Регистрация / Вход
Прислать материал

Лазерная и плазменная функционализация материалов на наноуровне

Докладчик: Булгакова Надежда Михайловна

Должность: главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук

Цель проекта:
Основной целью проекта является разработка научных основ для плазменно-лазерной наномасштабной функционализации материалов. Функционализация материалов, т.е. придание им новых свойств, таких как повышенная каталитическая активность, максимально высокая поглощательная способность, супергидрофильность или супергидрофобность, необычные оптические, теплопроводные и электропроводные свойства, на сегодняшний день является одним из центральных направлений лазерных и плазменных технологий в материаловедении. Задачами проекта являются формирование функциональных наночастиц и напыление наноструктурных пленок для целей катализа, фотоники, оптоэлектроники и медицины. В качестве конечного продукта будут синтезированы наночастицы ряда материалов (титана, двуокиси титана, субоксида кремния, сплава золота с серебром) и их наноструктурные пленки с помощью лазерных и плазменных технологий в отдельности и в их комбинации. Будет продемонстрировано преимущество метода, сочетающего плазменное и лазерное воздействие на материал, для высокоэффективного получения наноматериалов и улучшения их функциональных свойств. Будут созданы регламенты синтеза наночастиц и тонких пленок с использованием лазерно-плазменного метода.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках проекта методами лазерной абляции и плазменной дуги будут синтезированы наночастицы титана и двуокиси титана, субоксида кремния, композитные частицы AuAg и графеновые структуры. Будут получены коллоидные растворы AuAg. Будут синтезтрованы тонкие пленки субоксида кремния и выполнена их функционализация отжигом. На основе наночастиц, взвешенных в газовом разряде, будет разработана методика измерения парциальных давлений газов в химически активной плазме газового разряда. В целом будут разработаны научные основы функционализации наноматериалов плазменно-лазерным методом, позволяющие улучшать люминесцентные, поглощающие и плазмонные свойства наночастиц и материалов на их основе. Основные характеристики планируемых результатов:
- Диапазон размеров синтезированных наночастиц титана 5 – 50 нм;
- Толщина выращенных пленок субоксида кремния 0.1 – 1 мкм;
- Образцы пленок субоксида кремния с стехиометрическим коэффициентом 0.5-1.5;
- Коллоидные растворы композитных наночастиц AuAg с управляемым пиком плазмонного резонанса в спектральном диапазоне 400 - 530 нм.
- Графеновые образцы на меди со средним числом слоев: диапазон 1-3 слоя, 2-5 слоев, более 5 слоев.
- Графеновые образцы, функционализированные азотом и водородом.
- Измерение парциальных давлений газов в плазме разряда с точностью не менее 1 мТорр.
Данный проект ставит целью соединить преимущества лазерных и плазменных методов для повышения эффективности функционализации материалов и нахождения путей управления синтезом наноматериалов с необычными оптическими, электрофизическими и реакционными свойствами. Будут выполнены исследования по синтезу наночастиц и напылению наноструктурных пленок с помощью лазерного облучения и разряда в отдельности и в комбинации. Методические исследования возможности объединения двух методов будут проведены впервые.
Для достижения заявленных результатов, выбрана следующая стратегия исследований:
- Для оптимизации наноструктурных свойств получаемых материалов будут проведены систематические исследования влияние давления и температуры фонового газа и тока разряда на морфологию и состав синтезируемых наночастиц и пленок. Исследования свойств материалов будут проведены методами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. При использовании метода лазерной абляции будет изучено влияние длительности и интенсивности импульсного лазерного облучения на плазмонные и люминесцентные свойства наночастиц. Будет выполнены измерения спектральные измерения плазмонного отклика композитных частиц.
- Синтез функциональных наночастиц и наноструктурных пленок одного и того же вида материала будет выполнен методами лазерной абляции, плазменным методом и при комбинировании лазерного и плазменного методов синтеза и будет проведено сравнение свойств наноматериалов, полученных разными методами.
