Регистрация / Вход
Прислать материал

Диагностика строения, электронной структуры и адсорбционных свойств единичных наночастиц металлов и их оксидов, образующих наноструктурированные покрытия на металлических и полупроводниковых подложках.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
единичные наночастицы, наноструктурированные покрытия, адсорбция, химическое взаимодействие

Цель проекта:
Проект решает фундаментальную научно-техническую проблему определения физико-химических характеристик новых функциональных материалов с наноструктурированными покрытиями. Объектом исследования являются физико-химические свойства единичных наночастиц металлов и оксидов металлов и их кластеры, в частности: структурные особенности, электронное строение, адсорбционная способность по отношению к газообразным реагентам, химическое взаимодействие адсорбированных атомов и молекул на поверхности наночастиц, влияние подложки на физико-химические характеристики наночастиц. Цель работы - создание новых технологий и методик для комплексной диагностики строения и физико-химических свойств нанострукутрированных покрытий на основе метода сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные научные и научно-технических результаты, которые будут получены при
выполнении ПНИ:
1. Методы комплексной диагностики строения, электронной структуры и адсорбционных свойств наноструктурированных покрытий на основе единичных наночастиц металлов и их оксидов.
2. Методы получения наноструктурированных покрытий, нанесенных на подложки
различной природы.
3. Экспериментальные образцы подложек: проводника (пиролитического графита) и
полупроводников (оксида кремния, титана, алюминия) с наноструктурированным
покрытием на основе единичных наночастиц металлов и их оксидов.
4. Методика исследовательских испытаний физико-химических свойств подложек
(проводника - пиролитического графита) и полупроводников (оксидов кремния, титана, алюминия)) с наноструктурированным покрытием на основе единичных наночастиц металлов и их оксидов.
5. Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии
создания наноструктурированных покрытий с управляемыми свойствами».

Будут установлены:
1. Размеры, форма и электронное строение единичных наночастиц.
2. Формы адсорбции газофазных реагентов на наночастицах металлов и металооксидов.
3. Значения основных динамических характеристик элементарных актов адсорбции,
десорбции и диссоциации в зависимости от знака заряда наночастиц.
4. Продукты реакции, образующиеся на поверхностях наночастиц металлов и
металооксидов в результате взаимодействия реагентов.
5. Роль размеров наночастиц и среднего расстояния между ними на динамические
характеристики химического взаимодействия и его продукты.
6. Роль точечных дефектов, объёмных и поверхностных, в актах взаимодействий молекул газовой фазы с единичными наночастицами металлов и их оксидов.
7. Влияние строения наночастиц и природы подложки на физические и химические
свойства покрытий.
8. Технологии приготовления наноструктурированных покрытий, состоящих из единичных наночастиц, на графите, оксидах алюминия, кремния и титана.
9. Методы диагностики с помощью сканирующего туннельного микроскопа физико-химических свойств таких покрытий.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Результатом работ при выполнении проекта являются методы диагностики физико-химических свойств наноструктурированных покрытий на основе единичных наночастиц металлов и металлоксидов. Новые методы позволят проводить исследование различных наноструктурированных материалов на качественно новом уровне с точки зрения пространственного разрешения локальных электронных свойств, чувствительности к единичным структурным дефектам и адсорбированным частицам, элементарным актам химических превращений.

Комплексный подход к решению поставленной в данной ПНИ задачи, развиваемый нами, предлагается впервые в таком объеме. Впервые получена возможность определения физико-химических характеристик единичных наночастиц металлов и их оксидов, образующих наноструктурированное покрытие с нанометровым разрешением.

Наиболее близко к теме настоящего ПНИ относятся исследования по определению физико-химическими свойств наночастиц. Известно, что реальные наноструктурированные покрытия, представляющие наибольший интерес для практического применения, представляют собой набор наночастиц, имеющих различное строение. Методы, используемые для их изучения, такие как ультрафиолетовая, инфракрасная, Оже- и другие варианты спектроскопии, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия зондируют достаточно большие участки поверхности, захватывая различные типы наночастиц. Вследствие этого, полученные данные оказываются усреднены. Например, практически невозможно получить информацию о роли дефектов в элементарных актах химических реакций (адсорбция, диссоциация, десорбция, миграция частиц). В результате интерпретация и обобщение полученных экспериментальных результатов во многих случаях чрезвычайно затруднительно. Развиваемые нами подходы и методы позволяют исключить усреднение данных по различным типам наночастиц.

