, позволяя создавать наноматериалы с уникальными оптическими свойствами, оптимизированным соотношением радиационных и нерадиационных потерь, а также расширенным диапазоном рабочих частот. Вместе с тем, различие характерных размеров полупроводниковых и диэлектрических наночастиц диаметром 200-500 нм и плазмонных наночастиц с размерами менее 50 нм, требуемых для одновременного получения резонансного отклика в видимой области спектра, делает изготовление гибридных металл-диэлектрических наноструктур достаточно трудоемким, даже с использованием передовых и крайне дорогостоящих методов литографии. Данный проект направлен на развитие «зеленых» высокопроизводительных и простых в применении методов импульсной лазерной абляции в жидкостях с целью разработки экономически обоснованной технологий получения гибридных металл-диэлектрических наноматериалов с контролируемыми оптическим откликом. Проект предполагает широкоформатные фундаментальные исследования совокупности физических и химических процессов, протекающих при возбуждении лазерно-индуцированной плазмы, распространении кавитационного пузыря, и взаимодействия сформированных частиц с жидкостью после схлопывания пузыря с целью достижения возможности вариации основных структурных параметров, получаемых наноматериалов, таких как размеры, форма, химический состав, степень и характер допирования. Возможность управления основными структурными параметрами получаемых наноматериалов позволит контролировать и оптимизировать их оптический отклик, всестороннее теоретическое и экспериментальное изучение которого будет выполнено впервые и станет одной из ключевых стадий реализации данного проекта. Наконец, полученные металл-диэлектрические наночастицы будут опробованы в рамках задачах реализации высокоэффективных оптических наносенсоров, работающих на эффектах поверхностно-усиленной люминесценции и комбинационного рассеяния и предназначенных для экспресс-детектирования сверхмалых концентраций молекул органических и неорганических соединений, а также в качестве наноматериалов, внедряемых в различные функциональные слои перовскитных солнечных элементов для увеличения эффективности их работы. Таким образом, в рамках данного междисциплинарного проекта будет разработана и оптимизирована перспективная и экономически обоснованная технология получения уникальных гибридных металл-диэлектрических наноматериалов и наночастиц для биосенсорных и оптоэлектронных устройств нового поколения.