- На основе перечисленных исследований будет выполнена оптимизация условий синтеза наночастиц и тонких пленок и разработаны регламенты синтеза.
Предлагаемые прикладные систематические научные исследования будут проведены впервые в мире. Обоснованность достижения целей проекта связана с опытом работы коллектива по синтезу металлических и оксидных наночастиц, опытом напыления наноструктурных пленок методами лазерной абляции и активированной плазмы, а также опытом исследования оптических, плазмонных, структурных и электрофизических свойств наночастиц и тонких пленок.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В виду уникальности свойств функциональные наноматериалы находят широкое применение в разнообразных областях науки и техники, как
традиционных, так и новых, развивающихся. Далеко неполный перечень использования функциональных материалов включает создание защитных покрытий, трибологию, катализ, солнечную энергетику, оптоэлектронику, фотонику, медицину.
В рамках проекта планируется синтезировать наночастицы титана принципиально новым "чистым" методом, свободным от недостатков традиционных химических методов синтеза. Такие наночастицы и их пленочные структуры важны для оптоэлектроники (изменение оптических свойств материалов на их основе) и медицины (наночастицы диоксида титана убивают опасные вирусы). Уже достигнуты убедительные результаты и начат патентный поиск. Эти исследования могут стать основой нового технологического решения. Предвидятся и другие уникальные результаты, которые в будущем могут дать новые технологические решения (оригинальный синтез графеновых слоев и их функционализация; улучшение оптических свойств синтезируемых пленок субоксида кремния, что важно для целей солнечной энергетики, и ряд других).
Сотрудничество с Европейским партнером Центром HiLASE в области плазменно-лазерных технологий начато осенью 2013 г. Подписан Меморандум о сотрудничестве на два года. Чешская сторона стремится к расширению Европейского сотрудничества с привлечением специалистов Института теплофизики СО РАН. 10-12 ноября 2014 г. в Центре HiLASE при участии руководителя проекта организован и проведен Рабочий Семинар по функционализации поверхностей лазерными и плазменными методами, в котором приняли участие ведущие ученые Германии, Франции, Италии и Греции. Запланирована подготовка Европейского Проекта в рамках Horizon 2020, для участия в котором приглашается коллектив данного проекта. К исполнению проекта привлечены молодые ученые и студенты. Для популяризации проводимых в рамках проекта исследований руководителем и участниками проекта будут даны две лекции на XIII Всероссийской школе-конференции молодых ученых с международным участием “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (Новосибирск, 20-23 ноября 2014 г.) по формированию функцинальных наночастиц и роли теплофизических процессов при функционализации поверхностей.

Текущие результаты проекта:
- Осуществлен синтез наночастиц титана плазменно-дуговым методом со сбором на углеродной матрице и выполнена характеризация материала.
- Для отработки методики плазменного синтеза наночастиц и анализа динамики частиц в разряде построена тестовая версия самосогласованной модели, описывающей параметры плазмы разряда постоянного тока с микро/наночастицами, и получены первые результаты.
- Осуществлен синтез тонких пленок субоксида кремния методом газоструйного химического осаждения с активацией электронно-пучковой плазмой и выполнена характеризация материала.
- Разработана методика синтеза тонких пленок субоксида кремния методом лазерной абляции и начаты эксперименты по синтезу пленок.
- Разработана методика и получены первые результаты по измерению парциального давления газов, образующихся в результате диссоциации молекул этилового спирта в химически активной плазме газового разряда.
- Методом лазерного синтеза получены композитные наночастицы "золото-серебро" в жидкости, выполнены измерения их плазмонного отклика.
- Разработана модель плазмонного резонанса композитных наночастиц, включая полые частицы и частицы со структурой «ядро-оболочка».
- Реализован синтез однослойных и многослойных графеновых структур методом химического осаждения из газовой фазы на медной фольге с использованием метана в качестве источника углерода.