|
Достижения по направлению
"Научные результаты по направлению: «Перспективные углеродные наноструктуры»" 1. Разработаны методы выращивания, выращены и набором физических методов изучены пленочные структуры оксида графена (ОГ) и его термически восстановленных производных (ТВОГ). Установлено присутствие в предельно окисленных пленках ОГ наноразмерных «островков» неокисленного sp2-углерода, изолированных друг от друга непроводящими областями матричного (окисленного) sp3-углерода (рис. 1а)(рис. 1а). Обнаружены нетривиальные магнитные свойства указанных «островков» и найдены режимы восстановления пленок ОГ, при которых они объединяются в электрически-связанные перколяционные структуры (рис. 1б)(рис. 1б). Доказана нанографенизация углеродных слоев при массовом уходе из пленок ОГ эпоксидных групп при его высокотемпературном отжиге (рис. 1в)(рис. 1в). Обнаружено существенное увеличение при этом плотности электронных состояний на уровне Ферми, причиной которого может быть формирование одномерных π-электронных зон на зигзагообразных участках линий разрыва углеродной сетки. Совокупность данных исследований пленок ОГ и ТВОГ указывает на их потенциальную пригодность для осуществления переноса особых квантовых качеств наноразмерных sp2-углеродных структур на макроуровень и последующей разработки на их основе новых функциональных материалов для электроники/спинтроники.
2. Разработана и реализована методика определения размеров, структурных характеристик и процентного содержания различных мультислойных нанографенов (нанографитов) в их трехмерно-разупорядоченных системах путём полнопрофильного моделирования спектра рентгеновской дифракции образца набором кривых рентгеновского рассеяния аналогичных образований модельных нанографенов с учетом радиального убывания межатомных расстояний в нанографенах и зависимости расстояния между ними от среднего числа образующих их атомов. С помощью указанной методики аппроксимации впервые в научной литературе удалось описать спектр рентгеновской дифракции порошка мультислойных нанографенов в широком угловом диапазоне, в том числе его малоугловой γ-пик, без предположения о присутствии в нем углеродных структур, отличных от нанографенов (рис. 2)(рис. 2).
3. Разработаны методы синтеза, синтезированы и изучены набором взаимодополняющих физических методов краевые ковалентные соединения мультислойных нанографенов с галогенами. Экспериментально доказано существование в мультислойных нанографенах периферийных π-электронных зон (топологических нулевых мод) и их сохранение при насыщении свободных σ-орбиталей краевых атомов углерода галогенами (рис. 3а)(рис. 3а). Определены спин-транспортные и спин-релаксационные характеристики электронов топологических нулевых мод и их изменения при галогенизации краевых атомов углерода (рис. 3б)(рис. 3б). Найденный способ деактивации краевых σ-орбиталей без разрушения топологических нулевых мод делает возможным выращивание в различных матрицах перколяционных структур нанографенов и мультислойных нанографенов, проявляющих уникальные квантовые свойства отдельных элементов сетки.
4. Изучены морфология, структура, электронное строение, магнитные и транспортные характеристики пленочных структур оксида графена и его термовосстановленных производных, выращенных на различных подложках. Результаты проведенных исследований указывают на потенциальную пригодность полученных пленочных материалов для практического применения, в том числе в суперконденсаторах, для очистки окружающей среды и улучшения методов опреснения морской воды. 5. Разработаны и реализованы методы выращивания под высоким давлением на различных подложках тонких нанокомпозитных пленок, сформированных in situ полимеризацией смол в присутствии армирующих агломератов нанографитов, очищенных от естественных ферромагнитных примесей (рис. 4а)(рис. 4а). Набором взаимодополняющих физических методов изучены строение и свойства пленок (рис. 4б)(рис. 4б), определены критические концентрации наполнителя, при которых в них формируются электрически связанные (перколяционные) структуры нанографитов (совершается перколяционный фазовый переход металл–изолятор) и установлены формы проявления перколяционных структур в данных измерений пленок. Обосновано влияние краевых π-электронных состояний нанографитов на свойства перколяционных структур, в том числе на электропроводность пленок. Указаны возможность и условия объединения нанографитов со спин-поляризованными состояниями зигзагообразных краев в магнитно-связанные перколяционные структуры.
6. Изучено влияние молекул адсорбированных газов на скорость релаксации спинов носителей тока в нанографитах. Оприраясь на данные сравнительных исследований температурных зависимостей скоростей релаксации спинов носителей тока в исходных нанографитах и в нанографитах, экспонированных в атмосфере различных газов (рис. 5а)(рис. 5а), сделан вывод о присутствии в наночастицах, взаимодействующих с адсорбированными молекулами кислорода или галогенов, канала релаксации спинов, отсутствующего в исходных образцах. Показано, что обнаруженный канал релаксации реализуется при взаимодействии спинов носителей тока со спин-поляризованными (магнитно-упорядоченными) состояниями на зигзагообразных краях нанографитов (рис. 5б)(рис. 5б), образующимися в результате стонеровского спинового расщепления краевых π-электронных состояний, вследствие усиления электрон-электронных взаимодействий при переносе части электронной плотности от нанографитов к адсорбированным молекулам. Предложенная методика выявления изменений магнитного состояния краев нанографитов при их взаимодействии с адсорбированными молекулами может быть использована при решении аналогичных задач и в других наноразмерных проводниках.