Ожидаемые результаты
Настоящий проект предполагает развитие высокоэффективных, простых в использовании и экономически обоснованных методов лазерной абляции в жидкостях в задачах создания гибридных металл-диэлектрических наноматериалов и наночастиц для биосенсорных и оптоэлектронных устройств нового поколения. К основным фундаментальным результатам, полученным в рамках реализации проекта, следует отнести детальные исследования совокупности физических и химических процессов, протекающих на границе «жидкость-твердое тело» при возбуждении лазерно-индуцированной плазмы, распространении кавитационного пузыря, и взаимодействия сформированных частиц с жидкостью после схлопывания пузыря с целью достижения возможности вариации основных структурных параметров получаемых наноматериалов, таких как размеры, форма, химический состав и степень допирования. К практическим результатам реализации проекта можно отнести: (i) гибкую и экономически обоснованную технологию получения гибридных металл-диэлектрических наноматериалов, (ii) прототипы оптических наносенсоров для экспресс-детектирования сверхмалых концентраций молекул органических и неорганических соединений, а также (iii) результаты тестовых испытаний перовскитных солнечных элементов с внедрёнными в их различные функциональные слои гибридными наночастицами. Уже сейчас, учитывая относительно невысокую стоимость сверхбыстрых систем развертки оптического пучка по поверхности мишени, использующейся для генерации наночастиц, а также высокие выходные интенсивности и частоты следования импульсов современных коммерческих лазерных систем, метод лазерной абляции в жидкостях обеспечивает конкурентоспособные скорости генерации наноматериалов, сопоставимые со значениями, достигаемыми при использовании методов химического синтеза. Данный факт обуславливает высокую практическую значимость исследований, направленных на разработку лазерных методов получения гибридных металл-диэлектрических наночастиц с уникальными оптическими свойствами для биосенсорных и оптоэлектронных устройств нового поколения. Практические результаты, полученные в рамках реализации новых многофункциональных биосенсорных платформ на основе гибридных наноматериалов, будут интересны для самого широкого круга применений: от детектирования взрывчатых веществ и анализа качества питьевой воды до экспресс-диагностики тяжелых заболеваний. Среди возможных потребителей можно указать медицинские учреждения и предприятия; производителей биохимических тестов и систем био-мониторинга, а также службы безопасности общественного транспорта. Важность, масштабность и своевременность выбранного направления исследований также очевидна из того факта, что исследования в области улучшения биосенсоров активно ведутся не только в частных и государственных академических институтах и образовательных университетах, но и в крупных международных компаниях, таких как Biotest, Biosensor и др. Полученные гибридные наноматериалы будут также опробованы для оптимизации свойств различных функциональных слоев солнечных элементов на основе свинцово-галоидных перовскитов. Внедрение различных наночастиц и материалов в солнечные элементы является магистральным направлением прикладных исследований, направленных на увеличение эффективности конверсии солнечной энергии. В рамках данной задачи, перспективность наночастиц, полученных методом лазерной абляции, обусловлена их удобным и простым внедрением в различные функциональные слои, изготавливаемые с использованием технологии жидкостного нанесения. Результаты фундаментальных и прикладных исследований предлагаемого проекта будут соответствовать мировому уровню, иметь фундаментальную и прикладную значимость, находясь в русле современных направлений исследований и тенденций развития в данной области, а также будут опубликованы в не менее чем 3-х высокорейтинговых международных изданиях, входящих в первый квартиль (Q1) базы данных «Сеть науки» (Web of Science) в соответствующих областях знаний. К работе над данным проектом будут привлекаться студенты и аспиранты Дальневосточного Федерального Университета и Института Автоматики и Процессов Управления ДВО РАН, сотрудником которых является руководитель проекта, что положительным образом скажется на качестве выполняемых молодыми исследователями квалификационных работ и будет способствовать расширению их научного кругозора. Частичная реализация проекта в образовательном учреждении позволит интегрировать созданную научную инфраструктуру и результаты, полученные в рамках данного междисциплинарного исследования, в процесс обучения молодых специалистов в виде новой международной образовательной программы, предполагающей привлечение специалистов мирового уровня.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках первого года работ по проекту детально исследованы механизмы жидкофазной лазерной абляции различных мишеней (объемных материалов, тонких пленок и дисперсий наночастиц) с целью разработки эффективных методов получения уникальных гибридных металл-диэлектрических наноматериалов. В рамках проведенных широкоформатных исследований, наиболее многообещающие результаты были достигнуты в изучении механизмов управляемого синтеза кристаллических и аморфных наночастиц диоксида титана (TiO2), декорированных плазмон-активными нанокластерами золота (Au), за счет облучения коммерческих нанопорошков, диспергированных в водном растворе тетрахлороаурата водорода, наносекундными импульсами основной и второй гармоники Nd:YAG лазера. В частности, была продемонстрирована принципиальная возможность контроля химического и фазового состава, среднего размера наночастиц TiO2, а также степени их декорированности золотыми нанокластерами. Проведенные спектроскопические исследования рассеяния единичных наночастиц Au@TiO2, а также соответствующие численные расчеты структуры электромагнитных полей вблизи их поверхности, указывают на перспективность использования таких гибридных наноматериалов для различных применений современной оптики, оптоэлетроники и нанофотоники, например, для реализации хемо- и биосенсорных платформ, а также солнечных элементов нового поколения. В качестве демонстрации применимости полученных гибридных наноматериалов Au@TiO2, на их основе был реализован и протестирован газовый сенсор хемирезистивного типа, демонстрирующий селективную чувствительность к аммиаку, ацетальдегиду и бензолу. В рамках первого года работ по проекту опубликовано 2 статьи в ведущих научных изданиях, а также накоплен существенный научный материал и задел, который будет использован для подготовки, как минимум, двух публикации в высокорейтинговых научных издания во второй год реализации проекта.

 

Публикации

1. Гурбатов С.О., Минчева Н., Ивамори С., Кулинич С.А., Кучмижак А.А. Создание декорированных золотыми нанокластерами наночастиц TiO2 с использованием метода жидкофазной лазерной абляции Квантовая электроника, - (год публикации - 2020)

2. Минтчева Н., Шринивасан П., Рапайян Дж., Кучмижак А., Гурбатов С., Кулинич С. Room-Temperature Gas Sensing of Laser-Modified Anatase TiO2 Decorated with Au Nanoparticles Applied Surface Science, Vol. 507 (2020), 145169 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.145169

