Регистрация / Вход
Прислать материал

Рентгеновская и электронная спектроскопия с разрешением по времени с использованием лазеров на свободных электронах

Номер контракта: 14.587.21.0002

Руководитель: Солдатов Александр Владимирович

Должность: заведующий кафедрой физики наносистем и спектроскопии физического факультета Южного федерального университета

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия с фемтосекундным временным разрешением, лазер на свободных электронах, динамика наноразмерной атомной и электронной структура перспективных материалов,

Цель проекта:
Проблема, на решение которой направлен проект - отсутствие современной методики диагностики параметров электронной структуры поверхности новых материалов со сверхвысоким временным разрешением (вплоть до фемтосекундного диапазона). Цель - Разработка и внедрение новой уникальной методики -рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с высоким временным разрешением в рамках создания научно-технического задела с применением Европейского лазера на свободных электронах (проект XFEL) в рамках сотрудничества с научно-исследовательскими организациями и университетами Федеративной Республики Германия и российско-германского Института Иоффе-Рентгена.

Основные планируемые результаты проекта:
РАСЧЁТЫ: Создание вычислительного центра и оснащение лучшим программным обеспечением для квантово-механических расчётов, направленных на обработку и анализ данных, получаемых в ходе рентгеноспектральных измерений с высоким временным разрешением.

СИНТЕЗ: Разработка методики и синтез перспективных материалов, представляющих интерес для исследования спектральными методами с высоким временным разрешением: фотопереключаемые молекулы, наночастицы 3d металлов (в т.ч. на графене и пористых подложках), полупроводниковые квантовые точки, сверхпроводящие сплавы, магнитные наночастицы. Дооснащение химической лаборатории.

ДИАГНОСТИКА (статика): Диагностика синтезированных образцов лабораторными и синхротронными рентгеноспектральными методами. Отработка методики измерений с высоким временным разрешением. Параметры атомного строения координационных центров 3d металлов в растворах будут определены с точностью выше 0.02А, что соответствует мировому уровню в области структурного анализа.

ДИАГНОСТИКА (динамика): Определение динамики атомной и электронной структуры синтезированных образцов с высоким временным разрешением с использованием лазеров на свободных электронах FLASH, XFEL. Измерения будут проведены в различных диапазонах временного разрешения: от десятков фемтосекунд до сотен пикосерунд, что позволит проследить различные стадии наблюдаемой динамики - от переноса заряда до релаксации.

НЕМЕЦКИЕ ПАРТНЁРЫ: разработка блока фокусирующей рентгеновской оптики, разработка и изготовление спектрометра для XFEL.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Теоретические расчёты проводятся на кластере высокопроизводительных вычислений с использованием технологии распараллеливания для многомасштабного компьютерного моделирования. Для расчётов используется вычислительный кластер "Блохин" построенный на базе процессоров Intel® Xeon® Processor E5-2667 и Intel® Core™ i7-5930K Processor, вычислительной мощностью 8.79 Тфлопс. В рамках теории функционала электронной плотности используются современные обменно-корреляционные потенциалы, позволяющие определять длины и углы химической связи, а также зарядовое состояние с точностью до 1% от полученных в эксперименте значений. Для расчёта фазовой диаграммы и поиска наиболее стабильных структур использованы эволюционные алгоритмы, позволяющие за небольшое количество шагов выбрать семейство метастабильных структур, описывающих переходное состояние. У исполнителей проекта есть навыки работы и доступ к следующему программному обеспечению: ADF-2015 (Квантовохимические расчёты из первых принципов, метода расчёта молекулярных орбиталей нанокластеров и молекул в рамках теории функционала электронной плотности); NAMD (Молекулярная динамика, используется для расчёта больших систем до миллиона атомов), VASP 5.2 (зонный метод расчёта больших периодических систем в рамках метода псевдопотенциала и теории функционала электронной плотности), USPEX (эволюционные алгоритмы для поиска метастабильных состояний) Wien2k (полнопотенциальный зонный метод расчёта небольших периодических систем, до 100 атомов в ячейке, в рамках линеаризованного метода присоединённых плоских волн и теории функционала электронной плотности), FDMnes (метод конечных разностей для расчёта спектров рентгеновского поглощения и эмиссии).