7. Разработаны оригинальные методы выращивания на различных подложках пленочных структур наноразмерных агломератов мультислойных графеновых нанокластеров (нанографитов) и пленок нанокомпозитов, сформированных
8. Методом спинового резонанса на электронах проводимости выявлено обратимое уменьшение плотности состояний носителей тока на уровне Ферми D(EF) мультислойных графеновых нанокластеров (нанографитов) при адсорбции на них молекул некоторых газов (рис. 7а)(рис. 7а). Показано, что указанный эффект можно объяснить спиновым расщеплением краевых π-электронных состояний нанографитов (магнитным упорядочением на краях частиц), вызванным усилением электрон-электронных взаимодействий вследствие увеличения D(EF) при переносе части электронной плотности от нанографитов к адсорбированным акцепторным молекулам (рис. 7б)(рис. 7б). Выработаны рекомендации по использованию обнаруженного свойства нанографитов для разработки на их основе пленочных материалов для газовых датчиков и сенсоров.
9. Предложена и реализована принципиально новая, простая и дешевая методика выращивания пленочных структур нанографитов (рис. 8а)(рис. 8а)на различных подложках, перспективных для создания элементов оптоэлектроники, работающих на новых физических принципах, с использованием в качестве исходного нанографитового сырья активированных углеродных материалов. Найдены способы модифицирования активированных углеродных материалов и режимы выращивания нанографитовых плёнок, при которых в составе плёнки формируются некоторые типы наноразмерных углеродных структур (рис. 8б)(рис. 8б) (рис. 8в)(рис. 8в).
10. Набором взаимодополняющих физических методов изучены строение и магнитные свойства многослойных углеродных нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом метана. Определены средние размеры и число углеродных слоев, образующих нанотрубки (рис. 9а)(рис. 9а), размытие плотности состояний вблизи уровня Ферми, температура вырождения газа несобственных носителей тока, концентрации локализованных спинов и несобственных двумерных носителей тока (рис. 9б)(рис. 9б). Сделано заключение о присутствии во внутренних областях нанотрубок, в том числе в их трубчатых полостях, ферромагнитных наночастиц. Выявлено различие в электронном строении углеродных нанотрубок и графита вблизи уровня Ферми (рис. 9в)(рис. 9в), которое можно объяснить большой плотностью электронных состояний около зигзагообразных участков концов нанотрубок и краев линейных структурных дефектов.
11. Синтезированы и изучены соединения внедрения наноразмерных частиц графита (нанографитов) с рядом веществ, в отношении которых макроскопический упорядоченный графит инертен. Установлено, что структура и электронное строение нанографита отличается от структуры и электронного строения макроскопического упорядоченного графита. В частности, нанографит может иметь вблизи уровня Ферми пик плотности краевых π-электронных состояний, отсутствующий в макроскопическом упорядоченном графите (рис. 10)(рис. 10).
12. Установлено, что в нанографитах – структурных блоках активированных углеродных волокон, скорость релаксации подвижных спинов, вопреки ожиданиям, зависит от температуры (рис. 11)(рис. 11). Показано, что этот результат невозможно истолковать в рамках известных механизмов электрон-фононного взаимодействия носителей тока в макроскопическом упорядоченном графите. В то же время, его можно объяснить в терминах модели электрон-фононного взаимодействия, учитывающей взаимодействие подвижных носителей парамагнетизма с локальными краевыми фононными модами нанографита, инициированными краевыми π-электронными состояниями. 13. Проведено систематическое исследование изменений электронного строения вблизи уровня Ферми и спин-релаксационных характеристик подвижных спинов нанографитов – структурных блоков активированных углеродных волокон, при адсорбции ими различных газов. Выявлены ранее неизвестные аспекты влияния адсорбированных газов на свойства волокон, в том числе, аномальное уменьшение скорости релаксации подвижных спинов при взаимодействии откачанного волокна с молекулами воздуха, с последующим её медленным увеличением до значения в исходном неоткачанном образце. (рис. 11)(рис. 11). Показано, что найденные особенности временных изменений скорости релаксации можно объяснить с учетом различия значений констант диффузии и противоположного влияния на скорость спиновой релаксации подвижных спинов молекул кислорода и воды.
14. Разработаны методы синтеза, синтезированы и изучены набором взаимодополняющих физических методов строение и свойства нанографитов, у которых доминирующая часть краевых атомов углерода химически связана с выбранным галогеном (рис. 12)(рис. 12). Показана возможность изменения электронной структуры и магнитных свойств нанографита путем химической модификации его краев. Полученный результат является важным этапом на пути к созданию наноразмерных магнитов нового типа на основе нанографитов с различным химическим состоянием противоположных краев. 15. Найдены режимы облучения различными ионами (протонами, Ar+ и B+) трехмерной разупорядоченной сетки несколькослойных нанографенов (нанографитов) и их соединений, приводящие к изменению магнитных свойств вещества (рис. 12а)(рис. 12а), при практически неизменной концентрации локализованных спинов. Показано, что причиной этого может быть слабое магнитное упорядочение в некоторых из нанографенов – вследствие неэквивалентного состояния их противоположных (относительно направления бомбардировки) краев (рис. 12б)(рис. 12б).
16. Совместно с сотрудниками ИСПЭ НАН Украины методом активации фосфорной кислотой полимера стерин/дивинилбензин при 800 K получен новый наноструктурированный углеродный материал. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии установлено существование на поверхности его микропор трех различных углерод-фосфорсодержащих функциональных групп. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