Для достижения поставленной цели необходимо установить взаимосвязь между элементным составом, структурой, электронной строением и поверхностной плотностью единичных наночастицах металлов и металооксидов, нанесенных на подложки различной природы, а также адсорбционными и химическими свойствами по отношению к газообразным реагентам. Экспериментальная часть выполнена на самом современном уровне с использованием методов сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, обладающих пространственным разрешением порядка 0.1 ангстрема, а теоретическая часть использует актуальные методы квантово-механических расчетов на основе функционала теории электронной плотности.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИ представляют интерес для профильных научно-исследовательских и промышленных организаций, разрабатывающих новые материалы с заданными свойствами и оборудование для данной области науки.

Результаты ПНИ разделяются на две категории:
фундаментальные – установление физико-химических свойств наноструктурированных покрытий на основе единичных наночастиц металлов и их оксидов, которые будут опубликованы в ведущих научных изданиях, представлены на авторитетных российских и международных конференциях, и
прикладные – создание новых методик формирования и диагностики таких покрытий, которые могут быть непосредственно использованы для синтеза и исследований новых функциональных материалов с покрытиями такого типа.

Результаты ПНИ позволят интенсифицировать процессы создания функциональных материалов с нанострукутрированными покрытиями, сократить финансовые затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Публикация результатов ПНИ в научных журналах может привлечь внимание зарубежных групп, проводящих исследования в данном направлении. Таким образом, возможно создание интернациональных колабораций ученых, которые смогут расширить и углубить круг решаемых задач.

Текущие результаты проекта:
При выполнении работ согласно Плану-графику достигнуты следующие основные результаты:
- созданы методики нанесения наноструктурированных покрытий, состоящих из единичных наночастиц металлов и металлоксидов на поверхностях графита, оксидов алюминия, кремния и титана;
- разработаны методики комплексной диагностики единичных наночастиц и покрытий на их основе;
-изготовлены экспериментальные образцы с металлическими и окисленными/оксидными наночастицами в количестве 48 штук;
-определены физико-химические характеристики единичных наночастиц и покрытий на их основе (см. ниже).

Физико-химические характеристики наноструктурированных покрытий:
- аморфные и кристаллические наночастицы золота представляют собой металл без примесей, наночастицы никеля покрыты достаточно прочным слоем оксида, а наночастицы платины – атомарным кислородом;
-диаметр сфероидных наночастиц варьируется от 2 до 20 нм, степень заполнения подложек – от 0.06 до 0.95 монослоя, содержание примесей – менее 0.001.
- при адсорбции водорода на золоте наночастицы меняют свое электронное строение;
- адсорбция кислорода на золотых наночастицах возможно только после активации водородом;
- взаимодействие водорода и кислорода на активированной поверхности наночастиц золота ведет к образованию молекул воды;
- никелевые наночастицы окисляются кислородом, однако экспозиция их в водороде при Т=750 К в течение 1000 минут гарантированно приводит к их восстановлению;
- вода адсорбируется без диссоциации на наночастицах никеля, имеющих аморфную структуру или нанесенных на проводящую подложку, в других случаях наблюдается диссоциативная адсорбция с образованием на поверхности наночастиц ОН-групп;
- окисленные наночастицы платины восстанавливаются водородом при Т=300 К с энергией активации Еа = 24 ккал/моль и средним коэффициентом прилипания к = 0.0000054 , вода адсорбируется на них без диссоциации;
-значения коэффициентов прилипания варьируется в широких пределах от 1 × 10-6 до 1.5 × 10-4, энергия связи – от 0.03 до 2.5 эВ;
-разработана Методика исследовательских испытаний физико-химических свойств под-ложек (проводника (пиролитического графита) и полупроводников (оксида кремния, титана, алюминия)) с наноструктурированным покрытием на основе единичных наночастиц металлов и их оксидов;
-в результате квантово-механических расчетов установлено, что энергия связи между атомами водорода и золота уменьшается при увеличении размеров золотых нанокластеров и числа адатомов от 3.6 эВ до 3, 03 эВ, однако на монотонной, в целом, зависимости наблюдаются особые точки, связанные с т.н. «магическими числами», обусловленными заполнением молекулярных орбиталей и очередных атомных оболочек нанокластеров.