Экспериментальные методы:
Синтез материалов осуществляется с помощью методов коллоидной химии (в т.ч.гидротермальный синтез в реакторе высокого давления BR-200; синтез в системе для микроволнового синтеза CEM Discover MARS6 CEM), методов механохимии (мельница SPEX8000), электрохимии. Рентгеноспектральные исследования соединений проводятся на лабораторном спектрометре рентгеновского поглощения Rigaku R-XAS, установленном в Южном федеральном университете. Прибор оснащён тремя изогнутыми кристаллами-монохраторами Йоганнсона, что позволяет измерять спектры всего ряда 3d переходных металлов с высоким энергетическим разрешением. Элементный анализ материалов осуществляется на двухмерном микро-РФ спектрометре M4 TORNADO (Bruker). Оптические и ИК спектры измеряются на ИК-Фурье спектрометре Vertex 70 с набором приставок для проведения in situ измерений, спектрофотометре Shimadzu UV-2600 c интегрирующей сферой ISR2600Plus для измерения спектров поглощения и отражения в оптической и ультрафиолетовой области. Пористость образцов определяется на автоматизированной системе для анализа площади поверхности и исследования пористой структуры материалов ASAP 2020 , Micromeritics. Синхротронные исследования будут проводиться в международных центрах ESRF, DESY, Курчатовский институт. Спектры поглощения измерены с высоким энергетическим разрешением лучше 1.0 эВ, ИК поглощения рассеяния – лучше 1 см-1, а дифракции – лучше 0.20 градусов. Высокое качество экспериментальных данных будет обусловлено использованием современного лабораторного оборудования и источников синхротронного излучения. Таким образом, заявленные методы и разрабатываемая методика позволяют получать результаты мирового уровня.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанная методика (на основе установленных новых фундаментальных закономерностей поведения атомной и электронной структур материалов с фемтосекундным временным разрешением) позволит целенаправленно разрабатывать принципиально новые материалы для высокотехнологичного сектора российской экономики, включая такие области как нанотехнологии, квантовые вычисления, спинтроника, материалы для био-медицинских применений, фотовольтаика, фотокатализаторы, графеновая электроника, высокотемпературные сверхпроводники. Кроме того будет исследовано поведение материалов при экстремальных воздействиях.
Потребителями результатов будут научно-исследовательские организации и предприятия высокотехнологичного сектора российской экономики которые целенаправленно занимаются разработкой и производством принципиально новых материалов для такие областей как нанотехнологии, элементная база для квантовых вычислений, спинтроника, материалы для био-медицинских применений, материалы и устройства фотовольтаики, разработка фотокатализаторов, элементов графеновой электроники, высокотемпературных сверхпроводников.
Проводимые в рамках проекта научно-просветительские мероприятия, в т.ч. школы-семинары для молодых учёных с привлечением ведущих мировых учёных в области рентгеноспектральной диагностики позволит подготовить научные кадры в России к работе на рентгеновских лазерах на свободных электронах.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения работ по проекту в 2015 году были синтезированы и предварительно аттестованы композиты графен/металл. Электронномикроскопические исследования (методом просвечивающей электронной микроскопии ТEM), показали, что полученный высокорасщепленный графит состоит из очень тонких графеновых листов толщиной 3–5нм, который можно отнести к малослойному графену. На его основе были синтезированы композиты состава графен/Co и графен/Ni путём отжига в водороде смеси графена и гексагидратадихлорида металла. С помощью размалывания в шаровой мельнице проведён водный синтез нанокомпозита HTB-FeF3/rGO с использованием суспензии оксида графена и наночастиц FeF3. Были синтезированы фотоактивные металлорганические молекулы (серия пиразольных соединений, например, кобальт(II)бис{1-фенил-3-метил-4-[4-метил-2-(4-метилфенилазо)фениламиноэтилен]пиразол-5-онат}) методами электрохимии. При фотовозбуждении данных соединений ожидаются их структурные превращения, заключающиеся, например, в изменении лигандного окружения активного центра. ЯМР исследования синтезированных образцов подтвердили предполагаемые структуры. С помощью методов коллоидной химии и микроволнового излучения проведён синтез магнитных наночастиц, металлорганических пористых структур, плазмонных наночастиц. Фундаментальный интерес представляет исследование временной динамики электронной и магнитной структуры наночастиц в ходе переключения их магнитного момента. Среди различных магнитных материалов наибольшее распространение получили частицы магнетита - Fe3O4. Металл-органические пористые структуры представляют как самостоятельный интерес, если в качестве органических линкеров или металлоорганических центров используются фотоактивные молекулы, так и как матрица для стабилизации фотоактивных молекул. Поры внутри этих структур могут являться микрореакторами для проведения и исследования химических реакций катализа в ограниченном объёме для достижения селективности. Синтезированные наночастицы осаждены на подложки с наностержнями ZnO и другие полупроводниковые наноструктуры дли исследования динамики переноса заряда при фотовозбуждении. Также на эти наночастицы прикреплены фотоактивные молекулы, полученные в рамках выполнения данного проекта. Был проведён синтез полупроводниковых наночастиц (квантовых точек) различных размеров, для направленного изменения длины волны эмиссии полученного образца. Динамические изменения электронной структуры вблизи запрещённой зоны при фотовозбуждении и эмиссии квантовых точек требуют использования методов с высоким временным разрешением, которые будут доступны на лазерах на свободных электронах. Задачи, поставленные в рамках проекта выполнены в полном объёме на этом этапе, публикация результатов исследований в высокорейтинговых журналах подтверждает мировой уровень полученных результатов.