Грант РНФ 21-19-00226 "АРКТУР"

Выполненные в 2021 году работы и полученные научные результаты:

1) Создан первый блок нового научно-методического численного аппарата (НМЧА), который предназначен для проведения планируемого эксперимента с целью выявление оптимальной длины волны лазера, работающего в импульсном режиме, обеспечивающей надлежащее качество лазерной наносварки разветвленных 3D-сеток из одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), их вторичных структур (жгутов) и графеновых моно-/слоистых чешуек, в том числе высокие электропроводность и механическая твердость создаваемых наноконструкций. Созданный блок НМЧА реализует оригинальные методики физико-математического моделирования взаимодействия электромагнитного излучения с нанообъектами 3D-сетки из ОУНТ, их жгутов и графеновых моно-/слоистых чешуек и моделирования процесса теплопереноса в наноструктурах:

а) методика вычисления оптических параметров (коэффициентов прохождения, отражения, поглощения) наноструктур в диапазоне УФ-видимый-ИК, развитая для рассмотрения электромагнитных волн различной поляризации (p-поляризованной волны (TM-волны) и s-поляризованной волны (TE-волны)) при наклонном падении волны на границу раздела сред и для учета межзонных и внутризонных переходов электронов при расчете матрицы электрон–фотонного взаимодействия;

б) методика молекулярно-динамического моделирования процесса наносварки при поглощении энергии лазерного излучения, развитая для учета кондуктивного теплоотвода и радиационного (излучательного) теплоотвода;

в) оригинальная методика моделирования процесса теплопереноса в наноструктурах с учетом теплоотвода излучением и многократного рассеяния электромагнитных волн на УНТ.

2) Исследован радиационный обмен тепловой энергией между УНТ различных диаметров и типов: кресельных (с металлическим типом проводимости) и зигзагообразных (металлических и полупроводниковых). В результате расчетов показано, что радиационный поток энергии между двумя металлическими УНТ почти на три порядка превышает поток энергии между двумя полупроводниковыми УНТ близкого диаметра и между полупроводниковой и металлической УНТ. Потоки тепловой энергии между металлическими зигзагообразной и кресельной УНТ сопоставимы. Показано, что учет многократного рассеяния волн существенен для металлических УНТ – он дает результат на порядок больший чем получается при игнорировании рассеяния. В то же время, для полупроводниковых УНТ эффект многократного рассеяния незначителен и его можно не учитывать.

3) Развит новый способ синтеза ОУНТ с заданными характеристиками методом химического осаждения из газовой фазы на поверхности аэрозольного катализатора с использованием изопропилового спирта в качестве сырья. Показано, что остатки ферроцена играют важную роль в активации катализатора и зародышеобразовании ОУНТ, что позволяет контролировать производительность катализатора, а также характерный размер нанотрубок. Полученные нанотрубки обладают низкой дефектностью и малой долей аморфного углерода.

4) Разработан новый метод синтеза графена из монооксида углерода на поверхности медного катализатора как в твердом, так и в расплавленном состоянии при атмосферном давлении. Показано, что геометрия кристаллов, а именно наличие межзеренных границ существенным образом определяется концентрацией диоксида углерода. Выявлено, что повышение концентрации диоксида углерода приводит к травлению кристаллитов, что является принципиально новым процессом, не наблюдавшимся ранее.

5) Проведены исследования спектров хиральных ОУНТ типа (6,5), (6,3), (7,5), (12,6), (8,3), (8,4), (7,6), (12,8), (14,4), (10,6), (8,6), (9,4), (11,10) и (16,0), отвечающих экспериментальным данным о наиболее часто синтезируемым одностенным нанотрубкам диаметром ~ 0.7-1.3 нм. Установлено, что в интервалах длин волн 200-300 нм (УФ-диапазон) и 1000-1100 нм (ближний ИК-диапазон) наблюдается наибольшее количество пиков интенсивности поглощения независимо от типа хиральности нанотрубок.

6) Определено распределение значений плотности энергии лазерного излучения (0,061–0,8 Дж/см2) первой и четвертой гармоник Nd:YAG лазера – 266, 1064 нм с длительностью импульсов 100 нс. Экспериментально подтверждено формирование 3D-сеток из УНТ, а также из УНТ и графена при пороговых плотностях энергии излучения 0,3 и 0,5 Дж/см2 для пленок, включающих ОУНТ и МУНТ соответственно. Показано, что повышение плотности энергии излучения выше порогового значения способствует образованию аморфного углерода на поверхностях УНТ в виде нановключений, а также к увеличению дефектности УНТ после лазерного воздействия, которое связано с появлением C-C связей с ближайшими нанообъектами.