3. - В ДВФУ разработали новый сенсор для обнаружения молекул опасных газов Электронное периодическое издание «Научная Россия», - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках второго года реализации проекта методами жидкофазной лазерной абляции суспензий коммерческих наночастиц и объемных мишеней в функционализированных солями благородным металлов жидкостях получена серия перспективных гибридных плазмон-диэлектрических наноматериалов (сферических поликристаллических наночастиц кремния и аморфных наночастиц диоксида титана, одновременно декорированных и допированных золотыми нанокластерами) под задачи оптической сенсорики и эффективного широкополосного поглощения солнечного излучения. Морфология, химический и фазовый состав полученных гибридных наноматериалов детально исследовались передовыми методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии в комбинации с изготовлением поперечных разрезов ионным пучком и энергодисперсионного анализа элементного состава с высоким пространственным разрешением. Методами оптической спектроскопии продемонстрировано, что тонкие пленки, сформированные аморфными сферическими наночастицами диоксида титана, декорированными и допированными золотыми нанокластерами, обеспечивают средний коэффициент поглощения излучения видимой и ближней ИК областей спектра не хуже 96%. Это делает изготовленные наноматериалы перспективными для задач широкополосного поглощения солнечного излучения, фототермической конверсии солнечного света, а также функционализации активных слоев солнечных батарей на основе свинцово-галогенидных перовскитов. Перспективность использования наночастиц для увеличения поглощения солнечного излучения функциональными активными слоями солнечных элементов также была подтверждена на основе численных расчетов методом конечных разностей во временной области. С использованием полученных наноматериалов (в виде суспензий наночастиц и функционализированных наночастицами целлюлозных мембран) продемонстрированы эффективные конвертеры солнечного света в тепло, позволяющие в два раза ускорить испарение воды, что может быть использовано для реализации компактных опреснителей воды. Кроме этого, комбинация в единой платформе полупроводниковой сферической наночастицы, поддерживающей резонансы Ми электрической и магнитной природы, а также наноразмерных кластеров благородных металлов, поддерживающих локализованные плазмонные резонансы на аналогичных оптических частотах, является крайне перспективным подходом для реализации сенсорных устройств на основе эффекта гигантского- комбинационного рассеяния света (ГКРС). В рамках проекта, единичные гибридные плазмон-диэлектрические наночастицы были использованы для надежного детектирования по характерным спектрам ГКРС рассеяния ряда практически значимых молекулярных аналитов (молекул красителей, лекарственных препаратов и т.д.), адсорбированных на поверхности наночастиц из спиртовых растворов при начальной концентрации молекул до 10^(-8) моль/л.

 

Публикации

1. Гурбатов С.О., Кулинич С.А., Кучмижак А.А. Au Nanoparticle-Decorated TiO2 Nanospheres Produced by Laser Reshaping in Water Solid State Phenomena, Vol. 312, pp 113-120 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.312.113

2. Гурбатов С.О., Модин Е., Пузиков В., Тонкаев П., Стороженко Д., Сергеев А., Минчева Н., Ямагучи Ш., Тарасенко Н., Чувилин А., Макаров С., Кулинич С.А., Кучмижак А.А. Black Au-Decorated TiO2 Produced via Laser Ablation in Liquid ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 13, Is. 5, pp. 6522–6531 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1021/acsami.0c20463

3. Шанкар П., Ишак М., Падарти Дж., Минчева Н., Ивамори С., Гурбатов С.О., Ли Дж., Кулинич С.А. ZnO@graphene oxide core@shell nanoparticles prepared via one-pot approach based on laser ablation in water Applied Surface Science, Volume 531, No 147365 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147365

4. - Во Владивостоке разработан новый материал для опреснения воды Вести.RU, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
В рамках реализации проекта отработаны эффективные и дешевые технологии жидкофазной лазерной абляции для получения уникальных плазмон-диэлектрических наноматериалов с широкополосным поглощением солнечной энергии под задачи фототермической конверсии солнечного света, а также функционализации активных слоев солнечных батарей. В дальнейшем разработанная технология может быть использована для получения гибридных наночастиц с морфологией и структурными характеристиками, оптимизированными под конкретный вид практических приложений. Например, с точки зрения дальнейшего улучшения локализации и поглощения солнечного спектра в функциональных слоях солнечных элементов перспективным подходом является максимизация оптического контраста между показателем преломления диэлектрической основы гибридной Ми-резонансной наночастицы и материалом активного слоя (например, свинцово-галогенидным перовскитом). С этой точки зрения, подход, использованный в данной работе, является универсальным, т.к. позволяет создавать гибридные наночастицы с диэлектрической Ми-резонансной основой практически из любого подходящего материала (например, кремний, германий и дихалькогениды), а также контролировать фазовый состав и степень декорированности плазмон-активными кластерами таких наночастиц за счет оптимизации условий эксперимента. Так, возможность изменять параметры лазерного облучения (длина волны, энергия и длительность в импульсе), а также тип мишени и жидкости, в которой проводится лазерная абляция, позволяет контролировать как морфологию полученных наночастиц, так и их химический и фазовый состав. В свою очередь, модификация фазового и химического состава диэлектрических Ми-резонансных наночастиц (за счет их допирования и/или декорирования) позволит посредством оптимизации радиационных и нерадиационных потерь в материале резонатора добиться еще большей эффективности поглощения энергии солнечного излучения, которая может быть направлена на генерацию электрон-дырочных пар или конверсии в тепло. К перспективным областям применения полученных гибридных наноматериалов можно отнести также усиление нелинейных оптических эффектов (генерация суперконтинума и гармоник высших порядком), а также реализация газовых и хемо- биосенсорных платформ, работающих на эффектах поверхностно-усиленной спектроскопии. Использование наноматериалов в виде наночастиц открывает перспективы для реализации сенсорных измерений непосредственно в жидкостях, например, в микрофлюидных устройствах.