7) В результате лазерной наносварки были экспериментально получены образцы наноматериала в виде 3D-сеток на основе УНТ и графена. Образцы представляли собой плёнки из нанообъектов на подложках из Si с толщиной оксидного слоя 0,52 мкм и размерами 10 мм × 10 мм. Толщина пленок ~ 500–1000 нм наносились 800–1000 слоев в зависимости от типа нанообъектов. Установлено, что распределение твердости по глубине для 3D-сеток на основе ОУНТ и МУНТ составило 36,3–40,1 ГПа и 39,5–42,8 ГПа соответственно. При этом добавление графена привело к снижению твердости в случае с пленкой ОУНТ/графен. После лазерного воздействия распределение твердости составило 32,8–34,9 ГПа. В случае с пленкой МУНТ/графен добавление графена привело к увеличению твердости, распределение по глубине составило 51,5–52,7 ГПа. Установлены закономерности увеличения электропроводности 3D-сеток на основе ОУНТ и МУНТ после лазерного воздействия до 11,5 кСм/м и 18,4 кСм/м соответственно. Показано, что добавление графена способствовало существенному увеличению электропроводности пленки МУНТ/графен. Максимальная электропроводность была получена для 3D-сетки МУНТ/графен и составляла ~ 22,6×10^6 См/м.

8) Подана заявка на патент на разработанное технологическое решение «Способ формирования электропроводящего слоя на основе оксида графена и углеродных нанотрубок», который включает окислительную обработку углеродных нанотрубок, формирование суспензии оксида графена и углеродных нанотрубок, нанесение суспензии оксида графена и углеродных нанотрубок на нагретую подложку и облучение сформированного слоя из оксида графена и углеродных нанотрубок лазерным излучением в импульсном режиме.

9) Предложена стационарная модель для вычисления туннельного тока вакуумного резонансно-туннельного триода и тетрода с управляющими сетками. Модель основана на решении стационарного уравнения Шредингера методом матриц передачи с вычислением профиля потенциальной энергии в структуре с несколькими электродами методом многократных изображений. Модель предусматривает включение в структуру одной или двух сеток, в частности, находящихся под одинаковым потенциалом. Для такой структуры с двойной квантовой ямой получено резонансное туннелирование и показана возможность получения плотностей тока до 10^13 А/м2 при напряжениях на катоде не более 10^10 В/м.

10) Получено уравнение для определения резонансных уровней в многоямном квантовом потенциале с несколькими горбами. Уравнение позволяет определять как квазиуровни с комплексными значениями энергий (метастабильные уровни), знание которых позволяет создавать оптимальные распределения потенциала, так и собственные уровни с действительными энергиями.

11) Установлено, что влияние углеродных структур на поверхности катода на полевую эмиссию сводится к проникновению поля внутрь структуры и к ускорению набегающих на барьер электронов, а также к изменению профиля барьера в случае структур с диэлектрическими свойствами. Предложен метод решения 1D уравнения Пуассона совместно с уравнением Шредингера.

Публикации по результатам проекта, вышедшие в 2021 году

1. Alexander Y. Gerasimenko, Artem V. Kuksin, Yury P. Shaman, Evgeny P. Kitsyuk, Yulia O. Fedorova, Artem V. Sysa, Alexander A. Pavlov, Olga E. Glukhova Electrically Conductive Networks from Hybrids of Carbon Nanotubes and Graphene Created by Laser Radiation // Nanomaterials 2021. Vol. 11, no. 8. P. 1875. DOI: 10.3390/nano11081875

2. M.V. Davidovich, I.S. Nefedov, O.E. Glukhova, M.M. Slepchenkov Toward the Theory of Resonant-Tunneling Triode and Tetrode with CNT-Graphene Grids // Journal of Applied Physics. 2021. Vol. 130. P. 204301. DOI: 10.1063/5.0067763

3. Michael M. Slepchenkov, Pavel V. Barkov, Olga E. Glukhova Hybrid Films Based on Bilayer Graphene and Single-Walled Carbon Nanotubes: Simulation of Atomic Structure and Study of Electrically Conductive Properties // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, no. 8. P. 1934. DOI: 10.3390/nano11081934

4. Michael M. Slepchenkov, Pavel V. Barkov, and Olga E. Glukhova In Silico Study of the Electrically Conductive and Electrochemical Properties of Hybrid Films Formed by Bilayer Graphene and Single-Wall Nanotubes under Axial Stretching // Membranes. 2021. Vol. 11, no. 9. P. 658. DOI: 10.3390/membranes11090658

5. О.Е. Глухова, М.М. Слепченков, П.А. Колесниченко Туннельный ток между структурными элементами тонких графен/нанотрубных пленок // Физика твердого тела. 2021. Том 63. Вып. 12. С. 2198-2204.

6. O.E. Глухова, М.М. Слепченков, П.В. Барков Особенности атомного строения и электронных свойств гибридных пленок, образованных одностенными углеродными нанотрубками и бислойным графеном // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2021. Т. 21, вып. 4. С. 302-314. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-4-302-314

7. O.E. Glukhova, P.V. Barkov A new method for determining energetically favorable landing sites of carboxyl groups during functionalization of graphene nanomesh // Letters on Materials. 2021. Issue 12(4). P. 392-396.

X
Predictive multiscale modeling in life sciences and sphere of high technologies